鋁合金車體焊接變形原因及控制措施

董凈泉

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

0 引言

鋁是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種有色金屬，鋁合金憑借其密度小、抗腐蝕性強、焊接性好、加工成型好等優(yōu)勢，在軌道車輛制造中得到廣泛利用。目前，我國軌道車輛的車體構(gòu)成主要是通過擠壓鋁型材料生產(chǎn)車體型材，如底架、側(cè)墻、車頂?shù)溶圀w大部件都是利用與車體等長的數(shù)塊擠壓鋁型材料焊接而成，且焊縫為縱向長直平行的規(guī)則焊縫，易于實現(xiàn)自動焊接。由于鋁合金材料的導(dǎo)熱性是普通鋼鐵的5 倍，膨脹系數(shù)是普通鋼鐵的3 倍，導(dǎo)致在焊接作業(yè)時容易出現(xiàn)較大的變形[1]。為此，鋁合金車體焊接的變形控制成為焊接作業(yè)中的一大難題，考慮到有多種焊接方式，而影響焊接變形的因素較多，對如何加強鋁合金車體焊接變形的控制進(jìn)行研究具有重要意義。

1 鋁合金車體變形

鋁合金車體的構(gòu)成材料種類眾多，因此焊接作業(yè)過程中所形成的高溫環(huán)境極易造成車體變形。實際上，在鋁合金車體的制造過程中各車體間的窄條相互接觸，如果其中一方出現(xiàn)變形則必然會影響另一方[2]。同時，由于不同型材和焊點間的距離不一，導(dǎo)致焊接作業(yè)中所接收到的熱量不同，從而致使變形大的材料擠壓變形小的材料，進(jìn)而造成鋁合金型材的整體變形。此外，在結(jié)束焊接作業(yè)后會經(jīng)過后期的冷卻階段，根據(jù)熱脹冷縮原理，鋁合金型材在冷卻過程中會產(chǎn)生一定的收縮與形變。受車體構(gòu)成材料差異影響，導(dǎo)致冷卻階段不同材料間的收縮程度不一，這會導(dǎo)致變形的情況。因此，進(jìn)行鋁合金車體焊接作業(yè)時，必須對車體變形情況加以控制，從而保證制造出的車體尺寸參數(shù)與設(shè)計尺寸不存在較大誤差，確保符合車體生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 鋁合金車體焊接變形的主要原因

造成鋁合金車體頻繁出現(xiàn)焊接變形且難以實現(xiàn)有效控制主要有以下3 個原因。

（1）與一般鋼鐵相比，鋁合金的熔點較低，約540～640 ℃[3]。但鋁的溶解熱和比熱卻要比常見金屬要高出很多，且鋁的導(dǎo)熱性是普通鋼鐵的5 倍。因此，對于鋁合金材料的焊接而言，需要在短時間內(nèi)提供大量的熱才能實現(xiàn)有效焊接。同時，鋁的膨脹系數(shù)是普通鋼鐵的3 倍，在焊接作業(yè)中對于溫度和時間的控制要求更加嚴(yán)格。這也是造成鋁合金車體焊接變形頻繁出現(xiàn)且難以控制的關(guān)鍵因素。

（2）由于型材成型技術(shù)及車體制造成本等原因，鋁合金車體的制造過程中通常使用寬450 mm 的鋁合金，因此需要利用多塊型材進(jìn)行插接組焊，從而形成車體中的大型部件模塊[4]。因為鋁合金車體焊接作業(yè)中采用的焊接方式較多、焊接累計次數(shù)多，以及焊接程度較大等作業(yè)特性，導(dǎo)致焊接操作難度極大，加之對焊接變形進(jìn)行有效控制的手段不足，因而易出現(xiàn)焊接變形的情況。

（3）鋁合金車體在進(jìn)行二次焊接時，受到的收縮應(yīng)力與剛性壓緊應(yīng)力的疊加要遠(yuǎn)大于一次焊接所造成的焊接余應(yīng)力，所以二次焊接變形程度要明顯大于一次焊接變形。

3 焊接變形控制的具體措施

針對鋁合金車體焊接變形的有效控制措施，應(yīng)從盡量減小變形程度和降低焊接殘余應(yīng)力入手，具體控制措施可分為焊前、隨焊和焊后3 個階段。

3.1 焊前

焊前變形控制措施主要涉及焊件結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇等方面，包含預(yù)先成型、焊件支撐的選擇、焊件固定方式、焊接順序及作業(yè)規(guī)范等。首先，應(yīng)改善接頭設(shè)計，采用剛度較好的型材進(jìn)行插對接，并通過合理調(diào)整焊接順序、簡化焊接流程，以提高焊接效率、降低焊接次數(shù)。其次，在焊接作業(yè)前可利用如下措施：

（1）對焊接板進(jìn)行數(shù)值計算和預(yù)拉伸試驗，通過預(yù)拉伸手段實現(xiàn)對焊接板縱向殘余應(yīng)力的有效控制，從而減小焊接板平面變形和縱向撓曲變形的程度。常見的預(yù)拉伸法有機械拉伸與加熱拉伸兩種。

（2）單塊鋁合金車體型材通常為大型蜂窩鋁型材，縱向和橫向均具有較大剛度，但當(dāng)利用插接點焊對兩塊型材進(jìn)行焊接時，型材插口處的橫向剛度會大幅減弱，從而導(dǎo)致在插口兩側(cè)形成橫向變形，因此對這種變形進(jìn)行控制的關(guān)鍵在于對插口處橫向收縮的抑制。以鋁合金車體側(cè)墻變形為例，因二次焊接變形比一次焊接變形大，可以通過撓度預(yù)設(shè)置工裝、預(yù)制變形工裝等預(yù)制反變形手段實現(xiàn)對焊接變形量的有效控制。反變形法或預(yù)變形法適用于車體的二級焊接變形控制，反變形法或剛性固定組裝法主要適用于對大部件鋁合金型材的焊接變形控制。

（3）預(yù)先利用剛性胎具或夾具固定焊接板。在鋁合金車體制造過程中，通常采用剛性固定組裝法橫向固定車體的方式規(guī)避車體的橫向變形。但這種方式有明顯的弊端，單純借助橫向壓緊抑制變形完全不夠，當(dāng)完全松開剛性固定工裝后必然會出現(xiàn)變形的反彈情況。特別是針對要進(jìn)行的二次焊接作業(yè)，不僅不能有效控制車體變形，甚至?xí)觿∽冃蔚某潭?。為此，在焊接作業(yè)前應(yīng)加強對預(yù)留反變形量的關(guān)注，對型材內(nèi)外兩側(cè)焊縫進(jìn)行先后焊接時，當(dāng)完成一次焊接后，一定要在預(yù)留反變形量后再進(jìn)行剩余部位的焊接。通常情況下底架或側(cè)墻這類車體大部件預(yù)留的反變形量應(yīng)控制在15～20 mm。

3.2 隨焊

隨焊變形控制措施主要是指在焊接作業(yè)過程中采用的變形控制措施，包括：

（1）完善焊接方法，降低熱傳導(dǎo)。當(dāng)前，隨著MIG（Metal Inert-Gas welding，熔化極惰性氣體保護(hù)焊）技術(shù)的成熟與成本的降低，MIG 技術(shù)成為最常見的焊接方法，MIG 自動焊、雙絲脈沖MIG 焊技術(shù)在軌道車輛車體焊接中得到普遍應(yīng)用。但MIG技術(shù)在焊接過程中會產(chǎn)生大量的熱量，從而導(dǎo)致焊接變形。為此，在采用MIG 技術(shù)時需要盡量減少焊接熱輸入，從而有效避免焊接時產(chǎn)生較大變形與殘余應(yīng)力。

（2）改善焊接工藝參數(shù)，盡可能降低傳輸?shù)胶附影迳系臒崃俊６ㄖ坪附庸に噮?shù)時，重點需要考慮的參數(shù)有焊接位置、焊接母材、保護(hù)氣體及焊接接頭形式選擇等。

（3）采用冷卻法等手段，限制或縮小焊接過程中的受熱面積，控制焊接溫度。

（4）合理改進(jìn)焊接順序，減少焊接作業(yè)對焊接板的影響，降低變形。必須依照預(yù)先制定的焊接順序進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接方向由內(nèi)向外、由中間向兩邊，且最大限度實現(xiàn)焊縫的無約束收縮。通常情況下，可先對對接焊縫進(jìn)行焊接；同時進(jìn)行長焊縫的對角焊接，以實現(xiàn)多處焊縫變形的相互抵消；對于多道多層焊縫，可采用分段退焊或分段跳焊的方式，盡量分散焊接產(chǎn)生的熱量。

（5）引進(jìn)焊接變形小、焊接應(yīng)力低的新型焊接方法。與MIG技術(shù)相比，F(xiàn)SW（Friction Stir Welding，攪拌摩擦）焊技術(shù)具有熱量傳輸小的明顯優(yōu)勢。它是通過焊接點母材的軟化塑性變形再結(jié)晶而實現(xiàn)焊接的一種壓力焊，能夠得到與母材性能接近的焊接頭，從而降低焊接頭對整體物理和化學(xué)性能的影響。FSW 焊基本上能夠?qū)崿F(xiàn)所有系列鋁合金材料的焊接，在焊接過程中能夠自動破碎產(chǎn)生的表面氧化膜，且不會出現(xiàn)材料熔化情況，有效彌補傳統(tǒng)焊接方式中液化裂紋、氣孔及熱裂紋等缺陷[5]。而更小的熱量輸入也在極大程度上實現(xiàn)了對焊接變形的有效控制，適用于鋁合金車體的長直焊縫焊接，能夠顯著提升焊接質(zhì)量。但FSW 對于焊接原材料、自動焊接設(shè)備以及工裝有較高的要求?？紤]到國產(chǎn)鋁合金型材在焊接強度和基礎(chǔ)性能方面仍有不足，雖然時效工藝能提升型材的基體強度，但焊接強度較低，對其使用性能會造成較大影響。這不僅無法完全滿足我國軌道車輛鋁合金車體對大型鋁合金型材的需要，同時也限制了FSW 技術(shù)在鋁合金車體焊接中的應(yīng)用。

（6）隨焊變形控制措施可與焊前變形控制措施共同使用，在鋁合金車體地板與邊梁長焊縫的焊接中，可在焊前制定點固工藝，以20 m 長焊縫為例，采用段焊方式，要求長度在100 mm，間隔500 mm，并于1.5 m 處放置1 t 的壓鐵。在三段焊完成之后，吊起壓鐵再運送至前1.5 m 處放下，繼續(xù)進(jìn)行三段焊接。如此往復(fù)，即可有效控制焊接過程中出現(xiàn)的上翹變形。

3.3 焊后

鋁合金車體的焊后變形控制措施主要是對焊后殘余應(yīng)力的消除以及一定的校正處理，具體方法有3 種，分別是機械調(diào)修法、火焰調(diào)修法、熱冷綜合調(diào)修法。經(jīng)過焊前和隨焊變形控制后仍存有殘余應(yīng)力的，則必須在對變形部位矯正后再利用火焰或冷調(diào)修兩種工藝對變形進(jìn)行消除。

冷調(diào)修法主要是利用壓力機或錘擊與變形方向相反的方向進(jìn)行矯形。考慮到鋁合金型材的特性，如果選擇冷調(diào)修法會導(dǎo)致型材損傷，同時因鋁合金車體自動焊接后大部件的變形程度一般較輕，可單獨采用火焰調(diào)修法進(jìn)行矯形，并且火焰調(diào)修法還具有操作簡單、成本低廉的優(yōu)勢。

由于溫度對鋁合金型材性能的影響較大，所以在調(diào)修過程中必須嚴(yán)格控制額外的熱輸入，不僅需要保證熱點、熱線及熱邊具有充足的熱輸入，以確保成功矯形，還要確保將溫度和時間控制還合理的范圍之內(nèi)，以避免焊接成品強度有所下降。此外，大量的熱輸入還會導(dǎo)致焊接接頭甚至基材的組織性能有所降低，為此還要嚴(yán)格把控?zé)嵴{(diào)修過程中的加熱溫度。結(jié)合鋁合金的熱處理特點，加熱溫度控制在175 ℃以下的矯形效果較好，熱調(diào)修后鋁合金型材的組織及力學(xué)性能均無明顯變化。對于較大的焊接變形，可以采用多次熱調(diào)修法進(jìn)行處理，避免因一次熱輸入量過大而造成材料的性能下降。此外，也可以通過熱冷綜合調(diào)修法對已變形的焊件進(jìn)行矯形處理。

4 結(jié)論

軌道車輛鋁合金車體制造過程中，焊接變形控制是重要組成部分，有必要通過系統(tǒng)、深入的研究為實際生產(chǎn)活動提供精確指導(dǎo)。深入研究軌道車輛鋁合金車體焊接變形的要點，分析造成焊接變形的主要因素，結(jié)合鋁合金車體組焊工藝提出如下控制要點：通過利用低熱輸入焊接方式，盡可能地減少焊接變形；通過合理選擇焊接調(diào)修工藝，矯正焊接變形，保證焊縫質(zhì)量；通過合理選擇焊前控制方法、定向釋放應(yīng)力，控制焊接變形；通過調(diào)整焊接順序及引入優(yōu)化焊接新技術(shù)，規(guī)避焊接變形。這樣能夠攻克鋁合金車體焊接變形控制技術(shù)難題，為車體制造提供質(zhì)量保障。