引弧板

隨着鐵路現代化建設的高速發展，鋁合金車體焊接結構已在軌道交通裝備製造業獲得廣泛應用。由於鋁合金材料本身具有導熱快、膨脹係數大、易氧化等性能，因此在焊接過程中會產生一系列的困難，而使焊接過程中極易產生氣孔、未熔合等焊接缺陷，必須進行返修焊接。但在實際焊接過程中，頻繁出現的焊接缺陷造成了極高的焊接返修率，而鋁合金焊接返修一般不能超過2次，否則將作報廢處理。例如，對於高速列車鋁合金車體結構中的關鍵部件車鈎梁，報廢1件其經濟損失就高達15萬元。但是，對於車鈎梁的中厚板對接焊縫來講，焊接返修時採用的傳統的“平板” 式引弧板不能與焊縫表面緊密貼合，影響了焊接熱量的快速傳導，極易在返修焊縫的引弧端處產生未熔合等缺陷，造成焊接返修一次合格率僅為60%左右，因此有必要對這一問題進行研究，以提高一次焊接合格率 ^[1]  。

1.焊接返修處理方法

（1） 打磨缺陷 由於焊接缺陷多為焊縫局部問題，為了保證焊接可達性，在確定焊接缺陷位置並去除焊接缺陷後，應保證待焊區域根部寬度不小於5mm，並將待焊區域兩端坡面根部和兩側坡口面銑削至圓滑過渡，使坡口角度不小於30°，從坡口根部至焊縫表面的縱向過渡區域坡度不小於1∶4。在徹底去除缺陷的前提下，應儘量減少焊縫去除量，以減少焊接返修填充量，從而控制熱輸入及焊接變形。

（2） 安裝引弧板 由於鋁合金MIG焊接過程中母材散熱較快，熔池冷卻速度也較快，在焊縫引弧端容易產生氣孔、未熔合等焊接缺陷，因此，為避免缺陷產生，必須在焊縫引弧處加裝與焊縫坡口形式相同的焊接引弧板。由於返修焊接起始部位為下坡焊，因此與焊縫坡口形式相同的引弧板並不能充分發揮引弧的作用，所以，普遍採用返修用引弧板用於焊接返修操作。引弧板為一矩形板，該矩形板的一側壁為坡面，該坡面與矩形板一個面的夾角為坡角，該坡角為30°～45°。

焊接返修前將引弧板平放於焊縫上，使引弧板的坡面邊緣與待焊區域起始端邊緣貼合，即引弧板的坡面與縱向過渡區域相連接，並用F形卡具將引弧板與母材卡緊固定。

（3）焊接返修 若母材厚度≥8 mm，焊接前需要採用氧乙炔火焰預熱待焊區域，使預熱温度控制在80～120℃，在進行多層多道焊接時，道間温度控制在100～120℃。焊接返修完成後，鬆開卡具，並採用手工銑削方式打磨去除返修用引弧板。保留原始焊縫與返修焊接焊縫，並將兩焊縫間連接處打磨光滑，使焊縫間高度一致。

2.現有返修用引弧板的缺點

（1） 由於返修用引弧板需要裝配於焊縫之上，而且焊縫一般留有約1~2mm 餘高，造成了引弧板與焊縫餘高之間接觸面積極小。焊接過程中，熱量傳導效果較差，局部熱量較高將會嚴重影響縱向過渡區域的焊接質量，容易產生焊接未熔合及焊縫氣孔缺陷。同時，由於局部温度較高，還會造成焊接接頭中熱影響區會出現軟化，使母材強度降低。

（2） 熔化金屬表面張力較小，流動性很強。焊接返修起始階段為下坡焊，更加快了熔化金屬的流動速度，造成引弧端處的熱量不夠集中，使引弧端縱向過渡區域以及坡口根部易產生焊接未熔合及焊縫氣孔缺陷。

（3） 鋁合金焊接熱輸入越大，性能降低的程度越嚴重。而返修焊接時引弧處缺陷的產生，會使焊縫局部因重複焊接而增大熱輸入，從而使焊接接頭強度降低。

為此，針對現有返修用引弧板與焊縫和母材接觸面積小的問題，筆者發明了一種新型返修用引弧板。

1.新型返修用引弧板的設計方法

（1）設計思路

通過分析焊接返修造成的坡口根部未熔合缺陷，可推斷熔化金屬的流動速度超前於焊接熔池，使填充金屬與母材坡口根部兩側並沒有形成有效連接，造成焊縫與母材未熔合，而熔化金屬流動速度快是由於引弧焊接時引弧板與母材焊縫間沒有形成良好的熱量傳遞、返修用引弧板導熱不良造成。嘗試將引弧板表面設計成凹形圓弧形狀，使之與母材焊縫餘高的凸形圓弧相匹配，增大返修用引弧板與母材的接觸面積，增加熱量傳導速率。

（2）結構形狀的設計方法

其形狀為引弧闆闆體的一面具有與焊縫餘高相配合的凹槽，板體上被凹槽穿設的至少一個側壁為坡面，坡面與板體上凹槽所在面的夾角為30°～45°，即坡角為30°～45°。板體與焊接母材的厚度相同，該厚度是指板體上除凹槽、坡面所在位置的厚度。

以高速列車鋁合金車體關鍵部件車鈎梁10V坡口對接焊縫返修焊接為例，該返修用引弧闆闆體與焊接母材為相同材質的鋁合金材料，且厚度相同，板體規格為10 mm×50mm×50mm，板體的一面加工出與焊縫餘高相配合的凹槽，使凹槽的截面形狀應能夠容納凸出於母材表面的焊縫餘高，該凹槽可採用手工銑削方式加工完成，板體上被凹槽穿設的一個側壁為坡面，該坡面與板體上凹槽所在面的夾角（坡角）為40°，在返修焊接過程中，引弧板的坡面的邊緣與待焊區域上邊緣相貼合，該夾角減小了返修用引弧板坡面與待焊區域間的縱向過渡區域表面坡口角度差異，實現了直線連接，以便於返修焊接。

2.新型返修用引弧板的使用方法

（1） 焊接缺陷去除完成後，將引弧板與母材採用F形卡具進行卡緊固定，採用F形卡具夾持在返修用引弧板背離母材的一面，實現返修用引弧板與母材間的卡緊固定。保證引弧板與工件表面貼合緊密，保證引弧板的坡面與待焊區域上邊緣貼合平齊，實現直線連接，以便於返修焊接。

（2） 焊接前使用氧乙炔火焰對待焊區域進行預熱，預熱過程中火焰應調整為碳化焰，並且火焰應能夠在預熱區域上方自由移動，但應避免直接加熱返修用引弧板。使用接觸式測温儀進行温度測量，預熱温度控制在100℃左右，焊接過程採用多層多道焊，焊接道間温度控制在110℃左右。

（3） 對待焊接區域進行焊接。返修焊接完成後，待母材焊縫冷卻至室温或25℃時，拆除F形卡具。採用風動直磨機銑削去除返修用引弧板，將返修用引弧板與焊縫連接處打磨光滑。

（4） 採用風動直磨機去除引弧板，去除後進行縱向打磨，將接頭處打磨至圓滑過渡，返修焊縫與原始焊縫保持高度一致。

3.新型返修用引弧板的應用效果及優點

通過在車鈎梁返修中實際應用證明，使焊接操作技能要求降低，明顯降低缺陷產生的幾率，使焊縫返修一次合格率由60%提升到100%，縮短車鈎梁製造週期達40%以上。通過驗證，這種新型返修用引弧板具有以下優點：

（1） 結構簡單，便於加工製作：只需測量4個數值（母材厚度、焊接坡口角度、坡口根部間隙、焊縫餘高）用以確定凹槽尺寸，便可批量加工製作。

（2） 安裝拆除方便：採用F形卡具進行卡緊固定，可靠牢固，拆裝方便 ^[2]  。

這種新型返修用引弧板適用於鋁合金材料8mm以上中厚板材的對接焊縫返修。由於焊接鋁合金車體板材及型材以8mm及以上尺寸居多，其對接焊縫焊接返修多采用多層多道焊，焊前需進行火焰預熱，此新型引弧板可加快焊縫引弧端熱量傳導的速率，避免由於引弧板過熱而造成的引弧板與焊縫連接處接頭強度軟化。

這種新型返修用引弧板也適用於長焊縫的焊接。長焊縫焊接不可避免會留有接頭，新型引弧板與母材間良好的熱傳導性，可減少接頭處焊接未熔合、焊縫氣孔缺陷的產生幾率，保證接頭焊接質量。

凹槽式新型返修用引弧板的應用，使引弧板與焊縫和母材的接觸面積增大，加快了母材與引弧板間的熱量傳導速率，從而減少了返修焊接缺陷的產生，取得了良好的返修焊接效果。這種新型焊接引弧板已經申報國家專利 ^[3]  。