軌道車輛鋁合金車體焊接變形控制研究

（南車青島四方機車車輛有限公司，山東 青 島 2 66111）

軌道車輛車體為筒形整體承載結(jié)構(gòu)，由大型、中空、薄壁鋁合金擠壓型材雙面焊接而成，其最大優(yōu)點是輕量化，可以減輕運行成本和維護成本，有助于達(dá)到高速化，但由于鋁合金熔點低，導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)較大，在焊接時容易產(chǎn)生焊接變形，最終對車體整體尺寸影響較大。因此，車體總組焊工序中，對車體整體尺寸的控制顯得尤為重要，良好的車體整體尺寸不僅減少后工序的調(diào)修量，而且能夠避免因調(diào)修而增加車體的殘余應(yīng)力，有利于提高鋁合金車體的品質(zhì)。

1 車體組焊焊接變形產(chǎn)生原因

因為鋁板具有的厚度，如圖1（a）所示。如認(rèn)為鋁板在厚度方向上由許多互不相連的窄條組成，則在焊接過程中，則窄條將按溫度高低而伸長，如圖1（b）所示。但實際上，板條是一個整體，各板條之間是互相牽連相互影響的，上一部分金屬受下一部分金屬的阻礙作用而不能自由伸長，因此產(chǎn)生了壓縮塑性變形，由于鋁板上的溫度分布自上而下逐漸降低，因此，鋁板產(chǎn)生了向下的彎曲變形，如圖1（c）所示。在焊接結(jié)束后，鋁板冷卻過程中，各板條的收縮應(yīng)如圖1（d）所示。但實際上，鋁板條是一個整體，上一部分金屬受下一部分金屬的阻礙作用而不能自由收縮，所以鋁板產(chǎn)生了與加熱時相反的彎曲變形如圖1（e）所示，因此筒形車體在焊接完成后車體高度尺寸減少，車寬尺寸增大。

2 車體焊接變形控制

2.1 側(cè)墻輪廓度焊接變形控制

鋁合金車體在焊接完成后，由于焊縫發(fā)生角變形，導(dǎo)致車體焊接完成后側(cè)墻輪廓度發(fā)生變化，一般表現(xiàn)在側(cè)墻窗間板處向外鼓，利用樣板檢測，側(cè)墻輪廓度焊后超差（8～10）mm之間，不能夠滿足側(cè)墻輪廓度燮6 mm的要求。通過對車體側(cè)墻輪廓度進行焊前、焊后記錄對比，總結(jié)出車體焊接變形規(guī)律，在車體組裝時，對側(cè)墻輪廓度進行反變形控制，利用螺旋拉緊器將兩側(cè)墻拉緊，然后根據(jù)車體寬度測量結(jié)果，將焊前車體寬度尺寸預(yù)制反變形（如圖1）。

圖1 鋁板焊接變形示意圖

通過上述措施，側(cè)墻輪廓度得到了控制，由以前普遍的（8~10）mm 的偏差，控制到現(xiàn)在的（4~6）mm；同時車體寬度3 206 mm尺寸得到了保證，避免了車體尺寸調(diào)修。

2.2 車體側(cè)墻直線度焊接變形控制

在鋁合金車體焊接過程中，由于焊縫的中心線與結(jié)構(gòu)截面的中性軸（通過重心的軸）不重合或不對稱，導(dǎo)致了車體焊接完成后側(cè)墻發(fā)生彎曲變形。這種變形在車體焊接中主要表現(xiàn)在車體焊接后側(cè)墻直線度發(fā)生變化，不能滿足通長直線度燮6 mm的要求；一般在（10~12）mm之間；為控制側(cè)墻直線度，我們通過實踐從焊接順序、反變形控制等方面制定了相應(yīng)的工藝措施，主要措施如下：

（1）在車體焊接順序方面，為盡量減小焊接不對稱引起的變形，我們在焊接時，焊接方向一致從1位端向2位端焊接；在焊接時要對稱焊接，一二位側(cè)同時焊接；在焊接順序方面，我們規(guī)定了先焊底架與側(cè)墻內(nèi)部斷焊縫及車頂外部自動焊縫，再焊接底架與側(cè)墻外部自動焊縫及車頂內(nèi)部仰焊縫；需要多層焊接時，層間溫度要冷卻到（50~70）℃后再進行焊接，避免熱量集中，造成焊接變形量加大。

（2）在反變形控制方面主要是在焊接前通過直線度測量工裝測量出車體側(cè)墻直線度（如圖4），將數(shù)據(jù)記錄到側(cè)墻測量部位，根據(jù)記錄，通過手拉葫蘆、自制頂桿等工具對側(cè)墻直線度預(yù)制反變形，將車體焊前側(cè)墻直線度調(diào)整到燮4 mm。

通過上述措施，車體側(cè)墻直線度焊后變形量得到改善；直線度焊后一般控制在（4~6）mm之間；大大減小了車體調(diào)修的工作量。

2.3 車體扭曲變形控制

扭曲變形是典型的空間變形。其是角變形在沿焊縫長度上變形程度出現(xiàn)不一致而引起的。具體到鋁合金車體，表現(xiàn)為車體對角線差值過大。車體對角線超出后調(diào)修特別困難，為了調(diào)整車體完成后的對角線,過去通常采取的方法是：對側(cè)墻下邊梁“下火”+“撐拉桿”的方法。調(diào)扭曲變形需要較高的技能水平，如果操作不當(dāng)會導(dǎo)致側(cè)墻下邊梁型材內(nèi)側(cè)面凹凸變形嚴(yán)重。

為減小車體焊后調(diào)修量，進行分析驗證，制定了詳細(xì)的控制措施，具體如下：

（1）從前工序進行品質(zhì)控制，在保證底架、側(cè)墻、端墻及頂棚質(zhì)量的同時，在車體組裝前測量端墻對角線差，根據(jù)測量結(jié)果，在端墻吊裝時，對端墻安裝進行調(diào)整，確保端墻的安裝質(zhì)量。

（2）在吊裝車頂前，檢測兩端距墻300 mm處側(cè)墻對角線差，利用手拉葫蘆進行調(diào)整對超差部位作反變形處理；對角線差不大于5 mm。

（3）當(dāng)車體定位焊接后，利用滑動拉桿尺測量車體內(nèi)部寬度、高度及斷面對角線長度差；利用手扳葫蘆，工藝支撐等工藝裝備通過頂、拉進行反變形的方式依次調(diào)整車體焊前尺寸，車體斷面對角線長度差調(diào)整到0，對于對角線差較大的車體采取預(yù)制反變形，確保焊后符合產(chǎn)品設(shè)計要求。

通過采取以上工藝措施對車體焊接扭曲變形進行焊前反變形控制，車體焊接完成后，車體斷面對角線差符合理論要求尺寸。

3 結(jié)束語

在鋁合金車體焊接時，呈現(xiàn)車體寬尺寸變大、車高尺寸變小的趨勢，根據(jù)實際情況來選擇合適工藝方法，進行焊前尺寸控制，如果焊前車體尺寸與理論尺寸差值較大時，根據(jù)焊前組對尺寸，合理選擇預(yù)變形量，進行預(yù)變形控制，達(dá)到焊后尺寸在一個合格的范圍之內(nèi)。減少焊后的調(diào)修量，降低車體殘余應(yīng)力，實現(xiàn)車體品質(zhì)控制。

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