淺談鋁合金車頂尺寸控制技術(shù)

鄒世拓 沈建國 張富軍

中國中車長春軌道客車股份有限公司 吉林 長春 130000

引言

隨著軌道交通車輛在我國的廣泛應(yīng)用，便利了人們出行。隨著社會的發(fā)展，人們對軌道交通車輛的要求也隨之增高.鋁合金材料的應(yīng)用減輕了軌道車輛的自重，提高了車體的耐腐蝕性，加快了軌道客車的運行速度。車體是地鐵車輛主要承載體，他支撐于轉(zhuǎn)向架之上，保證乘客的安全。車體底架下部及車頂安裝電氣設(shè)備，構(gòu)成車輛主體。他需要承受各種震動，并適應(yīng)100km/h左右的運行速度。還要滿足隔音、隔熱、減震、防火等要求，確保在事故狀態(tài)下盡可能保證旅客安全。

然而在這些鋁合金車體項目在實際生產(chǎn)中，由于鋁合金本身焊接新的特點，加上車頂結(jié)構(gòu)有閉式空型材機(jī)構(gòu)及開式板梁型結(jié)構(gòu)，使得焊后幾何尺寸發(fā)生變化，造成車頂兩端撓度上翹，內(nèi)部高度低難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)尺寸.所以，在實際生產(chǎn)中，這些問題的解決成為了生產(chǎn)的關(guān)鍵。

一、鋁合金結(jié)構(gòu)焊接特點

1.1 物質(zhì)特性 鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量僅次于鋼。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機(jī)械性能、物理性能和抗腐蝕性能。硬鋁合金屬AI—Cu—Mg系，一般含有少量的Mn，可熱處理強(qiáng)化.其特點是硬度大，但塑性較差。超硬鋁屬Al一Cu—Mg—Zn系，可熱處理強(qiáng)化，是室溫下強(qiáng)度最高的鋁合金，但耐腐蝕性差，高溫軟化快。鍛鋁合金主要是Al—Zn—Mg—Si系合金，雖然加入元素種類多，但是含量少，因而具有優(yōu)良的熱塑性，適宜鍛造，故又稱鍛造鋁合金。

1.2 鋁合金物質(zhì)結(jié)構(gòu) 純鋁的密度小(ρ＝2.7g/cm3)，大約是鐵的1/3，熔點低(660℃)，鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性(δ：32～40%，ψ：70～90%)，易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好。但是純鋁的強(qiáng)度很低，退火狀態(tài)σb值約為8kgf/mm2，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過長期的生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點的同時還能具有較高的強(qiáng)度，σb值分別可達(dá)24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強(qiáng)度”(強(qiáng)度與比重的比值σb/ρ)勝過很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運輸機(jī)械、動力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，地鐵的車體、蒙皮、壓氣機(jī)。

等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。

1.3 焊接難點 (1)極易氧化。在空氣中，鋁容易同氧化合，生成致密的三氧化二鋁薄膜(厚度約0.1-0.2μm)，熔點高(約2050℃)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁及鋁合金的熔點(約600℃左右)。氧化鋁的密度3.95-4.10g/cm3，約為鋁的1.4倍，氧化鋁薄膜的表面易吸附水分，焊接時，它阻礙基本金屬的熔合，極易形成氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，引起焊縫性能下降。

(2)易產(chǎn)生氣孔。鋁和鋁合金焊接時產(chǎn)生氣孔的主要原因是氫，由于液態(tài)鋁可溶解大量的氫，而固態(tài)鋁幾乎不溶解氫，因此當(dāng)熔池溫度快速冷卻與凝固時，氫來不及逸出，容易在焊縫中聚集形成氣孔。氫氣孔難于完全避免，氫的來源很多，有電弧焊氣氛中的氫，鋁板、焊絲表面氧化膜吸附空氣中的水分等。實踐證明，即使氬氣按GB/T4842標(biāo)準(zhǔn)要求，純度達(dá)到99.99%以上，但當(dāng)水分含量達(dá)到20ppm時，也會出現(xiàn)大量的致密氣孔，當(dāng)空氣相對濕度超過80%時，如果不采取加熱等措施，焊縫就會明顯出現(xiàn)氣孔。同時，采用小電流慢速焊，加大焊縫冷卻時間，并利用焊絲電弧進(jìn)行熔池攪動，可以較好的幫助氣體排出熔池。

(3)焊縫變形和形成裂紋傾向大。鋁的線膨脹系數(shù)和結(jié)晶收縮率約比鋼大兩倍，易產(chǎn)生較大的焊接變形的內(nèi)應(yīng)力，對剛性較大的結(jié)構(gòu)將促使熱裂紋的產(chǎn)生。

(4)鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大(純鋁0.538卡/Cm.s.℃)。約為鋼的4倍，因此，焊接鋁和鋁合金時，比焊鋼要消耗更多的熱量。

(5)合金元素的蒸發(fā)的燒損。鋁合金中含有低沸點的元素(如鎂、鋅、錳等)，在高溫電弧作用下，極易蒸發(fā)燒損，從而改變焊縫金屬的化學(xué)成分，使焊縫性能下降。

(6)高溫強(qiáng)度和塑性低。高溫時鋁的強(qiáng)度和塑性很低，破壞了焊縫金屬的成形，有時還容易造成焊縫金屬塌落和焊穿現(xiàn)象。

(7)無色彩變化。鋁及鋁合金從固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)時，無明顯的顏色變化，使操作者難以掌握加熱溫度。

二、常見鋁合金結(jié)構(gòu)焊后調(diào)修方式

2.1 機(jī)械矯正 機(jī)械矯正是根據(jù)焊件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、變形程度、使用錘擊、壓、拉等機(jī)械作用力，對焊接變形進(jìn)行矯正.機(jī)械矯正的基本原理是將焊接變形后尺寸縮短的部分用機(jī)械外力加以延伸，并使之與尺寸較長的部分相適應(yīng)，恢復(fù)到所要求的形狀。

2.2 火焰調(diào)修 火焰調(diào)修是利用金屬具有熱脹冷縮性質(zhì)，對焊后變形構(gòu)建進(jìn)行反變形的一種方法。影響火焰調(diào)修效果的因素主要是火焰熱量和火焰加熱位置。一般來說，熱量越大，矯正能力越強(qiáng)，但熱量過大會造成結(jié)構(gòu)性能的下降，對于鋁合金來說，火焰調(diào)修溫度控制在175攝氏度左右，這個溫度對焊接結(jié)構(gòu)的硬度跟強(qiáng)度都不會產(chǎn)生太大影響。溫度超過200攝氏度，焊接結(jié)構(gòu)的硬度明顯降低，拉伸斷裂處隨加熱溫度的升高方向移動。

火焰調(diào)修是目前鋁合金機(jī)構(gòu)焊接焊后調(diào)修中應(yīng)用廣泛的一種調(diào)修方式。是基于德國鋁合金焊接調(diào)修成熟的工藝技術(shù)上，結(jié)合實際工藝特點指點的一套鋁合金焊接后的火焰調(diào)修技術(shù)工藝參數(shù)。調(diào)修過程中的溫度控制十分重要，我廠通常采用氧-乙炔焰進(jìn)行調(diào)修?？緲尰鹧媾c工件角度一般在75度到80度之間，調(diào)修溫度一般控制在150攝氏度到180攝氏度之間，但對于變形量比較大的結(jié)構(gòu)，溫度會適當(dāng)提高，對于操作者的經(jīng)驗，技術(shù)要求很高，烤槍走向及火焰高度也十分重要。

三、武漢5號線車頂調(diào)修

3.1 車頂易出現(xiàn)狀況 由于車頂全長21M，整車沒有基礎(chǔ)平臺，一位端、二位端各有一處800mm長的通風(fēng)口，焊接后由于中間位置沒有支撐，使得車頂通風(fēng)口處由于焊接變形使得內(nèi)高低于公差8mm，并且極難矯正，常用方法效果甚微，若火焰調(diào)修溫度過大還會影響整塊車頂強(qiáng)度。武漢五號線車頂合成由焊接機(jī)械手焊接，使得焊后變形大，使得整車內(nèi)高急劇下降，焊縫特殊按正?；鹧嬲{(diào)修內(nèi)高無明顯效果；

3.2 制作制作車頂正裝反變形 車頂正裝小件焊接前需要車頂兩端各下拉40mm預(yù)制反變形撓度，由于正裝工裝較低下拉力較大，預(yù)制撓度要使用手拉葫蘆，手拉葫蘆為鋼鏈拉動形式鋼鏈分布在整個車頂上，拉動時鋼鏈移動易劃傷車頂園頂板和車頂邊梁擋水板。根據(jù)圓頂板結(jié)構(gòu)和受力情況制作保護(hù)墊板，防止車頂下拉時手拉葫蘆鋼鏈對車頂板產(chǎn)生劃傷，同時在通風(fēng)口處增加兩個千斤頂，將通風(fēng)口處向上頂起15mm的反變形，然后進(jìn)行焊接車頂小件。

3.3 調(diào)修方案 由于車頂變形問題比較特殊，所以采用兩種調(diào)修方法為一體。

具體操作步驟如下：

1.焊接車頂小件時由于焊接應(yīng)力較大，會使車頂中間通風(fēng)口處下榻，焊接完成后要對下榻處進(jìn)行一次火焰調(diào)修，調(diào)修方法為，對中間車頂板兩段焊縫進(jìn)行火焰調(diào)修，溫度控制在170度左右，方向向一位端、二位端進(jìn)行調(diào)修。知道公差尺寸為標(biāo)準(zhǔn)公差尺寸+5為準(zhǔn)。

2.火焰調(diào)修時火焰采用藍(lán)細(xì)火焰，乙炔放出量減小氧氣放出量加大，火焰呈現(xiàn)藍(lán)細(xì)狀態(tài)，由于火焰細(xì)溫度集中擴(kuò)散能力小，調(diào)修時避免了焊縫兩側(cè)車頂板鼓包現(xiàn)象，調(diào)修時速度控制不要太快也不要太慢，反復(fù)練習(xí)幾次。

3.遇到變形較大的位置要降低運行速度，在火焰加熱焊縫時降低火焰運行速度，由于焊縫為立筋式結(jié)構(gòu)焊縫厚度大，降低運行速度使加熱溫度完全滲透，上下溫度均勻保持在150-180℃。

4.帶溫度為室溫時，用3米長的平尺進(jìn)行8點測量，中間位置由于內(nèi)高回彈，要進(jìn)行二次火焰調(diào)修，從而保證了車頂內(nèi)高公差在384(-3+5)mm范圍之內(nèi)。

5.采用線型加熱法，對焊縫邊緣棱線位置加熱，溫度控制在150攝氏度以下，調(diào)修方向為，由變形處向一位端烤修：①先加熱中間板焊縫處；②再加熱兩側(cè)型材棱邊處；③最后加熱型材外棱線處。

6.待車頂自然冷卻后，與樣板進(jìn)行比對，經(jīng)確定尺寸后，依次進(jìn)行逐次調(diào)修，可視實際情況決定調(diào)修次數(shù)，通常需要3次反復(fù)火焰烤修操作。

四、結(jié)束語

經(jīng)過上述的調(diào)修方式，最終滿足工藝要求和尺寸公差。使用了新的調(diào)修方法解決了武漢五號線整車內(nèi)高低的問題，有效的控制了車頂車頂尺寸，同時大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量.同時也為后續(xù)車型生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。