軌道車輛鋁合金車體焊接變形控制研究

李揚

摘 要：為了確保鋁合金車體高品質的要求，針對軌道車輛鋁合金車體在焊接過程存在的變形較大的問題，提出了控制鋁合金車體變形的方法。文章分別在隨焊變形控制、焊前變形控制和焊后變形控制三個方面介紹了變形控制方法。

關鍵詞：軌道車輛；焊接；控制；變形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.023

1 引言

鋁合金材料通過擠壓后可生產成軌道車輛鋁合金車體所使用的型材，焊接過程可通過自動焊接的方式完成。然而，相對于普通鋼材，過高的膨脹系數和良好的導熱性致使鋁合金在焊接過程中變形很大，對鋁合金焊接過程變形的控制已成為研究熱點。

2 鋁合金車體的變形

組成鋁合金車體的型材并不是一整塊，而是由多塊型材拼接而成，焊接所造成的高溫會使這些鋁合金型材發(fā)生變形。然而，在實際生產中這些窄條是相互接觸的，彼此之間的變形會相互影響。比如，各個型材與焊點的距離不同，所接收熱量也不同，會導致各個型材的溫度產生差異，變形大的型材會擠壓變形小的型材，同時變形小的型材會阻礙變形大的型材，該相互影響的過程會產生鋁型材的彎曲變形。

另外，在結束焊接后，會有一個使鋁型材冷卻的工藝過程。根據熱脹冷縮的原理，在該過程中鋁型材會發(fā)生收縮形變，但由于相互接觸的鋁型材之間的收縮形變量不同，彼此之間會有阻礙變形的趨勢。因此，鋁合金車體的焊接會使車體本身發(fā)生彎曲變形，如不采取控制變形的措施，則車體將達不到原設計的尺寸公差要求。

3 焊接變形的控制

3.1 隨焊變形控制

隨焊變形控制，即在焊接過程中采取措施控制鋁合金變形的一種控制方法。目前，隨焊變形的控制方法主要有以下幾種：

（1）用冷卻法對焊接過程的溫度進行控制；

（2）改進工藝，降低傳輸到鋁板上的熱量；

（3）改進焊接順序，降低焊接過程造成的鋁板變形；

（4）采用合理的焊接方法，降低熱傳導。

伴隨著MIG焊技術的發(fā)展以及其成本的降低，MIG自動焊已經成為最普遍的焊接方法之一。然而，與其他焊接方法相比較，MIG自動焊方法會產生較大的熱量，進而造成更大的鋁板變形，因此在采用MIG自動焊方法的同時，必須對焊接順序進行改進，以降低鋁板變形。在采用改進焊接順序控制變形程度方面，我國相關企業(yè)在進行了大量的研究之后，焊接變形程度得以有效抑制。在采用改進了的焊接方法控制焊接變形的研究中，株洲某企業(yè)的研究效果顯著，其采用對長縫進行跳焊的方式，大大降低了鋁板的變形程度。

針對MIG焊接方式會產生大量熱量的不足，攪拌摩擦焊以其較小的熱量傳輸優(yōu)勢獲得了越來越多的歡迎。攪拌摩擦焊的主要原理是將母材料焊接處的區(qū)域進行加熱，使其產生軟化變形后將焊接板與模材料焊接起來的一種焊接方法。這種焊接方法的另一主要優(yōu)勢是可以得到與母材料性能相近的焊接頭，降低焊接頭對整體物理性能和化學性能影響。與此同時，針對任何鋁合金材質的母板攪拌摩擦焊均適用，并且在該焊接方法中，母板的氧化膜會自動破碎，且母板材料在整個焊接過程均不會被融化，這降低了熱裂痕和氣孔等的生成概率。除此之外，攪拌摩擦焊的最大優(yōu)勢是可以降低熱量的產生，這對于降低材料的變形、焊接質量的提高意義重大，因此軌道車輛制造企業(yè)對該焊接方法很青睞。

3.2 焊前變形控制

焊前變形控制，即在焊接前對焊接板進行預處理的一種焊接變形控制方法，大概可分為以下幾種類型：

（1）預拉伸方法；

（2）預變形方法或者反變形方法，主要針對在二次焊接過程當中的變形控制；

（3）剛性固定組裝方法，焊接之前預先利用剛度比較大的卡具將焊接板進行固定。

反變形方法和固定組裝方法主要應用在限制大部件鋁合金焊接變形方面。通過實踐證明，為有效抑制縱向殘余應力對鋁合金焊接產生的變形影響，在焊接之前需要對焊接板進行數值計算以及預拉伸試驗等操作。實際生產中，對大部件鋁合金焊接板進行反變形操作和固定組裝操作不但可以大大降低焊接板縱向殘余應力，而且有利于降低焊接板平面的變形程度和縱向撓曲的幅度。

軌道車輛生產企業(yè)在生產鋁合金車體的過程中，通常會為防止車體橫向變形而采取在橫向固定住鋁合金車體的措施。但是該措施并沒有考慮解除對鋁合金車體的橫向固定之后的變形反彈情況，此時若進行二次焊接，不但不會減小鋁合金車體的變形量反而會增大變形量，因此，在進行鋁合金車體焊接之前預留反變形量很有必要。簡而言之，車體的一側在焊接完成之后，須留出反變形量后再對車體另一側進行焊接。

3.3 焊后變形的控制

焊后變形控制方法，即在焊接完成后對焊接板進行某些工藝后改變焊接變形量的一種方法，主要由以下幾種：

（1）機械調修方法；

（2）火焰調修方法；

（3）熱冷綜合調修方法。

考慮到是否易操作、成本以及大部件變形較小等諸多因素，針對鋁合金車體的焊后變形控制，主要采取火焰調修法。值得注意的是，由于鋁合金的性能受熱量輸入多少的影響比較大，因此在使用冷熱綜合調修方法對鋁合金材料焊后變形控制時，需對溫度進行有效的控制。試驗表明，鋁合金的化學性能和物理性能在溫度175攝氏度以上時發(fā)生變化較大，而在175攝氏度以下時發(fā)生的變化并不大。

4 結語

軌道車輛鋁合金車體的寬度、高度以及長度都會因焊接而變化，為減小焊接過程造成的車體變化并保證車體品質，根據不同情況，采用合適的工藝，分別進行隨焊變形、焊前變形和焊后變形的控制，可以有效達到減小變形的預期效果。

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