轨道交通焊接工艺发展趋势及前景

国家轨道交通实验室 李锋平

轨道交通焊接工艺发展趋势及前景

国家轨道交通实验室 李锋平

地铁是当前国内最为常见的轨道交通工具。轨道交通工具大大提高了交通的运输效率。重视轨道交通事业的发展是非常必要的。本文从不锈钢车体结构及材料特点出发，以我国著名轨道交通焊接专家王天勇研发试制不锈钢车体焊接挠度控制项目为参考（此攻关难题为中国轨道交通行业至少可以创造200亿元人民币的产值，减少的不良品损耗超过10亿元人民币），对焊接变形的原因及控制方法做了简要介绍，同时结合已广泛应用于城市轨道交通二次骨架平衡稳定系统（专利著作权人：王天勇）为实际参数，提出了轨道交通车辆用铝合金焊接工艺的应用策略。

轨道交通；铝合金；焊接工艺

1 不锈钢车体结构及材料特点

不锈钢车体主要由底架、侧墙、端墙、顶盖及司机室组成，采用板梁组成薄板筒体结构整体承载。欧洲标准的不锈钢客车车体骨架的生产主要采用MAG电弧焊方式，制造难度极大，车体采用薄壁筒形整体承载全焊接不锈钢结构，骨架采用1.5-2mm不锈钢薄板，车体主结构材料采用高强度超低碳奥氏体不锈钢和奥氏体铁素体双相不锈钢，即要控制板的厚度，减轻重量达到环保节能的要求，又要防止焊后变形，保证安全稳定性。这是该领域公认的焊接难题。该项目主要有以下难点：⑴薄板造成桡度难以控制；⑵无涂装车体的特性使得墙板原材料外漏，焊接缺陷一览无余；⑶车体断面尺寸精度影响到各部件安装的精度及稳定性。在研发过程中，引用王天勇先生建立了拓扑基准的数学模型，提出车体焊接反变形概念，精确地计算出反变形值区间。通过预制挠度、优化骨架焊接强度和工艺参数等措施，使得车体相关尺寸得到有效控制，达到了设计及工艺要求。

2 焊接变形的原因及控制方法

2.1 焊接变形的影响因素

焊接变形可以分为两种，一种是瞬态热变形，这种变形是发生在焊接热过程中的，另一种是残余变形，这种变形则是发生在室温条件下的。焊接变形深受很多因素的影响，比如像材料、结构和工艺这3个方面受其影响居多。

2．1．1 材料因素的影响

材料方面，除开焊接材料可以影响焊接变形，母材同样可以影响。而且，材料的热物理性能参数和力学性能参数都将严重影响焊接变形的产生过程有。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用，一般情况下，焊接变形随着弹性模量的增大而随之减少。而较高的屈服极限会引起较高的残余应力，焊接结构存储的变形能量也会因此而增大，从而可能促使脆性断裂。

2．1．2 结构因素的影响

影响焊接变形的最关键，最复杂的因素是焊接结构的设计。其焊接变形的总体原则是随拘束度与焊接残余应力的增加而相应减少。一般情况下在焊接过程中占据主导地位的是复杂结构自身的拘束作用，随结构复杂程度的增加，结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况也随之增加，由此给焊接变形分析与控制造成一定的难度。因此，为了减小焊接变形，在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化十分重要。

2．1．3 工艺因素的影响

焊接变形深受焊接工艺很多方面的影响，例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。其中在各种工艺因素中最为显著的是焊接顺序对焊接变形的影响。多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。焊接工作者在长期研究中，总结出一些经验，利用特殊的工艺规范和措施，达到减少焊接残余应力和变形，改善残余应力分布状态的目的。

2.2 焊接变形的控制

2．2．1 设计措施

（1）合理地选择焊接的尺寸和形式：焊接尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大，因此，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。（2）尽可能减少不必要的焊缝：在设计焊接结构时，适当地安排筋板的位置，力求焊缝数量少，从而减小焊接变形。（3）合理地安排焊缝位置：在设计焊接结构时，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴，这对于减少梁、柱等类型结构的挠曲变形有良好的效果。

2．2．2 工艺措施

工艺措施是指在焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施，将其分为焊前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正措施。

（1）焊前预防措施，主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法。第一，预变性法或称反变形法是在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量（反变形量），使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。第二，预拉伸法多用于薄板平面构件，焊接时在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下进行的。焊后，可有效地降低焊接残余应力，控制焊接变形。第三，刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定，可有效地控制待焊构件的角变形与弯曲变形等。（2）焊接过程控制措施，主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数，选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。焊接顺序对焊接残余应力和变形的产生影响较大，在采用不同的焊接顺序时，可以改变残余应力的分布规律，尤其在多道焊中，作用更加明显。（3）焊后矫正措施。当构件焊接后，只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫正措施主要分为加热矫正法和机械矫正法。加热矫正法又分为整体加热和局部加热。 此外，还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正，包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。

3 轨道交通车辆用铝合金焊接工艺的应用策略

当前轨道交通车辆的主要原材料是铝合金。轨道交通车辆因铝合金的投入使用，其重量得到大大的减轻，车辆运行的速度也因此得到提高。轨道交通车辆生产的重要环节--铝合金焊接技术应给予高度重视，尤其是相关工艺的技术研究和应用研究方面，务必给予高度重视，这是非常必要的。

3.1 重视铝合金焊接工艺的创新

国内铝合金焊接工艺在实践中常会暴露出一些问题，作为轨道交通车辆生产企业应鼓励广大生产一线的职工重视技术创新。国外的铝合金焊接技术相对比较发达，向国外优秀的铝合金点焊工学习对技术的提升是非常有效。另一方面，在企业内部或行业内部开展技术竞赛，通过竞技的方式促进点焊技术的不断提升。

3.2 重视铝合金激光焊接技术的应用

当前比较先进的焊接技术即是铝合金激光焊接技术。能量密度高、热量小是该技术具备的2个特点，因此焊件的变形和裂纹因该技术的使用而在焊接过程中不会产生。此外，一些细微的焊件因该种技术冷却速度快而有较好的焊接效果。如今，只有铝合金激光焊接技术能够适应现代社对轨道交通车辆的坚固性、稳定性、美观性的要求，但并不成熟的激光焊接技术工艺还需要克服一些技术难点。

3.3 重视铝合金焊接设备的开发研究

铝合金焊接的关键因素即是焊接设备。焊接的质量和效率深受焊接设备的功率、焊束的能量密度、焊接速度等等因素的影响。此外，工人的工作环境也直接受焊接设备的先进性的影响。因此，要想提高铝合金焊接工艺的水平，开发性能高、效率高、安全系数高的自动化焊接设备是关键。

3.4 不断改善焊接工人的作业环境

人是任何工艺水平提升的基础。因而，安全舒适的工作环境对于焊接工人来说是非常必要的。然后实际操作时，高温环境时常出现在焊接过程中，伴随着焊接时大量化学材料的使用，这将严重影响工人的身体。因而，污染性高的焊接工艺在轨道交通车辆生产过程中应尽量避免使用。铝合金技术应用的重要标准就是重视工人作业环境的改善，这是非常必要的。

4 总结

轨道车辆车体在焊接过程中具有焊接变形难以控制的特点，通过对轨道车辆铝合金车体焊接变形以及应用的分析研究，这不仅拓宽了焊接技术的应用范围，还推动了我国焊接行业与世界接轨。

李锋平（1965—），男，教授级高工，轨道交通焊接领域专家。