摘要：随着城市地铁建设步伐的日益加快，城市地铁速度的不断提升，对车体结构轻量化要求也随之提高，改变材质成为结构轻量化的一个重要发展方向。铝合金材料由于具有重量轻、耐腐蚀、外观平整度好、材料可再生利用等优点在车体结构中被广泛应用。铝合金车体在实际生产中，由于铝合金本身焊接特点，加上车体结构有闭式空型材机构及开式板梁型结构，使得焊后几何尺寸发生变化，造成车体形位公差难以达到标准要求，所以在实际生产中解决这些问题成为了生产的关键。本文对铝合金焊接变形情况做了简述介绍，围绕铝合金车体焊接变形情况论述了焊接变形控制措施，并结合深圳9号线地铁铝合金车体进行实际分析。
关键词：铝合金车体 焊接 变形控制
引言
铝合金的线膨胀系数大约为碳素钢和低合金钢的两倍，密度小面心立方晶型没有同素异构的转变，塑性好无低温脆性转变。焊接过程中熔合区的冷却速度较快凝固时的体积收缩率较大，导致焊件的变形和应力较大，铝合金材料的焊接特点决定需要采用比较大的热输入焊接，从而导致铝合金结构焊接后变形量大结构尺寸不易保证，因此需采取以下控制焊接变形的措施：
一、采用小能量焊接，减小热输入减小焊接变形
在工艺中最主要的就是规范焊接方法和参数，选用线能量较低的焊接方法可以有效的防止焊接变形。现阶段引入新型焊接方法“搅拌摩擦焊”进行改善效果显著，搅拌摩擦焊焊接温度低，残余应力比较低，焊接工件不易变形；能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接；无需添加焊丝，焊接铝合金时不需提前除氧化膜，不需要保护气体；成本低焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射。
二、采用夹具固定，防止焊接变形
刚性固定法能有效减小变形，且焊接时不必过分考虑焊接顺序。缺点是有些大工件不易固定，且焊后撤除固定后，焊件还有少许变形和较大的残余应力，如果与反变形法配合使用则效果更好。对于形状复杂、尺寸不大、又是成批生产的焊件，可设计一套专用焊接夹具，既可以防止变形，又能提高生产率。当工件尺寸较大，数量又不多时，可在容易发生变形的部位临时加上一些支撑夹紧装置防止焊接变形。
三、采用合理的焊接工艺
利用铝合金车体结构的对称性合理安排焊缝的位置，在设计时，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴或者接近于中性轴，利用组对和焊接顺序来控制焊接变形。采用合理的组对和焊接顺序这是在生产中控制焊接变形的有效方法。实际铝合金车体焊接生产中有许多结构截面形状对称焊缝布置也对称，但焊后却发生弯曲或扭曲变形，这主要是装配和焊接顺序不合理引起的，也就是各条焊缝引起的变形未能相互抵消以致发生变形。焊接顺序是影响焊接结构变形的主要因素之一，安排焊接顺序时应注意：先焊接容易被遮挡的焊缝，尽量让焊缝无拘束收缩，焊接方向由内向外，由中间向两端，先焊短焊缝后焊长焊缝，先焊横焊缝后焊纵焊缝，先焊接对接焊缝后焊接角焊缝，先焊y形坡口再焊v形坡口，先焊接截面较大的焊缝再焊接截面较小的焊缝。对于长焊缝尽量采用对称焊接，需要2名焊工从两侧同时对称施焊，这样可以使各焊缝所引起的变形相互抵消一部分，也可以采用对角线焊法或从中间向两边焊。对于双面焊焊接顺序以根部清理难易为依据，后焊的一侧应便于前道焊缝的根部清理，尽量避免工件不必要的多次翻转。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对某些焊缝布置不对称的结构应该先焊接焊缝少的一侧，当存在焊接应力时，先焊拉应力区后焊剪应力和压应力区，位于构件刚性最大的部位最后焊接。对于焊接收缩量大的工件，要先焊成组装件再进行整体组焊，并在图样上标注工艺放量。
四、采用反变形组装，焊接后可防止变形
焊接变形是由于焊接件横向收缩变形大且收缩量分布不均匀导致，预制反变形法是在掌握其角变形原理和变形规律的基础上，预先估计好结构变形的方向和大小，然后在组对时给构件一个数值相等、方向相反的变形，该变形与焊接产生的变形相抵消最终焊接后构件达到设计工艺要求。焊件预制反变形的影响因素较多，如构件厚度、焊接层数、坡口角度、焊缝间隙、焊缝填充量、焊接热输入量等，获取焊件接头预制反变形的定量数据，是预制反变形法控制接头焊接变形的前提条件。薄板铝合金材料热物理性能不同，尤其是线膨胀系数大，致使在同样热源下焊件接头角变形大，预制反变形程度加大。
在深圳9号线地铁车体焊接控制中的应用
一、铝合金车体基本结构：
深圳9号线地铁车体是全铝合金结构，根据设计标准属于A型车，车体由底架、侧墙、车顶、端墙四大部分组成。车顶板型材和地板型材采用搅拌摩擦焊焊接，其他部件、小件采用氩气保护焊焊丝填充焊接。现以车顶做实例分析，车顶由车顶板、车顶边梁、空调机组平台组焊而成，其中车顶板是5块薄板铝型材组焊完成的。
二、车顶组焊时易产生焊接变形：
车顶整体组焊后产生焊接收缩变形，车顶小件分布不均匀焊后变形量不等，出现车顶内高尺寸、车顶宽度尺寸和车顶外轮廓弧度超出设计工差范围。由于车顶型材自身厚度为3mm长度大于7m，正装焊接小件较多且集中在车顶中间部位，焊后应力集中导致车顶两端出现翘头现象。为保证整体结构的高度、宽度和弧度，通常采用火焰调修的方式矫正变形，由于铝合金型材的板材薄火焰加热易产生凸凹变形，整体型材为型腔结构凸凹变形不易矫正；火焰温度低对焊接变形的矫正不明显，火焰温度稍高易使型材产生较大凸凹变形影响质量。
三、工艺要求：
车顶内高工差为（-3，+5）mm，车顶宽度工差为（-3，+3）mm，车顶外轮廓弧度工差为（-2，+2）mm，两端挠度工差不大于5mm。火焰加热温度不高于120度，加热次数不超过3次
四、焊接变形控制方案：
在工艺方案中为减小长大铝型材焊接变形，车顶板5块铝型材采用搅拌摩擦焊焊接。搅拌摩擦焊是搅拌头高速旋转并与被焊工件摩擦，产生热量形成热塑性层，搅拌头与工件相对运动，在搅拌头前面不断形成的热塑性金属转移到搅拌头后面，填满后面的空腔，从而形成连接的方法。在各部小件焊接时，为了控制焊接热力集中产生的收缩变形，采用跳跃式焊接和分段式焊接法，有效控制焊接后的变形。整体组焊时工装夹具定位，利用工装夹具将车顶边梁、顶板和空调机组平台固定，调整尺寸达到工艺要求然后焊接各部件之间的焊缝，采取由内向外的焊接顺序焊接，左右两边由两焊工对称焊接，焊接电流电压符合工艺要求并保持两人一致。工装夹具有效控制整体车顶尺寸，防止出现旁弯、偏差大等现象。车顶正装焊接前预制反变形，车顶两端用下拉装置下拉相对于机组平台位置60mm制作车顶反变形，然后焊接正装焊缝。有效控制了车顶上翘挠度。车顶整体组焊完成后进入检测胎位检验尺寸，标注不合格区域进行火焰调修。根据具体变形部位加热相应位置。一般先调修车顶高度再调修车顶宽度，最后调修车顶圆弧度。、调修完成后待车顶自然冷却，用样板进行整体弧度检测，拉水平尺进行高度和宽度检验，合格后交验车顶。
论文作者:张富军,任海涛,孙友强,周武生
论文发表刊物:《基层建设》2018年第16期
论文发表时间:2018/7/18
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