軌道交通鋁合金高效焊接

唐山軌道客車有限責任公司焊接工程師 王廣英

南京南車浦鎮城軌車輛有限公司焊接主管 金文濤

南車四方車輛有限公司焊接主管 但楚臣

大連機車車輛有限公司焊接工程師 陳琛

鋁合金高效焊接之裝備應用

王廣英：目前，高速動車組車體普遍采用鋁合金焊接結構，其主要焊縫均采用長縱焊縫連接方式，為提高焊接效率、保證焊接質量穩定，一般采用焊接機器人焊接生產。據統計，一輛車體采用機器人焊接的焊縫有38道。

唐車公司自生產CRH380BL型國產新一代高速動車組項目以來，國內市場對高速動車組產品的需求急劇擴大。為了及時滿足市場需求，提高動車組車體生產效率，唐車公司在使用單焊槍自動焊接設備進行生產的基礎之上，適時引進了雙焊槍自動焊接設備，并采用5087、φ1.2mm和φ1.6 mm盤狀MIG焊絲。

單槍焊接設備：車鉤面板采用小Cloos單槍單絲焊接機器人;側墻采用龍門igm、Cloos單槍單絲焊接機器人（見圖1）；圓頂平頂采用小igm單槍單絲焊接機器人。

雙槍焊接設備：車頂組成采用Cloos雙槍單絲焊接專機（見圖2）。

圖1 Cloos單槍焊接機器人

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圖2 Cloos雙槍單絲焊接專機

地板采用igm雙槍雙絲龍門焊接機器人；車體采用福尼斯雙槍單絲焊接專機。

雙槍自動焊接設備的引進，盡管會大幅提高焊接效率，但也將帶來設備與工裝干涉、焊槍之間相互協調、焊接參數匹配等焊接工藝問題。因此，引進的雙槍焊接設備不能盲目采用傳統焊接工藝，而應該通過分析型材結構特征，充分掌握特征規律，在此基礎之上有針對性地制定新型雙槍自動焊接工藝。

圖3 SAF鋁合金MIG焊專機

金文濤：地鐵車輛及高速列車鋁合金車體大部件目前大量采用擠壓型材拼焊，對于焊接質量及焊接效率要求極高。由于車體大部件型材拼接后，接口部位長而規則，便于自動化作業。目前SAF、igm等（見圖3、圖4）鋁合金MIG焊專機、MIG焊機械手等焊接設備已普及，應用情況良好；而攪拌摩擦焊專機以其焊接速度高、變形小等眾多優勢正在積極推廣中。

但楚臣：對于我公司而言，小部件且結構復雜、焊接接頭種類多的部件，手工MIG、TIG焊接應用最為廣泛，同時大部件中的長直焊縫采用全機械自動焊機焊接。焊機品牌有德國雷姆REHM焊機、法國SAF焊機，焊絲主要采用的是SAF焊絲及大西洋焊絲。

圖4 igm鋁合金MIG焊接機械手

陳琛：鋁合金地鐵或輕軌車輛制造中，熔化極惰性氣體保護焊即MIG焊接由于成本較低、生產高效等特點大面積應用于實際生產中。就應用設備來說，我公司在實際生產制造中傾向選擇福尼斯焊機或配有福尼斯焊接系統的自動焊機（見圖5），這是由于該設備技術優勢明顯，焊接電弧穩定，調節簡單，焊縫成形良好。焊材傾向選擇SAF或伊薩品牌的鋁合金焊絲，品質均有保證。

圖5 福尼斯焊機

鋁合金高效焊接之變形控制

王廣英：（1）制定合理的焊接順序 針對長大鋁型材的焊接，國外普遍采用雙槍對稱焊接工藝，以保證對稱焊縫焊接變形量的均勻。針對單槍焊接設備，唐車開發了一種單焊槍焊接工藝，型材兩面分別制定焊接順序，而不是采用兩面焊接順序相同的傳統工藝，很好地控制了焊后變形。

（2）優化工裝壓卡 唐車公司的自動焊焊接工裝采用了長短夾具配合壓卡的工藝，短夾具壓緊型材兩側以控制工件整體變形，長夾具隨焊壓卡以控制工件局部的變形。通過實施以上工藝，實現了長大型材的整體焊接變形和局部變形控制。

金文濤：鋁合金車體生產過程中的變形控制，是工藝及生產團隊的重要任務之一。鋁合金焊接變形控制方法包括：合理制定焊接工藝、科學的工藝裝備設計、嚴格的工藝紀律管控等方面。作為工藝團隊，在制定焊接工藝時，要根據產品特點考慮焊接方法、焊接參數、反變形設置、焊接順序、焊后矯正等多方面因素，并編制試驗大綱，通過工藝試驗驗證確認合理后，再用于正式生產。焊接工藝裝備設計時，要考慮定位點及定位方式、夾緊點及夾緊方式，翻轉、吊運等因素，同樣新工裝必須通過組焊試驗驗證后才能投入使用。作為生產團隊，正確的理解工藝意圖及嚴格執行工藝方法，是變形控制的基本要素，因此嚴格的工藝紀律管控同樣重要。

但楚臣：生產中常用的控制鋁合金焊接變形的方法：首先，設計結構上在滿足使用功能的前提下盡量將焊縫分散、對稱設計，同時可以考慮將焊接接頭設計成能夠應用攪拌摩擦焊、激光焊、電阻焊的焊接接頭；其次，工藝上可采取減少焊縫的焊接熱輸入量，根據經驗提前設置一定的反變形量，設置專用的焊接工裝進行剛性固定，采用分散對稱焊接及分段退焊等方法。

陳琛：在鋁合金城軌車輛制造中，最有效控制變形的方法是利用工裝進行反變形以控制變形。以我公司中頂板焊接為例：中頂板焊接時，先反面焊接，再正面焊接；反面焊接時調整工裝頂位面與圖樣弧形相同，將中頂板與工裝定位面壓嚴后進行焊接；等完全冷卻后，將中頂板吊至正面胎，將中頂板與工裝定位面的間隙用鋁墊板填滿，然后用夾具夾緊后焊接。焊接后中頂板弧形基本符合圖樣要求。

鋁合金高效焊接之變形矯正技術

王廣英：我公司鋁合金焊接變形的矯正通常采用機械調修和火焰調修的方法。

機械調修可能會導致母材開裂造成安全隱患，因此火焰調修的方法普遍應用于鋁合金焊接結構中。但是火焰調修時必須嚴格控制熱輸入，一方面熱輸入必須充足，以保證調修后得到尺寸合格的產品；另一方面，調修時不得超過一定的溫度/時間組合，否則會導致結構強度下降。實際生產中為了保證產品的合格率可能會對焊接結構進行多次調修。目前，唐車公司利用sysweld軟件對多道焊焊接及焊后多次調修的過程進行模擬仿真，獲得與實際相符的溫度場、應力場和焊后變形結果，并對結果數據進行分析，來提供一種切實可行的可用于鋁合金焊接及焊后多次調修的模擬方法。對明確焊后調修工藝具有很好的指導作用，可提升調修的效率，從而提升生產效率。

金文濤：鋁合金焊接變形矯正方法包括冷矯正、熱矯正及復合矯正。冷矯正即使用機械壓力對變形部位施壓，使材料產生塑性變形抵消焊接變形的方法。冷矯正對矯正設備、矯正順序及工藝裝備要求較高，一般適用于結構較簡單的部件。鋁合金熱矯正一般使用火焰加熱的方法（見圖6），對于燃燒氣體、烤把、矯正溫度、順序、手法及經驗等要求極高，一般適用于結構較復雜件的矯正。對于結構非常復雜或剛性很高的鋁合金工件，可采用冷、熱復合的方法矯正，即通過火焰加熱、外加機械壓力的方法矯正。上述矯正方法運用的前提是對制定的矯正工藝進行充分的工藝試驗驗證，確保矯正對鋁合金母材及焊縫的性能不會產生影響。經過充分驗證的矯正工藝和嫻熟的操作技能，是保證矯正質量和效率的前提。

但楚臣：鋁合金焊接變形矯正主要方法有：加熱法（急冷、空冷），加熱兼加壓法（加熱并輔助錘擊、壓制、緊固等手段），冷調兼加壓法等。鋁合金焊接變形矯正調修過程中要注意對母材表面的保護，同時注意控制不同材料的加熱溫度和時間；生產過程中根據產品種類、制作要求，以及焊接變形的程度與部位來選用上述實用的矯正方法。

圖6 鋁合金型材火焰矯正

陳琛：生產中經常使用的焊接矯正方法為火焰調修，在控制調修溫度的基礎上，利用火焰調修技術矯正變形，提高生產效率。

在火焰調修過程中需注意以下事項：①要判斷正確的矯正位置和調修量。調修量＞5mm，需要夾具/壓鐵來配合。②針對不同鋁板的厚度選擇溫度。火焰溫度控制在150～200℃。火焰不要在垂直方向（直上直下）進入加熱，應保持＞100°傾斜。③加熱的速度不能過快或過慢。加熱時不宜速度過慢，火焰分散過大，容易造成調修面凹凸不平。④觀察鋁板變色來判斷是否加熱溫度過高或過低。