軌道車輛鋁合金車體焊接變形控制研究

馬婉妮

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029）

軌道車輛車體為筒形整體承載結(jié)構(gòu)，由大型、中空、薄壁鋁合金擠壓型材雙面焊接而成，其最大優(yōu)點(diǎn)是輕量化，可以減輕運(yùn)行成本和維護(hù)成本，有助于達(dá)到高速化，但由于鋁合金熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)較大，在焊接時(shí)容易產(chǎn)生焊接變形，最終對(duì)車體整體尺寸影響較大。因此，車體總組焊工序中，對(duì)車體整體尺寸的控制顯得尤為重要，良好的車體整體尺寸不僅減少后工序的調(diào)修量，而且能夠避免因調(diào)修而增加車體的殘余應(yīng)力，有利于提高鋁合金車體的品質(zhì)。

一、鋁合金車體的變形

由于鋁合金的車體的構(gòu)成材料也是有著很多種，而不是統(tǒng)一的一種材料構(gòu)成，所以，在進(jìn)行車體的焊接作業(yè)的時(shí)候，所產(chǎn)生的高溫，非常容易導(dǎo)致車體的變形。但是，在現(xiàn)實(shí)情況中，車體在進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候，車體之間的窄條是互相在一起接觸的，所以他們之間一方要是變形，也就會(huì)影響著另一個(gè)種材料也發(fā)生變形，就像因?yàn)槊恳环N的型材和焊點(diǎn)之間的距離是不一樣的，因此所接收到的熱量也是不同的，而變形大的材料會(huì)進(jìn)行對(duì)于變形較小的材料產(chǎn)生擠壓，而這種影響，就會(huì)使得鋁型材的彎曲變形。還有，在焊接工作結(jié)束之后，還有著一個(gè)后期的材料的冷卻的階段。按照材料熱脹冷縮的原理，我們知道鋁材在冷卻的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生收縮形變的情況，但是因?yàn)榻M成車體的各種材料的不同，也就導(dǎo)致各種材料他們之間的收縮程度有大有小，所以他們之間也就有著阻礙變形的情況。所以，鋁合金車體在進(jìn)行焊接工作的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致車體出現(xiàn)彎曲變形的情況，而對(duì)于這種情況，要進(jìn)行一定的控制，確保生產(chǎn)的車體尺寸不會(huì)和車體的原設(shè)計(jì)尺寸有著太大的出入。

二、焊接變形的控制

（一）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(duì)焊接過程的溫度進(jìn)行控制；2.改進(jìn)工藝，降低傳輸?shù)戒X板上的熱量；3.改進(jìn)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(dǎo)。伴隨著MIG 焊技術(shù)的發(fā)展以及其成本的降低，MIG 自動(dòng)焊已經(jīng)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(dòng)焊方法會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，進(jìn)而造成更大的鋁板變形，因此在采用MIG 自動(dòng)焊方法的同時(shí)，必須對(duì)焊接順序進(jìn)行改進(jìn)，以降低鋁板變形。在采用改進(jìn)焊接順序控制變形程度方面，我國相關(guān)企業(yè)在進(jìn)行了大量的研究之后，焊接變形程度得以有效抑制。

針對(duì)MIG 焊接方式會(huì)產(chǎn)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(shì)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(jìn)行加熱，使其產(chǎn)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(shì)是可以得到與母材料性能相近的焊接頭，降低焊接頭對(duì)整體物理性能和化學(xué)性能影響。與此同時(shí)，針對(duì)任何鋁合金材質(zhì)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(huì)自動(dòng)破碎，且母板材料在整個(gè)焊接過程均不會(huì)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(shì)是可以降低熱量的產(chǎn)生，這對(duì)于降低材料的變形、焊接質(zhì)量的提高意義重大，因此軌道車輛制造企業(yè)對(duì)該焊接方法很青睞。

（二）焊前變形控制

概括起來,焊前變形控制方法分為三種:1.預(yù)拉伸法,其有加熱拉伸和機(jī)械拉伸兩種途徑;2.預(yù)變形法或者反變形法;3.剛性固定組裝法,采用夾具或剛性胎具等。通常情況下,大部件均采用整體反變形技術(shù)、壓鐵反變形技術(shù)、大剛度卡具防變形技術(shù)等。研究發(fā)現(xiàn),通過數(shù)值模擬計(jì)算和預(yù)拉伸焊接試驗(yàn)的方法,能夠有效控制鋁合金焊接板縱向殘余應(yīng)力,此外平面變形以及縱向撓曲的程度也大幅度降低。在鋁合金車體生產(chǎn)的過程當(dāng)中,在橫向上壓驚鋁合金防止其橫向變形。但是僅僅通過這種措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的在剛性固定工裝完全松開之后,變形一定會(huì)反彈,如果這個(gè)時(shí)候再次實(shí)施焊接,反變形量還會(huì)加大,所以也需要實(shí)施預(yù)留反變形措施。簡單來說,當(dāng)焊完一側(cè)準(zhǔn)備焊另一側(cè)之前,要預(yù)留一定的反變形量。所以,控制焊接變形的關(guān)鍵在于二次焊接一定要預(yù)留反變形量。

（三）焊后變形的控制

所謂的焊后變形控制方法，其實(shí)就是指在對(duì)車體完成相關(guān)的焊接作業(yè)之后，再通過利用一些工藝，從而來實(shí)現(xiàn)改變?cè)诤附幼鳂I(yè)當(dāng)中，所產(chǎn)生的焊接變形，改變焊接變形的方法主要分為以下幾種：1.機(jī)械調(diào)修方法；2.火焰調(diào)修方法；3.熱冷綜合調(diào)修方法。因?yàn)橐M(jìn)行對(duì)于操作簡易程度、大部件變形情況以及生產(chǎn)成本的考慮，所以要進(jìn)行在焊接的過程中，進(jìn)行變形控制工作，而進(jìn)行控制，一般常用的方法就是火焰調(diào)修法。通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證明，這種材料的變形溫度要進(jìn)行控制在最高175℃，因?yàn)橐浅^這個(gè)溫度，這種材料就非常容易產(chǎn)生變形。

三、結(jié)語

在鋁合金車體焊接時(shí)，呈現(xiàn)車體寬尺寸變大、車高尺寸變小的趨勢(shì)，根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適工藝方法，進(jìn)行焊前尺寸控制，如果焊前車體尺寸與理論尺寸差值較大時(shí)，根據(jù)焊前組對(duì)尺寸，合理選擇預(yù)變形量，進(jìn)行預(yù)變形控制，達(dá)到焊后尺寸在一個(gè)合格的范圍之內(nèi)。減少焊后的調(diào)修量，降低車體殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)車體品質(zhì)控制。