軌道車輛鋁合金車體變形矯正技術(shù)淺析

李世海 王昊 李濤

摘要：本文從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，針對(duì)鋁合金車體在焊接過(guò)程中存在的典型變形問(wèn)題進(jìn)行分析，說(shuō)明鋁合金車體焊接變形矯正技術(shù)，注重實(shí)用性，以期為鋁合金車體調(diào)修提供指導(dǎo)性經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：鋁合金車體、變形矯正、結(jié)構(gòu)尺寸控制、調(diào)修

鋁合金材料在軌道車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用廣泛，其具有密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、抗腐蝕性強(qiáng)等眾多優(yōu)良性能。車體側(cè)墻、車頂、地板大部件多采用長(zhǎng)大中空擠壓鋁型材，減少了焊接量，但由于鋁合金的熱傳導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)大，焊接變形較為顯著，鋁合金車體變形矯正技術(shù)在車體制造過(guò)程中非常關(guān)鍵[1～4]。

本文從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，分析了車體變形原因和矯形機(jī)理，深入淺出的提出適用性較強(qiáng)的車體變形矯正方法。

1 車體焊接變形及原因分析

鋁合金車體主要由底架、側(cè)墻、車頂、端墻（司機(jī)室）等部件組焊而成（如圖1所示），底架地板、側(cè)墻、車頂采用的是大型中空薄壁型材，焊接工藝復(fù)雜，雖然在車體總組裝過(guò)程中采取預(yù)變形控制、焊接順序優(yōu)化等一系列措施，焊接變形得到了有效控制，但仍有部分車輛出現(xiàn)尺寸超差現(xiàn)象，車體尺寸超差將直接導(dǎo)致內(nèi)裝安裝研裝量增大，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致車體報(bào)廢。

根據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)，車體尺寸超差主要體現(xiàn)在車體內(nèi)寬、內(nèi)高、對(duì)角線、門(mén)框輪廓度、外板輪廓度等方面，焊接變形主要有縱向收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形和波浪變形等。

車體焊接變形的原因很多，鋁合金熱傳導(dǎo)系數(shù)及熱膨脹系數(shù)較大，鋁合金加熱后其變形量較大;車體焊縫中心線與結(jié)構(gòu)截面的中性軸不重合，各部件的不均勻受熱及冷卻收縮過(guò)程極易導(dǎo)致焊接變形;此外，車體大部件本身的精度質(zhì)量也是影響車體總組焊后精度的關(guān)鍵因素。

2 車體變形矯正方法

變形矯正的原理就是在外力或局部加熱條件下，通過(guò)材料熱脹冷縮消除焊接變形或使變形減少到規(guī)定的范圍之內(nèi)。變形矯正方法主要有加熱法、加壓法、加熱兼加壓法。其中加熱矯正是應(yīng)用最為廣泛的一種方法，其對(duì)于大型構(gòu)件和自身強(qiáng)度較大構(gòu)件的調(diào)修效果最好。加熱矯正包括點(diǎn)狀加熱法、線狀加熱法和三角形加熱法。

點(diǎn)狀加熱是指加熱為點(diǎn)狀分布，點(diǎn)數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)和變形大小情況而定，點(diǎn)狀加熱冷卻后，熱膨脹處向點(diǎn)的中心收縮，在鋁合金車體調(diào)修中主要用于單層板結(jié)構(gòu)波浪變形的矯正。

線狀加熱是指火焰沿著直線方向慢慢移動(dòng)或同時(shí)做橫向擺動(dòng)，形成一個(gè)加熱帶的方式。線加熱有直通加熱、鏈狀加熱和帶狀加熱三種形式（如圖2所示）。線狀加熱橫向收縮要比縱向收縮大得多，而橫向收縮隨著加熱線寬度的增加而增加。線狀加熱在鋁合金車體調(diào)修中主要用于對(duì)側(cè)墻直線度、車體寬度、高度、對(duì)角線等車體結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)修。

圖2 線狀加熱法（三種形式）

三角形加熱是指加熱區(qū)域呈三角形，一般用于矯正剛度較大、厚度較大的結(jié)構(gòu)彎曲變形。由于加熱面積較大，因而收縮量也大，由于沿三角形高度方向上的加熱寬度不等，所以收縮量也不等，從三角形頂點(diǎn)起，沿兩腰向下收縮量逐漸增大。三角形加熱主要用于側(cè)門(mén)框立柱輪廓度、彎梁結(jié)構(gòu)調(diào)修。

3 變形矯正技術(shù)在車體制造中的典型應(yīng)用

鋁合金車體組焊完成后，針對(duì)不同的變形程度，采取的調(diào)修方法不同，以下結(jié)合車體制造過(guò)程提出了變形矯正技術(shù)要求及措施。

3.1車體結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)修

車體組裝焊接完成后，側(cè)墻、車頂大部件主要出現(xiàn)彎曲變形，側(cè)墻直線度、車體高度、寬度和對(duì)角線尺寸均會(huì)發(fā)生變化。車體結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)修主要采用的方式為加熱兼加壓法，加熱時(shí)主要采用線狀加熱法。

1）尺寸調(diào)修控制方法

側(cè)墻直線度調(diào)修時(shí)，先以一面?zhèn)葔榛鶞?zhǔn)，對(duì)另一面?zhèn)葔Φ闹本€度超差部位進(jìn)行調(diào)修，然后再交換進(jìn)行。當(dāng)側(cè)墻直線度過(guò)大（側(cè)墻區(qū)域凹陷）時(shí)，需要將頂桿頂在待加熱的焊縫部位，對(duì)側(cè)墻窗下第一條內(nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行加熱水冷調(diào)修;當(dāng)側(cè)墻直線度過(guò)小時(shí)，需要利用拉桿將側(cè)墻窗口下部焊縫處拉緊，對(duì)側(cè)墻與底架的內(nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行加熱水冷調(diào)修。

車體內(nèi)部高度調(diào)修時(shí)，減小車體內(nèi)高在車頂外部對(duì)車頂高度超差附近的焊縫進(jìn)行加熱水冷調(diào)修，增大車體內(nèi)高在車頂內(nèi)部對(duì)車頂高度超差附近的焊縫進(jìn)行加熱水冷調(diào)修。

車體內(nèi)部寬度調(diào)修時(shí)，減小車體寬度在車體寬度超差部位附近兩側(cè)墻焊縫部位拉緊，對(duì)側(cè)墻與底架連接部?jī)?nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行加熱水冷調(diào)修;增大車體寬度的調(diào)修方式為在車體寬度超差部位利用頂桿頂緊，對(duì)側(cè)墻窗下部第一條側(cè)墻板連接焊縫進(jìn)行加熱水冷調(diào)修。

車體斷面對(duì)角線差調(diào)修方式為對(duì)側(cè)墻與底架連接部?jī)?nèi)側(cè)焊縫和側(cè)墻與車頂連接的內(nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行加熱水冷調(diào)修。

2）加壓方式

當(dāng)進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)修時(shí)，先利用拉桿將待調(diào)修部位拉緊或利用頂桿將待調(diào)修部位頂緊，需保證至少3根拉桿或頂桿均布在需調(diào)修的部位，需調(diào)修部位1根，左右各1根，相鄰兩根間距為1.5m，頂桿與車體接觸部位需增加墊木，防止因頂緊力過(guò)大引起型材凹陷。為避免調(diào)修過(guò)程中變形過(guò)大導(dǎo)致失穩(wěn)變形，調(diào)修過(guò)程中拉桿或頂桿交替進(jìn)給，調(diào)修次數(shù)不超過(guò)3次，總調(diào)整量最大不大于5mm。

3）加熱方式

火焰噴嘴與焊縫之間要有（20～25）mm的距離，避免火焰偏移焊縫后蔓延到側(cè)墻板上，造成側(cè)墻板局部過(guò)熱產(chǎn)生凹凸變形。火焰加熱行走速度均勻，避免產(chǎn)生局部過(guò)熱導(dǎo)致側(cè)墻板產(chǎn)生凹凸變形。針對(duì)對(duì)側(cè)墻與底架的內(nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行加熱水冷調(diào)修，火焰噴槍與側(cè)墻板夾角為35～45度，針對(duì)型材對(duì)接焊縫進(jìn)行加熱水冷調(diào)修，火焰噴槍與側(cè)墻板焊縫垂直。

4）調(diào)修前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在車體長(zhǎng)度方向均勻選取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，側(cè)墻直線度和車體對(duì)角線理論尺寸為0，車寬的理論尺寸為A，車高的理論尺寸為B，記錄這些點(diǎn)變形矯正前后的尺寸。通過(guò)結(jié)合車體試制對(duì)相關(guān)尺寸進(jìn)行跟蹤及分析，從表1可以發(fā)現(xiàn)，變形矯正方法可有效提高車體尺寸精度。

3.2 鋁合金車體單層板調(diào)修

鋁合金車體單層板結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在端墻板及司機(jī)室外板結(jié)構(gòu)，主要為鋁板和鋁骨架構(gòu)成的焊接結(jié)構(gòu)，單層板與鋁骨架的焊接過(guò)程中因受熱不均、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同導(dǎo)致冷卻后產(chǎn)生波浪變形（凹陷、凸起）。

鋁合金車體單層板結(jié)構(gòu)通常采用的調(diào)修方法為加熱法與加壓法調(diào)修（錘擊），加熱方式為點(diǎn)狀加熱，利用火焰噴槍對(duì)單層板凸起的四周加熱，加熱點(diǎn)金屬體積收縮，就會(huì)將相鄰部位金屬拉緊，凹凸變形部位周圍各加熱點(diǎn)的收縮將變形處拉平。由于單層板以A5083為主，加熱溫度控制在250℃。加熱過(guò)程可利用打平手錘對(duì)凸起部位輕擊，加速板材收縮，調(diào)修過(guò)程利用平尺或者檢測(cè)樣板對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)單層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)修，輪廓度和平面度尺寸可控制在2mm以內(nèi)。

3.3側(cè)門(mén)立柱輪廓度調(diào)修

鋁合金車體側(cè)門(mén)立柱在側(cè)墻與底架、車頂焊接中產(chǎn)生大量熱致使側(cè)門(mén)立柱焊后外輪廓發(fā)生變形，側(cè)門(mén)立柱是車體中典型的梁柱結(jié)構(gòu)。

側(cè)門(mén)立柱調(diào)修方法采用加熱兼加壓法，加熱方式采用線狀加熱與三角形加熱，冷卻方式采用水冷。調(diào)修前根據(jù)需求在調(diào)修部位使用頂桿頂緊或拉桿拉緊側(cè)門(mén)立柱，加熱位置為側(cè)墻門(mén)立柱型材變形位置，根據(jù)調(diào)修需要進(jìn)行（內(nèi)外側(cè)）加熱。針對(duì)變形量較小時(shí)，也采用加壓法（錘擊）進(jìn)行冷調(diào)修。通常情況下，側(cè)門(mén)立柱的輪廓度可控制在2mm以內(nèi)。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

1）鋁合金車體變形矯正技術(shù)歸根結(jié)底是有效利用材料受壓力作用下變形和熱脹冷縮變形。車體變形矯正可有效提高車體的制造精度，減小焊接變形對(duì)車體車體質(zhì)量的影響。

2）鋁合金車體變形矯正對(duì)操作人員提出很高的要求，操作人員需能根據(jù)車體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和變形情況，正確判斷出調(diào)修的位置和方法，采用不同的加熱方法、進(jìn)給速度、加熱時(shí)間的長(zhǎng)短與加熱溫度，要根據(jù)調(diào)修前的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析、綜合考慮，盡可能減少調(diào)修次數(shù)。

3）在鋁合金加熱調(diào)修中對(duì)于不同性能的鋁合金采用不同的加熱溫度與控制極其重要，如果溫度過(guò)大可能將鋁合金材料熔化，從而使材質(zhì)強(qiáng)度下降;溫度太小調(diào)修困難，從而增加加熱次數(shù)，所以控制好溫度才能獲得滿意的矯正效果。

參考資料：

[1] 劉大勇，張慧《鋁合金焊接變形的火焰調(diào)修技術(shù)研究》.2016年.

[2] 隋紅心.《鋁合金車體焊接變形火焰調(diào)修技術(shù)創(chuàng)新》. 長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào); 2005， 12（6）; 10-12.

[3] 張占嶺. 《軌道車輛鋁合金車體焊接工藝探究》. 裝備制造技術(shù); 2012（4）; 241-242.

[4] 王炎金. 《鋁合金車體焊接工藝》. 機(jī)械工業(yè)出版社; 2011.6.