軌道車輛鋁合金MIG焊搭接接頭應力及變形研究

孔華 戴麗芳 張春曉

摘要：為更好促進軌道交通體系規(guī)劃、建設活動的有序開展，構建成熟、高效的建造體系，相關加工制造企業(yè)，積極進行技術革新，采取現(xiàn)代化的焊接手段，認真做好軌道車輛的加工制造工作。基于這種認知，文章以焊接工作作為切入點，積極探討鋁合金MIG焊搭接接頭處理方案，實現(xiàn)對焊接接頭應力以及變形的科學化、有效控制，打造成熟的焊接體系。

關鍵詞：軌道車輛;鋁合金MIG;焊搭接頭;應力變形

中圖分類號：TG404;U270.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0091-02

0? 引言

為了降低城市通勤壓力，越來越多的地區(qū)，投入大量資源進行軌道車輛項目的規(guī)劃、建設。鋁合金作為一種復合型材料，其結構強度較高、可塑性較好、加工難度較低，因此成為現(xiàn)階段主流的軌道車輛合金組件?？紤]到軌道車輛的加工需求，目前往往采取熔化極惰性氣體保護焊技術體系，對軌道車輛結構進行加工處理，旨在構建起科學、完善的焊接機制，有效防范鋁合金焊接過程中的變形情況的出現(xiàn)，保證鋁合金焊接成效。

1? 鋁合金MIG焊接工藝參數(shù)分析

對鋁合金MIG焊接工藝參數(shù)的梳理以及分析，有助于制造企業(yè)以及工作人員在思維層面形成正確的認知，把握技術手段的主要參數(shù)，為后續(xù)應力有限元分析以及變形仿真結果的掌控奠定堅實基礎。

1.1 鋁合金焊接特點

從過往經(jīng)驗來看，鋁合金在焊接的過程中，極易出現(xiàn)氧化的情況，生產(chǎn)氧化鋁等雜質(zhì)，由于氧化鋁熔點較好，性狀不穩(wěn)定，去除難度較高，因此如果沒有采取必要的焊接技術工藝進行應對處理，勢必增加鋁合金焊接過程中母材的熔化以及融合，對整個焊接工作的成效造成妨害。從相關研究結構公布的數(shù)據(jù)來看，鋁合金的線性膨脹系數(shù)約為碳素鋼的兩倍以上，在高溫下，鋁合金形變量較大，所以在實際的焊接過程中，要求相關企業(yè)以及工作人員，做好必要的預防工作，以此避免鋁合金在焊接過程中，出現(xiàn)裂縫，影響鋁合金焊接件的整體性。

1.2 鋁合金MIG焊接工藝參數(shù)

MIG焊接作為一種新型焊接工藝，將外加氣體作為焊接電弧的作用介質(zhì)，通過必要的技術手段，對金屬熔滴、焊接熔池以及焊接區(qū)高溫金屬進行科學化處理應對，是目前完備高效的焊接技術。在實際焊接過程中，借助于直流CV焊接電源或者脈沖焊接帶能源，使用技術較為成熟，焊接效果穩(wěn)定可靠的推拉式焊槍，對焊接母材進行處理。與傳統(tǒng)的焊接技術相比，MIG焊接工藝可以實現(xiàn)對所有類型金屬的焊接，尤其適合對鋁合金、銅合金以及不銹鋼等金屬的焊接處理，在整個焊接過程中，基本上不會產(chǎn)生氧化鋁等殘渣，焊接效果較好。同時MIG焊接使用的焊接耗材整體成本偏低，在實際生產(chǎn)過程中，有著更強的實用性。但是必須清楚地認識到MIG焊接使用的氬氣作為介質(zhì)，盡管其為惰性氣體，不會與焊接母材等相關材料發(fā)生化學反應，但是在焊接過程中，仍需要組織人員對焊接母材、焊接焊絲的表面進行清潔處理，確保表面區(qū)域的油污、鐵銹被及時清除，以免影響最終的焊接效果[1]。為更好地開展鋁合金MIG焊接工作，有效規(guī)避焊接過程中焊接質(zhì)量風險，相關企業(yè)以及工作人員需要積極轉(zhuǎn)變觀念認知，創(chuàng)新技術方法，采取更為積極主動的策略，對鋁合金MIG焊搭過程中搭頭區(qū)域進行有效處理，通過這種方式，實現(xiàn)對焊接區(qū)域的有效處理，避免焊接質(zhì)量問題的出現(xiàn)，為后續(xù)加工制造活動的開展奠定堅實基礎。

2? 鋁合金MIG焊搭接頭應力有限元分析

鋁合金MIG焊搭接頭應力的有限元分析，依托現(xiàn)有的分析手段，對軌道車輛鋁合金焊接過程中焊接溫度等因素對于焊搭接頭的應力分布進行全面評估，以評估結果為導向，科學掌握鋁合金MIG焊接的實際成效，實現(xiàn)應力的有效應對。

2.1 鋁合金MIG焊接應力分析準備工作

為更好地分析、掌握鋁合金在MIG焊接過程中，焊接搭頭的應力分布以及變化情況，選取研究一定規(guī)格的鋁合金作為研究對象，通過對焊搭接頭相關數(shù)據(jù)的匯總，開展有限元分析，實現(xiàn)對應力的全面掌控。在這一思路的指導下，選擇現(xiàn)階段軌道交通項目施工過程中，較為常用的6005A-T6型號鋁合金作為研究對象，根據(jù)MIG焊接工藝的參數(shù)要求，對焊絲的參數(shù)、類別進行了必要的細化，同時將氬氣作為保護氣體，在研究活動開展之初，為了保證研究結果的真實性、可靠性，工作人員提前對焊接母材的表面進行了清潔處理，使用砂輪機對焊接母材進行了必要的打磨，并在此基礎上，使用丙酮進行擦拭，并在20攝氏度的溫度下，進行焊接部位的干燥處理?？紤]到整個研究活動的真實性、有效性，工作人員需要對焊接溫度、焊接參數(shù)的盈利開展必要的測定工作，對相關數(shù)據(jù)信息進行掌握。在實際操作過程中，工作人員使用K型熱點偶測溫設備對焊接過程中的焊接溫度進行測定，基于研究結果準確性以及易操作性的考量，工作人員需要使用砂紙對鋁合金粘結焊接位置進行打磨處理，同時電偶粘貼固定的位置，應當保持在焊接縫中心區(qū)域的10毫米、26.3毫米以及50.3毫米的距離上，并對這三個點的位置進行測溫處理。這種溫度測定方式的準確性較高，很好地滿足了鋁合金MIG焊接過程中，溫度測定的相關要求，實現(xiàn)溫度變化趨勢的科學呈現(xiàn)。為了準確獲取，鋁合金MIG焊接過程中，焊接搭頭區(qū)域應力的變化情況，在整個研究過程中，需充分認識到，焊接母材以及焊絲由于存在不均勻加熱情況的存在以及工裝夾的約束作用，在焊接區(qū)域會出現(xiàn)一定的應力殘余，應力殘余的存在，導致鋁合金焊接區(qū)域發(fā)生形變。為了準確測定焊接區(qū)域殘存應力的大小，工作人員可以采用盲孔法應力測試儀對殘存應力進行數(shù)值分析[2]。考慮到整個分析結果的準確性以及有效性，工作人員需要選擇準確的測定位置，例如在鋁合金焊接邊緣的40毫米、100毫米、150毫米、200毫米以及250毫米的位置，分別確定5個點，進行焊接縫殘存應力的測定。通過對鋁合金MIG焊搭接頭測定過程中，焊接材料、焊接溫度、應力測定等主要研究參數(shù)的控制與調(diào)節(jié)，為后續(xù)應力變化以及變形分析奠定了堅實基礎。

2.2 鋁合金MIG焊搭接頭有限元分析途徑

鋁合金MIG焊搭接頭有限元分析的過程中，為確保分析成效，工作人員往往借助于計算機等設備，根據(jù)鋁合金母材的實際尺寸，建立幾何模型，并對模型開展網(wǎng)格劃分，為有限元分析奠定堅實基礎。具體來看，在焊接工作完成后，根據(jù)焊接搭頭的實際尺寸，創(chuàng)建與鋁合金板材大小一致的幾何模型，如圖1所示。

通過幾何模型的構建，便捷了有限元計算工作開展的難度，實現(xiàn)了各項數(shù)據(jù)計算以及分析的準確性。從過往經(jīng)驗來看，在有限元分析的過程中，幾何模型越真實、網(wǎng)格尺寸越精密，計算精度越大，越符合實際的使用需求。為了確保有限元分析，與實際的鋁合金焊接相銜接，在實際的有限元分析過程中，工作人員需要結合實際，對網(wǎng)格進行細化處理。通過這種方式，為后續(xù)力學模型的構建以及應力分析奠定堅實基礎。在有限元應力模型構建的過程中，可以采用解耦法以及熱機耦合算法等多種手段，通過必要的數(shù)學模型以及算法，將焊接過程中，焊搭區(qū)域的應力變化，以更為直觀的方式呈現(xiàn)出來，便于開展后續(xù)的研究工作，通過這種手段，為應力的消除提供方向性引導。在這一思路的指導下，工作人員可以采用d{β}=〔D〕d{α}-{C}dT計算公式，對整個鋁合金MIG焊接過程中，應力變化情況進行分析計算。其中d{β}表示焊接過程中，鋁合金的應力增加量，〔D〕表示焊接區(qū)域，彈性常數(shù)，{C}表示焊接過程中，焊接區(qū)域的溫度變化[3]。通過這種方式，建立起完善的有限元分析模型，工作人員能夠較短的時間內(nèi)，掌握焊接區(qū)域應力的分布情況，為后續(xù)參與應力的處理以及變形的應對提供了方向性引導，增強了相關工作的針對性、有效性。

3? 鋁合金MIG焊搭接頭變形仿真結果分析

鋁合金MIG焊搭接頭變形情況的分析，需要借助于仿真分析的方式，采取切實手段，掌握鋁合金MIG焊搭接頭變形的特性，掌握焊接過程中的變形情況，分析焊接變形趨勢，為焊搭接頭變形地應對、處理提供方向性引導。

為實現(xiàn)鋁合金MIG焊搭接頭變形的科學分析，工作人員在研究過程中，可以借助于有限元分析的研究場景，有針對性地根據(jù)變形仿真結果的分析情況，制定研究方案，打造變形仿真研究機制。在這一思路的指導下，工作人員需要做好鋁合金焊接溫度場的模擬以及對比工作，焊接過程中，需要將獲取的溫度數(shù)據(jù)，進行獲取以及分析，借助于計算機等設備，進行焊接區(qū)域等溫線的設置，通過等溫線的繪制，幫助工作人員，科學掌握焊接區(qū)域的溫度變化以及分布情況，考慮到焊接過程中，溫度與形變之間的關系，并且在焊接過程中，溫度變化較為顯著，因此在鋁合金焊接溫度環(huán)境模擬過程中，需要持續(xù)關注焊接區(qū)域的溫度變化，當溫度變化較為穩(wěn)定時，停止數(shù)據(jù)的提取[4]。以本次研究為例，在進行相關型號鋁合金的MIG焊接處理的過程中，焊接區(qū)域的峰值溫度高到1075攝氏度，根據(jù)溫度的變化，繪制溫度變化曲線，工作人員根據(jù)溫度曲線的變化情況，確定變形仿真研究的結果。在確定仿真研究的溫度環(huán)境之后，使用應力分析，要選擇相應的分析元件，對整個焊接過程中，獲取到的溫度信息、形變信息等進行分析，完成鋁合金MIG焊搭接縫的變形情況的有效掌握[5]。從整個研究活動的結果來看，變形位置主要出現(xiàn)在鋁合金的下部區(qū)域，并且越來靠近焊接縫隙，變形量越大，最大變形長度可以達到3毫米，鋁合金其他區(qū)域的形變量相對較小，焊接縫區(qū)域，形變量較低。基于這種變形情況，工作人員在實際工作過程中，需要采取必要手段，認真做好焊搭區(qū)域變形情況的應對工作。

4? 結語

軌道車輛在鋁合金MIG焊搭接頭應力處理以及變形控制，對于整個軌道車輛生產(chǎn)制備工作成效的提升有著極大的裨益。在有限元分析以及仿真分析的框架下，制造加工企業(yè)以及相關工作人員能夠掌握鋁合金MIG焊搭接頭應力以及變形情況，為后續(xù)應對方案的制定以及相關技術的應用提供方向性引導。

參考文獻：

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[5]劉長和，薛濤，魏良.軌道車輛新型鋁合金枕梁焊接工藝[J].電焊機，2018（4）：117-118.