轨道车辆铝合金车体焊接变形控制研究

李扬

摘 要：为了确保铝合金车体高品质的要求，针对轨道车辆铝合金车体在焊接过程存在的变形较大的问题，提出了控制铝合金车体变形的方法。文章分别在随焊变形控制、焊前变形控制和焊后变形控制三个方面介绍了变形控制方法。

关键词：轨道车辆；焊接；控制；变形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.023

1 引言

铝合金材料通过挤压后可生产成轨道车辆铝合金车体所使用的型材，焊接过程可通过自动焊接的方式完成。然而，相对于普通钢材，过高的膨胀系数和良好的导热性致使铝合金在焊接过程中变形很大，对铝合金焊接过程变形的控制已成为研究热点。

2 铝合金车体的变形

组成铝合金车体的型材并不是一整块，而是由多块型材拼接而成，焊接所造成的高温会使这些铝合金型材发生变形。然而，在实际生产中这些窄条是相互接触的，彼此之间的变形会相互影响。比如，各个型材与焊点的距离不同，所接收热量也不同，会导致各个型材的温度产生差异，变形大的型材会挤压变形小的型材，同时变形小的型材会阻碍变形大的型材，该相互影响的过程会产生铝型材的弯曲变形。

另外，在结束焊接后，会有一个使铝型材冷却的工艺过程。根据热胀冷缩的原理，在该过程中铝型材会发生收缩形变，但由于相互接触的铝型材之间的收缩形变量不同，彼此之间会有阻碍变形的趋势。因此，铝合金车体的焊接会使车体本身发生弯曲变形，如不采取控制变形的措施，則车体将达不到原设计的尺寸公差要求。

3 焊接变形的控制

3.1 随焊变形控制

随焊变形控制，即在焊接过程中采取措施控制铝合金变形的一种控制方法。目前，随焊变形的控制方法主要有以下几种：

（1）用冷却法对焊接过程的温度进行控制；

（2）改进工艺，降低传输到铝板上的热量；

（3）改进焊接顺序，降低焊接过程造成的铝板变形；

（4）采用合理的焊接方法，降低热传导。

伴随着MIG焊技术的发展以及其成本的降低，MIG自动焊已经成为最普遍的焊接方法之一。然而，与其他焊接方法相比较，MIG自动焊方法会产生较大的热量，进而造成更大的铝板变形，因此在采用MIG自动焊方法的同时，必须对焊接顺序进行改进，以降低铝板变形。在采用改进焊接顺序控制变形程度方面，我国相关企业在进行了大量的研究之后，焊接变形程度得以有效抑制。在采用改进了的焊接方法控制焊接变形的研究中，株洲某企业的研究效果显著，其采用对长缝进行跳焊的方式，大大降低了铝板的变形程度。

针对MIG焊接方式会产生大量热量的不足，搅拌摩擦焊以其较小的热量传输优势获得了越来越多的欢迎。搅拌摩擦焊的主要原理是将母材料焊接处的区域进行加热，使其产生软化变形后将焊接板与模材料焊接起来的一种焊接方法。这种焊接方法的另一主要优势是可以得到与母材料性能相近的焊接头，降低焊接头对整体物理性能和化学性能影响。与此同时，针对任何铝合金材质的母板搅拌摩擦焊均适用，并且在该焊接方法中，母板的氧化膜会自动破碎，且母板材料在整个焊接过程均不会被融化，这降低了热裂痕和气孔等的生成概率。除此之外，搅拌摩擦焊的最大优势是可以降低热量的产生，这对于降低材料的变形、焊接质量的提高意义重大，因此轨道车辆制造企业对该焊接方法很青睐。

3.2 焊前变形控制

焊前变形控制，即在焊接前对焊接板进行预处理的一种焊接变形控制方法，大概可分为以下几种类型：

（1）预拉伸方法；

（2）预变形方法或者反变形方法，主要针对在二次焊接过程当中的变形控制；

（3）刚性固定组装方法，焊接之前预先利用刚度比较大的卡具将焊接板进行固定。

反变形方法和固定组装方法主要应用在限制大部件铝合金焊接变形方面。通过实践证明，为有效抑制纵向残余应力对铝合金焊接产生的变形影响，在焊接之前需要对焊接板进行数值计算以及预拉伸试验等操作。实际生产中，对大部件铝合金焊接板进行反变形操作和固定组装操作不但可以大大降低焊接板纵向残余应力，而且有利于降低焊接板平面的变形程度和纵向挠曲的幅度。

轨道车辆生产企业在生产铝合金车体的过程中，通常会为防止车体横向变形而采取在横向固定住铝合金车体的措施。但是该措施并没有考虑解除对铝合金车体的横向固定之后的变形反弹情况，此时若进行二次焊接，不但不会减小铝合金车体的变形量反而会增大变形量，因此，在进行铝合金车体焊接之前预留反变形量很有必要。简而言之，车体的一侧在焊接完成之后，须留出反变形量后再对车体另一侧进行焊接。

3.3 焊后变形的控制

焊后变形控制方法，即在焊接完成后对焊接板进行某些工艺后改变焊接变形量的一种方法，主要由以下几种：

（1）机械调修方法；

（2）火焰调修方法；

（3）热冷综合调修方法。

考虑到是否易操作、成本以及大部件变形较小等诸多因素，针对铝合金车体的焊后变形控制，主要采取火焰调修法。值得注意的是，由于铝合金的性能受热量输入多少的影响比较大，因此在使用冷热综合调修方法对铝合金材料焊后变形控制时，需对温度进行有效的控制。试验表明，铝合金的化学性能和物理性能在温度175摄氏度以上时发生变化较大，而在175摄氏度以下时发生的变化并不大。

4 结语

轨道车辆铝合金车体的宽度、高度以及长度都会因焊接而变化，为减小焊接过程造成的车体变化并保证车体品质，根据不同情况，采用合适的工艺，分别进行随焊变形、焊前变形和焊后变形的控制，可以有效达到减小变形的预期效果。

参考文献：

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