中车长客轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062
摘要：本文主要介绍了铝合金在国内外轨道客车车体制造中的应用情况、铝合金车体组焊过程中的焊接变形控制方法、部件反变形尺寸的计算方式以及反变形工装的设计方法。
关键词：铝合金；焊接变形控制方法；反变形
序言：
随着我国高速铁路的快速发展，高速动车组已经大量运营在我国各条铁路干线上，为缓解我国铁路运营压力起到了决定性作用[1]。铝合金由于其轻量化、密封性好等优点成为高速动车组车体的主要材料。由于铝合金导热性强、线膨胀系数大，所以焊接后变形量比较大，而我公司近年来铝合金车体产量大幅提升，这就使铝合金车体制造的尺寸保证技术变得尤为重要。部件焊前预置反变形技术是根据经验预判部件的变形方向和大致程度，焊接前将部件向相反的方向预置一定量的变形，从而实现对焊接变形的控制，在铝合金车体的尺寸保证方面应用广泛。
1.铝合金在轨道车辆中应用情况简介
1.1 铝合金在高速铁路客车上的应用情况
德国、法国和日本在铝合金应用车体制造方面的研究较早，经过几十年的铝合金车体的制造经验的积累，在设计上业已成熟。能够做到结构合理，工艺完善，高速轨道客车正在成为西方国家社会发展、经济繁荣不可缺少的一部分，同时也在成为文明、进步的象征。
我国在这方面的起步较晚，2001年，长春客车厂建成了国内第一条铝合金车体自动化焊接生产线，开发制造了210km/h铝合金车体电动车组、270km/h高速试验列车，2005年阿尔斯通CRH5型动车组、2009年西门子CRH3型动车组技术的引进，开启了我国高速铁路客车的新时代。
1.2 铝合金在城轨车上的应用情况：我国设计的铝合金车体基本采用模拟国外结构和购买国外图纸两种方式，购买图纸的产品有广州地铁、上海地铁、深圳地铁、重庆轻轨等，经过多年的摸拟、吸收与技术创新，我国的铝合金车体设计、应用已走向成熟。
2.铝合金焊接变形控制方法简介
2.1 焊接变形产生的原因：铝合金焊接过程中，不均匀的加热使得焊缝及其附近的温度很高，冷却后，焊缝会产生不同程度的收缩和内应力，导致焊接结构产生各种变形。由于铝的热传导效率是钢的3倍，铝合金的焊接变形控制比钢的难度要大得多。铝合金内部发生晶粒组织的转变所引起的体积变化也可能引起焊件的变形，这是产生焊接应力与变形的根本原因。
在一般的铝合金焊接结构中，残余变形的危害性比残余应力大得多，它使焊接部件的尺寸改变导致组装困难甚至无法组装，是整个构件丧失稳定性而不能承受载荷，是产品质量大大降低，矫正变形需要花费大量的人力物力，矫正结果往往差强人意，有时甚至会导致构件的报废。同时，焊接裂纹的产生往往也和焊接残余变形和应力有着密切的关系。因此，在制造铝合金焊接结构时，必须充分了解焊接时应力发生的机理和焊后工件变形的规律，以控制和减少其危害性。
2.2 铝合金焊接变形控制方法： 铝合金车体制造过程中，必须严格控制焊接变形，焊接变形的控制一般采用以下几种技术：
2.2.1压铁简易防变形技术：对焊缝采用简易压铁压住，实现焊接变形控制。主要应用于铝合金车体的大部件组焊。
2.2.2预应力防平面度变形技术：对枕梁等结构内闭腔焊接，会引起表面平面度变形，在结构上予置应力，实现平面度控制。
2.2.3真空吸盘固定防变形技术：对无法实现压紧的工件，采用真空吸盘固定的方式，实现焊接变形控制。
2.2.4框架式卡紧防变形技术：针对铝合金件正、侧焊接的特点，采用框架式压紧器，实现一次装卡，完成正、侧焊接的技术。
2.2.5合理选择焊接工艺控制变形：合理选择焊接工艺及焊接顺序使焊接变形控制在合理的范围内。
2.2.6部件反变形技术：根据经验预判部件的变形方向和大致程度，焊接前使部件向相反的方向变形，从而实现对变形的控制。
一般采用上面的集中方式进行铝合金车体制造过程中的焊接变形控制。本文主要讨论应用部件反变形技术来控制焊接变形。
3.铝合金车体制造过程中一些实用的操作方法
部件反变形技术可通过工装、临时压铁或支撑、下拉等方式实现。在铝合金车体制造过程中，影响焊接变形量的因素非常多，如焊接参数、焊接顺序、母材、填充材料、工件所受的压紧力等。有些时候，仅用其中一种方法就可以达到控制部件变形量的目的，有时要多种方式配合才能达到控制部件变形量的目的。下面通过实际生产中的一些实例来进行说明。
3.1 反变形量计算方法举例：在CRH3型动车组车体底架制造中，司机室端部与地板通过底架边梁、连接板组装成一个整体。要求地板、连接板、端部上平面平度在3mm以内，而上下两块连接板厚度均为8mm，焊接量较大，需预制下拉反变形以抵消焊接变形量，下面介绍一种利用勾股定理计算焊接预制反变形量的方法。
CRH3型动车组车体底架头车连接板焊接反变形量估算法：
如下图4所示，反变形后ac等于ab加上焊接收缩量的10分之一。
4.铝合金结构车体运用前景
平整度好和易于制造复杂美观曲面车体、重量轻、耐腐蚀而使铝合金受到各城市交通公司和铁道运输部门的欢迎，世界各国正在逐渐停止制造碳钢车体，转向制造不锈钢和铝合金车体。同时，铝合金车体在高速铁路车辆制造上具有其它材料不可替代的功能。
随着新焊接方法的应用，例如：激光焊接、搅拌摩擦焊，新的焊接技术在铁路客车生产中的应用必将突飞猛进发展，同时伴随着焊接自动化化程度的进一步提高，铝合金在铁路客车上的应用范围将进一步提高。
参考文献
[1]铝合金车体焊接工艺[M].机械工业出版社，2009.12
作者简介：周晶辉，1969年生，从事铝合金车体生产制造12年，参与城轨车、200km/h、380km/h多种车型的生产，编写铝合金焊接应力与变形分析论文，并在国家技能大师工作室担任重要角色。
论文作者:周晶辉,李栋梁,臧铁军
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/24
标签：铝合金论文; 车体论文; 部件论文; 车组论文; 技术论文; 方法论文; 客车论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;