鐵路機(jī)車鋁合金制件焊接變形原因及控制預(yù)防

郭喜春

(哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

焊接方式是鐵路機(jī)車鋁合金結(jié)構(gòu)之間常規(guī)化的連接方式，通過精致的焊接工藝，可以將許多部件有效的連接在一起。但是在焊接的過程中，由于焊接過程會產(chǎn)生高溫，因此焊接部件會受到不同類型的應(yīng)力、環(huán)境、焊接溫度以及材質(zhì)屬性等因素的影響，從而出現(xiàn)一些影響焊接質(zhì)量的問題。質(zhì)量問題的產(chǎn)生則會對零部件的連接造成一定的安全隱患，直接投入使用將會帶來很大的危害。以部件連接方式的焊接環(huán)節(jié)作為例，在焊接過程中不僅僅需要高超焊接工藝，同時還需要產(chǎn)品滿足對焊接變形的控制處理，從而在技術(shù)和材質(zhì)兩方面都具有充足的操作空間，以達(dá)到施工目的。

1 焊接變形分類

在焊接過程中，由于操作的特殊性，出現(xiàn)變形的原因有很多種，其中，母材材質(zhì)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)則會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題；填充材料與母材之間的黏合度不夠，則會產(chǎn)生很大的變形；焊接方法不嫻熟以及使用方法不正確、順序不正確，操作上的失誤也會造成變形現(xiàn)象的產(chǎn)生；焊接過程中沒有根據(jù)相關(guān)操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)不正確等，這些最基本內(nèi)容上出現(xiàn)了錯誤也就會導(dǎo)致焊接出現(xiàn)變形現(xiàn)象，或者出現(xiàn)一些很難處理的問題。

2 鋁合金制件的焊接變形

鋁合金制件的焊接變形按照最常見的變形方式可以分為縱向變形、橫向變形、彎曲變形、角變形、波浪變形和扭曲變形等。此外還有一種按照焊接結(jié)構(gòu)的區(qū)分，可以根據(jù)變形的具體情況以及比例分為局部變形和整體變形。局部變形就是指在焊接作業(yè)中，制件的某一部分出現(xiàn)了變形，局部變形中主要有角變形和波浪變形，此種變形模式受到的力較小，因此變形程度對結(jié)構(gòu)的影響也較小，在后期的處理中也比較容易操作，修復(fù)性較強(qiáng)。焊接結(jié)構(gòu)的整體變形則指的是整體發(fā)生了尺寸和形狀等方面的變形，這種變形程度較大，因此在后期處理的過程中難以操作，整體變形包括了縱向、橫向、彎曲、扭曲變形等。

2.1 縱向變形

縱向變形主要指的是焊接部件在焊接過程中出現(xiàn)了縱向縮短的變形，由于焊縫的不斷調(diào)節(jié)，因此焊接部件的收縮量也會隨著焊縫的增加而增加。此外由于鋁合金材料本身具備較大的線膨脹系數(shù)，焊接會造成很大的膨脹收縮，作業(yè)之后焊縫縱向收縮量較大。進(jìn)行多層焊接時，第一層是最初焊接的，后面的焊接也會對其產(chǎn)生一定的影響，因此第一層所引起的收縮量最大，第一層的焊件在焊接時，具備的剛性較小，因此難以把控。為了減少焊件的收縮量，在進(jìn)行焊接式需要將焊件固定在夾具下，此方法可以有效地減少焊件的變形程度。

2.2 橫向變形

橫向變形則是部件在焊接的過程中出現(xiàn)了橫向縮短現(xiàn)象。焊接過程中會出現(xiàn)不均勻的加熱，從而導(dǎo)致焊縫和母材的受熱部分在發(fā)生變形的同時會受到其他部位的抑制。橫向變形和縱向變形的原因基本相似，只是在結(jié)果上有縱向和橫向之分。橫向變形的程度主要與板厚有關(guān)，此外還與坡口角度有關(guān)，板厚增加、坡角度大都會造成橫向收縮量的增大，在實際焊接過程中，對某對接焊縫進(jìn)行焊接時會由于焊接次序和方向上存在不同，產(chǎn)生不同程度的橫向焊接變形。

2.3 彎曲變形

彎曲變形現(xiàn)象主要出現(xiàn)在梁、柱、管道等零部件中，彎曲變形造成的損傷較大。在衡量彎曲變形的程度中，撓度的數(shù)值是一個十分有效的衡量標(biāo)準(zhǔn)，撓度越大，彎曲變形的程度也就越大。

2.4 角變形

在進(jìn)行鐵路機(jī)車鋁合金制件的堆焊或者對接時，鋁板的厚度是十分關(guān)鍵的部分，如果鋁板較薄，那么可以視為溫度分布比較均勻，角變形也就不易產(chǎn)生。但是鋁板較厚時，溫度的傳導(dǎo)受阻，則會出現(xiàn)兩面溫度不一致，其中溫度較高的一面則受熱膨脹程度較大，另一面膨脹程度較小，此時會產(chǎn)生明顯的橫向壓縮塑性變形。在冷卻時也會由于厚度太大，兩個面的冷卻效果差距太大，容易出現(xiàn)收縮不均勻現(xiàn)象，出現(xiàn)焊接一面收縮大，另一面收縮小的現(xiàn)象[1]。

2.5 波浪變形

薄板焊接結(jié)構(gòu)中經(jīng)常會出現(xiàn)波浪變形現(xiàn)象，波浪的出現(xiàn)可以解釋為由于薄板結(jié)構(gòu)焊接時縱向和橫向的壓應(yīng)力使得薄板失去了穩(wěn)定出現(xiàn)波浪形的變形，此種變形程度較大，并且明顯。

2.6 扭曲變形

扭曲變形是一種復(fù)雜的變形模式，產(chǎn)生的原因也較多，焊接時部件的位置和尺寸與設(shè)計出現(xiàn)不符、形狀不規(guī)范等都會造成扭曲變形產(chǎn)生。

3 鐵路機(jī)車鋁合金制件的焊接變形原因

鐵路機(jī)車鋁合金制件在焊接過程中由于影響因素過多，極易發(fā)生變形，其中包括了材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接工藝等[2]。

3.1 材料性質(zhì)因素

在材料本身的性質(zhì)方面，鋁合金材質(zhì)存在物化性能很活潑的特點，焊接過程中焊接接口的軟化會降低產(chǎn)品本身的強(qiáng)度系數(shù)，此外鋁合金制件的線膨脹系數(shù)較大，所以更容易出現(xiàn)變形的現(xiàn)象。因此在進(jìn)行鋁合金制件焊接時，由其母材內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在的一些特殊化學(xué)成分產(chǎn)生的影響，會給焊接過程帶來一些質(zhì)量問題。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于鋁合金制件本身材質(zhì)的原因，在作為焊接構(gòu)件時會受到本身和外在多方面的拘束。當(dāng)前隨著鐵路機(jī)車內(nèi)部零件的連接方式越來越復(fù)雜，鋁合金制件拘束變化也趨向于復(fù)雜化，在焊接過程中也就會受到更多的影響，變形等焊接問題也就更容易出現(xiàn)。

3.3 焊接工藝

焊接工藝是焊接過程中最重要的一部分，優(yōu)秀的焊接工藝可以提升焊接效果。此外由于鋁合金表面易氧化，在操作時要求以大功率密度的焊接工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行。焊接方法的不同以及焊接工藝本身在焊接中存在加熱與冷卻過程，存在很多影響焊接效果的因素，焊接部分會受到熱脹冷縮基本原理的控制，焊接部位會產(chǎn)生焊接應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊接變形。溫度不同的地方所產(chǎn)生的應(yīng)力也有很大的區(qū)別，焊接應(yīng)力在高溫部位所表現(xiàn)的力為膨脹拉伸應(yīng)力，在焊接部位周邊都會受到影響。在溫度較低的部位，所產(chǎn)生的則是收縮應(yīng)力，也會造成力的分布不均，當(dāng)焊接過程中溫度變化一直處于冷卻過程時，焊接應(yīng)用力與焊接變形會同時發(fā)生，焊接效果極差。當(dāng)溫度與周圍環(huán)境的溫度差不多時，鋁結(jié)構(gòu)的制件依然存在多個方向的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致鋁結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生不同方向的變形，哪一方應(yīng)力較大相應(yīng)的變形程度也就更大[3]。

4 鐵路機(jī)車鋁合金制件的變形控制措施

4.1 完善工藝流程和系統(tǒng)運行機(jī)制

鐵路機(jī)車類型有很多種，在生產(chǎn)過程中對鋁合金制件的要求也會不同，因此在操作的過程中使用的工藝流程也會有所不同。首先需要從焊接的工藝流程入手，對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化完善，可以使用標(biāo)簽法使得驗收人員和焊接人員以及評估人員能夠?qū)χ萍嵭薪y(tǒng)一的處理。此外還需要根據(jù)工藝各環(huán)節(jié)的設(shè)計數(shù)據(jù)收集、技術(shù)要求等方面的評估方案，對焊接工作進(jìn)行整體的評估，焊接施工可以分流到每一個細(xì)致的環(huán)節(jié)，進(jìn)行更細(xì)致的管理與控制，每一個環(huán)節(jié)的評估機(jī)制和工藝設(shè)計需要具有較高的匹配度，從而提升焊接質(zhì)量控制。

4.2 引入先進(jìn)技術(shù)

在焊接儀器和設(shè)備方面，可以合理利用先進(jìn)的設(shè)備增加焊接效果，例如卡尺夾具、紅外線等設(shè)備，從而提高焊接工作的基礎(chǔ)設(shè)施條件。當(dāng)前還可以進(jìn)行焊接變形的預(yù)控，主要是使用有限元理論，此理論可以進(jìn)行操作前模擬，從而預(yù)知一些問題和隱患，提前得到焊接的數(shù)據(jù)，做好充分準(zhǔn)備去應(yīng)付變形。

4.3 優(yōu)化設(shè)計

在焊接中的應(yīng)力是客觀存在的，因此在對鋁合金制件進(jìn)行焊接時，可以從設(shè)計策略方面入手，減少變形問題的產(chǎn)生，增加其平滑度，增強(qiáng)焊接效果。此外，焊縫的集中和焊點的相交也會造成應(yīng)力集中，此時需要對其進(jìn)行劃分，按照主次方法斷開。殘余應(yīng)力所造成的焊接變形則需要根據(jù)實際情況分析，對不同的變形加以相應(yīng)的處理，包括對小焊縫數(shù)量的控制、焊接順序、焊接約束度等，再結(jié)合以往的經(jīng)驗采用錘擊法，利用錘擊法增加制件本身的塑性應(yīng)力，抵消掉殘余應(yīng)力減少變形[4]。

5 結(jié)語

鐵路機(jī)車鋁合金制件焊接是一項十分重要的工作，為了有效提升焊接效果，技術(shù)人員需要對焊接中出現(xiàn)的變形進(jìn)行分析，根據(jù)產(chǎn)生的原因選擇合適的變形控制措施。此外，技術(shù)人員還需要對材料屬性、工藝流程、焊接設(shè)備等進(jìn)行優(yōu)化，借助當(dāng)前的先進(jìn)儀器進(jìn)行變形預(yù)測，從而做到提前控制，減少變形現(xiàn)象的產(chǎn)生。