軌道交通焊接工藝發(fā)展趨勢(shì)及前景

國(guó)家軌道交通實(shí)驗(yàn)室 李鋒平

軌道交通焊接工藝發(fā)展趨勢(shì)及前景

國(guó)家軌道交通實(shí)驗(yàn)室 李鋒平

地鐵是當(dāng)前國(guó)內(nèi)最為常見(jiàn)的軌道交通工具。軌道交通工具大大提高了交通的運(yùn)輸效率。重視軌道交通事業(yè)的發(fā)展是非常必要的。本文從不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)出發(fā)，以我國(guó)著名軌道交通焊接專(zhuān)家王天勇研發(fā)試制不銹鋼車(chē)體焊接撓度控制項(xiàng)目為參考（此攻關(guān)難題為中國(guó)軌道交通行業(yè)至少可以創(chuàng)造200億元人民幣的產(chǎn)值，減少的不良品損耗超過(guò)10億元人民幣），對(duì)焊接變形的原因及控制方法做了簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)結(jié)合已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通二次骨架平衡穩(wěn)定系統(tǒng)（專(zhuān)利著作權(quán)人：王天勇）為實(shí)際參數(shù)，提出了軌道交通車(chē)輛用鋁合金焊接工藝的應(yīng)用策略。

軌道交通；鋁合金；焊接工藝

1 不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)

不銹鋼車(chē)體主要由底架、側(cè)墻、端墻、頂蓋及司機(jī)室組成，采用板梁組成薄板筒體結(jié)構(gòu)整體承載。歐洲標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼客車(chē)車(chē)體骨架的生產(chǎn)主要采用MAG電弧焊方式，制造難度極大，車(chē)體采用薄壁筒形整體承載全焊接不銹鋼結(jié)構(gòu)，骨架采用1.5-2mm不銹鋼薄板，車(chē)體主結(jié)構(gòu)材料采用高強(qiáng)度超低碳奧氏體不銹鋼和奧氏體鐵素體雙相不銹鋼，即要控制板的厚度，減輕重量達(dá)到環(huán)保節(jié)能的要求，又要防止焊后變形，保證安全穩(wěn)定性。這是該領(lǐng)域公認(rèn)的焊接難題。該項(xiàng)目主要有以下難點(diǎn)：⑴薄板造成橈度難以控制；⑵無(wú)涂裝車(chē)體的特性使得墻板原材料外漏，焊接缺陷一覽無(wú)余；⑶車(chē)體斷面尺寸精度影響到各部件安裝的精度及穩(wěn)定性。在研發(fā)過(guò)程中，引用王天勇先生建立了拓?fù)浠鶞?zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，提出車(chē)體焊接反變形概念，精確地計(jì)算出反變形值區(qū)間。通過(guò)預(yù)制撓度、優(yōu)化骨架焊接強(qiáng)度和工藝參數(shù)等措施，使得車(chē)體相關(guān)尺寸得到有效控制，達(dá)到了設(shè)計(jì)及工藝要求。

2 焊接變形的原因及控制方法

2.1 焊接變形的影響因素

焊接變形可以分為兩種，一種是瞬態(tài)熱變形，這種變形是發(fā)生在焊接熱過(guò)程中的，另一種是殘余變形，這種變形則是發(fā)生在室溫條件下的。焊接變形深受很多因素的影響，比如像材料、結(jié)構(gòu)和工藝這3個(gè)方面受其影響居多。

2．1．1 材料因素的影響

材料方面，除開(kāi)焊接材料可以影響焊接變形，母材同樣可以影響。而且，材料的熱物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)都將嚴(yán)重影響焊接變形的產(chǎn)生過(guò)程有。同時(shí)材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，焊接變形隨著彈性模量的增大而隨之減少。而較高的屈服極限會(huì)引起較高的殘余應(yīng)力，焊接結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的變形能量也會(huì)因此而增大，從而可能促使脆性斷裂。

2．1．2 結(jié)構(gòu)因素的影響

影響焊接變形的最關(guān)鍵，最復(fù)雜的因素是焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其焊接變形的總體原則是隨拘束度與焊接殘余應(yīng)力的增加而相應(yīng)減少。一般情況下在焊接過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位的是復(fù)雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用，隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加，結(jié)構(gòu)本身在焊接過(guò)程中的拘束度變化情況也隨之增加，由此給焊接變形分析與控制造成一定的難度。因此，為了減小焊接變形，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強(qiáng)筋的位置數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化十分重要。

2．1．3 工藝因素的影響

焊接變形深受焊接工藝很多方面的影響，例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構(gòu)件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應(yīng)用等。其中在各種工藝因素中最為顯著的是焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊?。多層焊以及焊接工藝參?shù)也對(duì)焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長(zhǎng)期研究中，總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)，利用特殊的工藝規(guī)范和措施，達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力和變形，改善殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的目的。

2.2 焊接變形的控制

2．2．1 設(shè)計(jì)措施

（1）合理地選擇焊接的尺寸和形式：焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大，因此，在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用較小的焊縫尺寸。（2）盡可能減少不必要的焊縫：在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，適當(dāng)?shù)匕才沤畎宓奈恢?，力求焊縫數(shù)量少，從而減小焊接變形。（3）合理地安排焊縫位置：在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，安排焊縫盡可能對(duì)稱(chēng)于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這對(duì)于減少梁、柱等類(lèi)型結(jié)構(gòu)的撓曲變形有良好的效果。

2．2．2 工藝措施

工藝措施是指在焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過(guò)程中所采用的一系列措施，將其分為焊前預(yù)防措施、焊接過(guò)程中的控制措施和焊后矯正措施。

（1）焊前預(yù)防措施，主要包括預(yù)防變形、預(yù)拉伸法和剛性固定組裝法。第一，預(yù)變性法或稱(chēng)反變形法是在待焊工件裝配時(shí)造成與焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量（反變形量），使構(gòu)件恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求的幾何形狀和尺寸。第二，預(yù)拉伸法多用于薄板平面構(gòu)件，焊接時(shí)在薄板有預(yù)張力或有預(yù)先熱膨脹量的情況下進(jìn)行的。焊后，可有效地降低焊接殘余應(yīng)力，控制焊接變形。第三，剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件盡可能地固定，可有效地控制待焊構(gòu)件的角變形與彎曲變形等。（2）焊接過(guò)程控制措施，主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力和變形的產(chǎn)生影響較大，在采用不同的焊接順序時(shí)，可以改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，尤其在多道焊中，作用更加明顯。（3）焊后矯正措施。當(dāng)構(gòu)件焊接后，只能通過(guò)矯正措施來(lái)減小或消除已發(fā)生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機(jī)械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。 此外，還有利用機(jī)械力或沖擊能等進(jìn)行焊接變形矯正，包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。

3 軌道交通車(chē)輛用鋁合金焊接工藝的應(yīng)用策略

當(dāng)前軌道交通車(chē)輛的主要原材料是鋁合金。軌道交通車(chē)輛因鋁合金的投入使用，其重量得到大大的減輕，車(chē)輛運(yùn)行的速度也因此得到提高。軌道交通車(chē)輛生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)--鋁合金焊接技術(shù)應(yīng)給予高度重視，尤其是相關(guān)工藝的技術(shù)研究和應(yīng)用研究方面，務(wù)必給予高度重視，這是非常必要的。

3.1 重視鋁合金焊接工藝的創(chuàng)新

國(guó)內(nèi)鋁合金焊接工藝在實(shí)踐中常會(huì)暴露出一些問(wèn)題，作為軌道交通車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)鼓勵(lì)廣大生產(chǎn)一線的職工重視技術(shù)創(chuàng)新。國(guó)外的鋁合金焊接技術(shù)相對(duì)比較發(fā)達(dá)，向國(guó)外優(yōu)秀的鋁合金點(diǎn)焊工學(xué)習(xí)對(duì)技術(shù)的提升是非常有效。另一方面，在企業(yè)內(nèi)部或行業(yè)內(nèi)部開(kāi)展技術(shù)競(jìng)賽，通過(guò)競(jìng)技的方式促進(jìn)點(diǎn)焊技術(shù)的不斷提升。

3.2 重視鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前比較先進(jìn)的焊接技術(shù)即是鋁合金激光焊接技術(shù)。能量密度高、熱量小是該技術(shù)具備的2個(gè)特點(diǎn)，因此焊件的變形和裂紋因該技術(shù)的使用而在焊接過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生。此外，一些細(xì)微的焊件因該種技術(shù)冷卻速度快而有較好的焊接效果。如今，只有鋁合金激光焊接技術(shù)能夠適應(yīng)現(xiàn)代社對(duì)軌道交通車(chē)輛的堅(jiān)固性、穩(wěn)定性、美觀性的要求，但并不成熟的激光焊接技術(shù)工藝還需要克服一些技術(shù)難點(diǎn)。

3.3 重視鋁合金焊接設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究

鋁合金焊接的關(guān)鍵因素即是焊接設(shè)備。焊接的質(zhì)量和效率深受焊接設(shè)備的功率、焊束的能量密度、焊接速度等等因素的影響。此外，工人的工作環(huán)境也直接受焊接設(shè)備的先進(jìn)性的影響。因此，要想提高鋁合金焊接工藝的水平，開(kāi)發(fā)性能高、效率高、安全系數(shù)高的自動(dòng)化焊接設(shè)備是關(guān)鍵。

3.4 不斷改善焊接工人的作業(yè)環(huán)境

人是任何工藝水平提升的基礎(chǔ)。因而，安全舒適的工作環(huán)境對(duì)于焊接工人來(lái)說(shuō)是非常必要的。然后實(shí)際操作時(shí)，高溫環(huán)境時(shí)常出現(xiàn)在焊接過(guò)程中，伴隨著焊接時(shí)大量化學(xué)材料的使用，這將嚴(yán)重影響工人的身體。因而，污染性高的焊接工藝在軌道交通車(chē)輛生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡量避免使用。鋁合金技術(shù)應(yīng)用的重要標(biāo)準(zhǔn)就是重視工人作業(yè)環(huán)境的改善，這是非常必要的。

4 總結(jié)

軌道車(chē)輛車(chē)體在焊接過(guò)程中具有焊接變形難以控制的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體焊接變形以及應(yīng)用的分析研究，這不僅拓寬了焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍，還推動(dòng)了我國(guó)焊接行業(yè)與世界接軌。

李鋒平（1965—），男，教授級(jí)高工，軌道交通焊接領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>