摘要：焊接变形控制是铝合金焊接结构的重要组成部分，对焊接成品的优劣起决定作用，铝合金焊接是车顶焊接的重要工艺，为提高其生产效率和焊接质量，降低焊接缺陷，本文依据铝合金焊接工艺的基本要求，结合城铁车铝合金车顶焊接过程，分析焊接内应力产生过程，对焊接变形进行控制，探索铝合金焊接过程变形控制的基本规律，为铝合金车顶焊接提供一定的理论参考。
关键词：铝合金焊接 车顶 焊接应力 变形控制项点
引言：
铝合金密度低，强度高，接近或超过优质钢，塑性好可加工成各种型材，具有良好的导热性、导电性和抗腐蚀性，工业上广泛使用。目前有大量的铝合金城轨车辆投入运营，一些发展中国家也大力发展铝合金车体，并具备批量生产铝合金车体的能力。列车轻量化是提高列车速度的首选条件，减小运行中的阻力，降低能耗，增加载重，各国铁路运输业得到大力发展。随着社会和科技的发展，操作技术范围不断扩大，手段丰富更新，但其实践性始终不变，技术人才中有着丰富实际经验和岗位操作技能的技术工人是不可或缺的重要组成部分。
一、铝合金城铁车车顶焊接
铝合金焊接是指铝合金材料的焊接过程，铝合金车体强度高、质量轻、耐腐蚀、无磁性及低温性能好等特点被广泛的应用于各种焊接结构的产品中。某铝合金地铁车项目车顶铝结构大致分为车顶边梁、机组平台组成、受电弓、圆顶板及各部分小件组成。
车顶合成采用自动焊与手工焊相配合的制造工艺，车顶边梁与圆顶板的大部件为自动焊工艺，采用IGM机械手进行自动焊接，焊接过程中对车顶工装装夹与设备稳定性要求高，由于焊缝较长，焊接热输入较大，所以焊接变形也随之增大，使得车顶自动焊后尺寸容易超差，不易控制。为满足设计图纸要求，保证车顶焊后弦长及外侧轮廓度，平顶组成部分采用收工焊接，减小焊后收缩量。铝本身属于活泼金属，所以铝合金表面易形成一层难熔的氧化薄膜，氧化膜的熔点2050℃，铝合金的熔点为660℃。氧化铝薄膜阻碍基本金属融化和融合，而且氧化膜的比重大（约为铝的1.4倍），不易浮出熔池，造成焊缝夹渣。因此，焊前必须清理氧化膜，氧化膜清理之后应在4小时内进行焊接，过时需要重新打磨处理，大面积清理氧化膜是铝合金焊接的重要特征。车顶自动焊试验段完成后检测尺寸：车顶宽度与车顶内高尺寸不能同时满足设计要求，比最小公差偏小约6 mm，由于尺寸超差，需要对车顶进行加热矫正，增加了车顶的制造工期，延长车体的生产节拍。
通过对车顶焊后内高现场测量数据进行分析可以看出，车顶内高偏低，并且机组平台组成处内高低于两端内高公差值。自动焊后宽度偏大，内高均偏低，为保证最终车顶交检尺寸满足设计要求，原定焊接完成后内高需要走正公差，宽度走负公差，车顶边梁定位工装增加工艺放量，车顶边梁与圆顶正面满焊焊接变形较小，反面满焊后焊接变形较大，反面满焊后的焊接收缩导致宽度减小约6mm，在保证宽度尺寸的情况下，内高会进一步偏小。为了抵消或减小车顶边梁与圆顶板满焊时的收缩，采取对车顶边梁定位工装增加工艺放量的措施，可以增加边梁宽度的放量，从而抵消或减小车顶边梁和圆顶板满焊后的焊接变形。通过对工艺数据的分析，对边梁定位工装增加3mm的工艺放量。
二、铝合金车顶焊接过程中应力的产生与变形
铝合金车顶铝结构主要包括车顶边梁、车顶圆顶板、机组平台组成以及车端封板组成等部件。所谓应力是指单位面积里物体所受的力，它强调的是物体内部的受力情况；一般物体在受力作用下，其内部就会产生抵抗外力的应力；物体在不受外力作用下，内部固有的应力叫做内应力，它是由物体内部各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
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铝合金车顶铝结构焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀的加热，是产生焊接应力与变形的根本原因。例如在平板焊接过程中，由于对焊件进行局部加热，焊缝加热温度很高，离焊缝越远，被受热温度越低。由于铝合金材料热胀冷缩的特性，焊件各区域因温度不同将产生大小不等的纵向膨胀。这些应力焊后残留在焊件内部，称为“焊接残余应力”，简称焊接应力。车顶铝结构焊接后由此产生各种焊接变形，如收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形及扭曲变形等，导致车顶焊接后出现旁弯、两端翘头，顶板扭曲等不同形势的焊接变形。
三、铝合金城铁车车顶焊接变形控制项点
以某铝合金地铁车车顶工序为例。下面简单介绍焊接变形控制项点。
（1）加余量法：在焊接前加上一定的收缩余量，已补充焊后的收缩，通常为0.1%~0.2%。车顶边梁落入工装后，调整两边梁相对内侧宽度，留有足够的余量，落入机组平台与圆顶板后进行合成焊接，长大焊缝收缩量较大，一般放宽余量为6 mm左右。
（2）反变形法：焊前将结构或部件装配成与焊接变形相反方向的预变形，而预变形的程度能够抵消焊后形成的变形。用经验或计算的方法，预先判断焊后可能发生的变形大小和方向。例如车顶正装风道组成与机组平台组对焊接后，出现机组平台两侧端部内高超出最大公差值，焊后火焰调休无法矫正。制作机组平台下拉装置，焊接风道组成前，用下拉装置做出向下方向8mm的预判反变形，基本上抵消了焊接后产生的变形，保证了交检要求。
（3）刚性固定法：焊接前将工件夹紧固定，可使变形缩小，固定夹紧的方法很多，可用简单的夹具或刚性支撑、拉带等。车顶正装小件焊接前利用拉带在一二位两端端头进行下拉固定，这样就很大降低了车顶两端出现翘头的情况。
（4）选择合理的焊接次序：如果构件的两侧都有焊缝，应设法将两侧焊缝的收缩量相互抵消或减弱，焊接长焊缝时，为了减少焊接变形，通常采用逆向分段焊法。分段进行焊接，每段都朝着与主体相反方向进行焊接。
四、火焰调修
火焰调修是利用铝合金具有热胀冷缩的性质，对焊后车体进行变形恢复最有效的方法之一。而决定火焰矫正效果的因素主要是火焰温度和加热位置。铝合金是否加热到位可以使用测温笔来测量型材受热温度。对于铝合金焊缝来说，火焰调修温度一般低于120℃，在此温度下，焊接结构的硬度和强度不会发生太大变化；但当加热温度超过150℃，焊接结构的硬度明显降低，拉伸断裂处随加热温度低升高向母材方向移动。
火焰的加热位置是调修过程中很关键的因素，位置的选择直接影响火焰调修的效果。不同加热的位置和加热形状，可以矫正不同变形方向的变形。选出正确的加热位置和加热形状，如果位置错了或加热形状不对，都不能获得预期的效果，甚至获得相反的效果。铝合金车顶焊接主要超差部位就是车体内宽、内高超差问题，根据不同部位超差大小，调整调修位置和火焰温度。
铝合金车顶结构火焰调修的另一关键点就是调修移动的速度，调修方式选用线性加热法对焊缝凹凸区域进行加热，即火焰沿着直线方向慢慢移动并同时做横向摆动，形成一个加热带，冷却后由于热胀冷缩而形成局部收缩的效果，达到矫正焊接变形的目的。某铝合金车顶在试制过程中，自动焊焊接后常常出现弯曲变形，而在调休时多采用直线加热法。当顶板组焊焊接之后，由于正反焊接时的刚度不同造成焊后工件发生焊接变形，工件会向先焊的一面弯曲，导致弧形变形。对此情况，通常用火焰沿焊缝方向进行直线加热，对产生弯曲的另一面进行加热，从而将焊接变形消除。
通过对车顶自动焊焊接过程的工艺改进及改进后的现场验证，车顶内宽和内高得到了有效的控制，优化了自动焊的工艺步骤，并最终保证了产品满足设计要求。
论文作者:张震,王立国,艾启文,孙友强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/23
标签：车顶论文; 铝合金论文; 应力论文; 火焰论文; 圆顶论文; 温度论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第5期论文;