摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进交通建设项目的增多。由于人们过快的生活节奏，城市和城市之间以及城市内部的交通备受关注。铝合金车体结构呈现出统领交通界的趋势，越来越被广泛的应用在轨道客运车辆的制造当中。当前，动车组铝合金车体大部分采用的都是大型中空薄壁型材组合焊接而成，因为车体自身的结构特点以及铝合金材料的属性使得焊接过程当中存在较大的难题。焊接失效会致使车体的报废，这将会对于人们的生命财产构成威胁，所以，焊缝的质量控制和焊接变形控制是当前最为迫切的问题，势在必行。本文就焊接残余应力对动车组铝合金车体疲劳强度的影响展开探讨。
关键词：动车组铝合金车体；焊接变形；变形控制
引言
目前，国内外动车组铝合金车体多采用大型中空薄壁型材组焊而成，而铝合金本身材料属性和车体结构特点造成了焊接加工存在诸多难点。其中焊接变形和焊缝缺陷是铝合金车体焊接制造过程中发生频次最高的生产异常之一。而由此所导致的铝合金车体形状尺寸精度较差，焊缝强度和疲劳性能不足是造成车体焊接失效，甚至车体报废的根源之一，同时亦给人们的生命财产埋下安全隐患。因此加强铝合金车体焊接变形控制和焊缝质量控制显得尤为迫切，并具有重要意义。
1 导致铝合金车体焊接变形的原因
铝合金焊接变形频繁以及难以控制的原因主要有以下几个原因：首先，铝合金的熔点要低于钢铁的熔点，大约在540—640℃之间。但是铝的溶解热和比热远远高于绝大多数的金属，并且是钢铁导热系数的5倍。所以焊接铝合金需要快速的提供大量的热才能实现。并且膨胀系数也是钢铁的3倍，铝合金焊接在温度上和时间上的要求更高，这是导致铝合金焊接变形频繁、控制难度大的主要原因。其次是焊接的累计次数多、类型多以及程度大等特点造成技术人员难以操作。因为制造成本与型材成形技术的关系，铝合金车体在多数情况下需要多块型材插接组焊成大的部件模块，这是因为一般情况下轨道车辆使用铝合金的宽度为450mm左右。并且最终是由多个模块组合焊接而成。最后是二次焊接变形要远远大于一次焊接变形，两次的焊接变形程度存在的差异较大。造成该差异的原因是因为二次焊接所带来的刚性压紧应力和收缩应力的叠加远远比一次焊接所造成的焊接余应力大。
2 车体有限元模型建立
动车组铝合金车体主要由铝合金型材焊接而成，其整体尺寸远远大于型材的板厚，因此，沿板厚方向的应力可以视为保持不变，可采用板壳模型进行有限元计算，能够满足求解精度的要求。在建模软件中完成了车体几何模型的建立，将其导入ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ中进行处理。车体结构左右基本对称，将其从中间分离为两半，选其中一半抽取中性层，处理形成自由边、多余面等结构。然后进行有限元网格划分，以四边形板壳单元（Ｓｈｅｌｌ６３）为主，部分结构形状突变区域使用三角形单元，不同位置板厚用单元实常数定义，质量单元使用Ｍａｓｓ单元，空簧使用１ＤＳｐｒｉｎｇ单元。最后将处理好的模型镜像对称形成完整的车体有限元模型。
3 焊接变形的控制
3.1焊前变形控制
（1）改善接头设计。针对多个型材插对接易发生错边和插对接接头处刚度不足的问题，采用在型材公口增加插槽，使母口型材得以定位和固定的设计。其研究结果表明在恰当的焊接顺序安排下，采用该类型的对接坡口结构可以直接满焊而不需段焊固定，因而简化了焊接工艺流程，提高了焊接制造效率。具体焊接顺序对焊接变形的减少，将在随焊控制变形部分中着重介绍。（2）适宜的预制变形。根据该类型焊接经验的推理或计算机的模拟结果，预测了结构变形的方向和大小，在型材组对时给与一定相反方向的变形。该预变形能恰好与焊接变形相抵消或抵消大部分，从而使焊后构件符合设计要求。针对薄壁圆弧筒形件外壁单面焊易产生内凹的焊接变形，采用预先在对接边缘做出向外弯曲的变形再进行焊接。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆过手扳葫芦和预制变形和预设挠度固定工装配合预制横向变形，预留挠度最大范围为15~17mm。其中底架框架由于存在地板组装，车体总成等组焊工序，并且考虑车体纵向方向的焊接收缩和服役时的受力情况，其不同部位的预制挠度和留有的余量也不同。以枕中为基准，预变形和余量为-3~16mm。
3.2焊中的变形控制
影响焊接结构变形的关键因素就是合适的焊接参数以及合理的焊接顺序。具体的焊接顺序应当遵循以下原则：所有的焊缝都能被制定的焊接顺序焊接；焊接的方向由中间向两边，由内部向外部焊接，并且最大限度的让焊缝无拘无束收缩；一般情况下，现先焊接对接焊缝；较长的焊缝则要两名工人同时进行对角焊接，为了使得各处的焊缝所引起的变形相互抵消；对于焊缝当中的多道多层的焊缝使用分段跳跃的焊接方式，也可以采用分段退焊的方法，以便于热量输入的分散性；保证焊接质量，提升焊接的操作速度，焊接的位置、保护气体、母材以及焊接接头的形式的选择是焊接参数定制当中需要考虑的。
3.3焊后变形控制
当铝合金车体组焊完成后，采用上述变形控制措施后还存在较大焊接残余应力或变形时，一般进行应力消除和矫正处理以控制变形。现有的应力消除方法有超声波振动法和机械喷砂或喷丸法等等。针对铝合金车体焊接残余应力所存在的质量安全隐患，提出了高频超声豪克能处理技术。该技术不仅能够降低峰值拉应力，还能够形成表面压应力，减少焊缝细微缺欠和焊趾应力释放，且一般不会引入新的缺欠。出于后续工序和处理效率考虑，现行铝合金车体应力消除法一般为喷砂处理。该法一般在完全密闭空间内执行，对除螺纹孔和接地或接电端子以外的车体进行处理。但该法可能会引入新的焊缝缺欠，比如气孔或微裂纹等。矫正方法主要有火焰加热的同时辅助冷却水的热调修法，冷调修法有机械下压或锤击法，焊缝滚压法以及两者综合的调修方法。铝合金大部件一般采用火焰加热的同时辅助冷却水的调修方式处理焊缝区域，以控制和调节变形。由于现行铝合金车体材料属性，烤火调修的温度一般要求低于250℃或200℃，并在调修过程中采用变色温度笔以控制加热温度。火焰加热调修矫正前，往往同时在手扳葫芦或工艺撑的作用下使待调修部位发生内凹或外凸的弹性变形，一旦在火焰加热的作用下该弹性变形可以转变为塑性变形从而达到火焰调修的目的。
4 提高智能化焊接在高速动车组铝合金车体制造上的推广建议
（1））加快搅拌摩擦焊的推广应用步伐。目前，搅拌摩擦焊在CRH380和CRH5型动车组两个批量生产的项目上，仅在CRH380型动车组车钩座和车钩梁两个小部件上有所应用，建议应向CRH380型动车组端墙板、平顶板和CRH5型动车组垂直墙、水平墙、前端墙等小部件上加快推广应用的步伐。另外，也应在铝合金车体大部件（底架地板、侧墙、车顶）上开展FSW基础性的试验研究，如开展型材结构设计、工装夹具开发、搅拌头设计及焊接工艺试验等工作，为将来的实际生产应用积累丰富的试验数据，并打下坚实的实践基础。（2）自动MIG焊接技术继续在高速动车组铝合金车体制造上应用。由于自动MIG焊接技术现今比较成熟、稳定，所以优先建议其在平顶附件组焊、端墙合成组焊、KK组焊、FE组焊、车头组焊及底架合成组焊等复杂工序继续推广应用。针对部件结构和制造工艺特点，选择合适的自动焊设备，如平顶附件组焊可以利用现有的IGM机械手进行自动焊接应用研究，端墙组焊、KK组焊、车头组焊等小部件工序可以引进机器人并利用变位机的多方向旋转功能实现自动焊接应用。
结语
根据目前企业生产以及铝合金车体组焊的工艺可以提出以下几点理论展望：减少焊接变形：使用低热量输入的焊接方式；修整工艺控制变形、确保焊缝的质量：使用合理的方式定向释放应力；控制焊接变形：通过试验验证以及计算机模拟来达到优化焊接的工艺的目的。
参考文献
[1]栾国红,胡煌辉,柴鹏.搅拌摩擦焊——新型列车制造新技术[J].电力机车与城轨车辆,2016(04).
[2]宫崎勇,彭惠民.铝合金铁道车辆的发展[J].国外机车车辆工艺,2016(02).
论文作者:张宁宁,孙洪沿,孙爱军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/18
标签：车体论文; 铝合金论文; 应力论文; 车组论文; 型材论文; 结构论文; 部件论文; 《基层建设》2019年第26期论文;