淺析高速動車組鋁合金車體焊接變形產(chǎn)生的原因及防止焊接變形的方法

于硯濤 吳律賢

摘要：焊接是一個金屬熔化和再結(jié)晶的冶金過程，焊接過程中，容易誤認(rèn)為金屬受熱膨脹導(dǎo)致焊接變形，但金屬的均勻膨脹和冷卻不能形成焊接變形，而真正導(dǎo)致焊接變形的是熱膨脹受阻和冷卻收縮受阻和工件的不均勻受熱。本文主要介紹了新一代高速動車組項目鋁合金車體焊接變形產(chǎn)生的原因并通過理論分析及多年實踐經(jīng)驗總結(jié)出了防止焊接變形的方法。

關(guān)鍵詞：焊接變形 尺寸控制 鋁合金車體

引言

2018年是中國高鐵飛速發(fā)展的一年，中國標(biāo)準(zhǔn)化動車組正式走向了世界，代表了世界動車組技術(shù)的選進(jìn)體系。中國首次實現(xiàn)了動車組牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的全面自主化，標(biāo)志著我國已經(jīng)全面掌握了高速鐵路的核心技術(shù)，高速動車組技術(shù)實現(xiàn)全面自主化。隨著中國高速鐵路網(wǎng)快速在全國延伸，各地新建或在建高速鐵路里程不斷增長，國家對高速動車組需求越來越大，更重要的是，高鐵做為國家“走出去”戰(zhàn)略的重要支撐點(diǎn)，高速動車組已經(jīng)成為中國制造的一張亮麗的名片。

隨著復(fù)興號的全面批量投產(chǎn)，2018上半年，承載著中國元素、奧運(yùn)精神的京張智能高鐵也開始了首臺試制，加上城際200公里動車組的實驗試制，中國鐵路已經(jīng)從吸取學(xué)習(xí)正式步入了自主研發(fā)創(chuàng)新的時代。伴著高鐵飛速發(fā)展，作為動車組第一步的車體制造，鋁合金技術(shù)也需要不斷開拓創(chuàng)新，要制造出質(zhì)量過硬的高速動車組，必須不斷地攻克每一項難關(guān)和創(chuàng)新改革。下面本文將結(jié)合車體制造過程中總結(jié)的一些經(jīng)驗對鋁合金焊接過程中工件產(chǎn)生變形的原因及其變形控制措施做詳細(xì)介紹，希望對鋁合金生產(chǎn)工藝產(chǎn)生一些有利的指導(dǎo)意義。

1、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因

影響焊接應(yīng)力與變形的因素很多，最根本的原因是焊件受熱不均勻，其次是由于焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件剛性的不同所致。另外，焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中的位置、、裝配焊接順序，焊接方法、焊接電流及焊接方向等對焊接應(yīng)力與變形的大小、方向、分布等也都有一定的影響。

1.1焊件的不均勻受熱

焊件的焊接構(gòu)成是一種局部加熱過程。焊接時，焊件上的溫度分布極不均勻，焊縫及其附近區(qū)域被加熱到熔化狀態(tài)或接近熔點(diǎn)，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域溫度比較低。因此，焊件上各店的受熱膨脹與冷卻收縮不一致，故出現(xiàn)了復(fù)雜的應(yīng)力與變形。在整個加熱和冷卻過程中焊件上各處的溫度是變化的，這種溫度變化導(dǎo)致了焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生。

1.2焊縫金屬的收縮

絕大多數(shù)物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時其體積都要收縮。焊接金屬也不例外，當(dāng)它冷卻由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。焊后，焊縫金屬的收縮將引起整個焊件的變形，同時在焊縫中引起殘余應(yīng)力。另外，一條焊縫是逐步形成的，焊縫中先結(jié)晶的部分要阻止后結(jié)晶的部分的收縮，也會產(chǎn)生焊接變形與應(yīng)力。，焊縫中先結(jié)晶的部分要阻止后結(jié)晶的部分的收縮，也會產(chǎn)生焊接變形與應(yīng)力。

1.3焊件的剛性和拘束

焊件的剛性與焊件材料、焊件截面形狀和尺寸都有關(guān)系。通常，焊件截面為封閉形狀時比非封閉截面焊件的剛性大。焊件截面尺寸越大，焊件的剛性越大，截面相同時，焊件越長，則剛性越小。當(dāng)然，材質(zhì)不同，焊件的剛性也不同。

1.4焊接順序的影響因素

通過適當(dāng)?shù)暮附禹樞?，可以抵消焊接?nèi)應(yīng)力和增大結(jié)構(gòu)剛性，焊接順序的制定因地、因件而已，不是唯一的，焊接順序的制定要記住正確分析力的方向。一般講，自由狀態(tài)下，一次焊接變形大于二次焊接變形；而在夾具的作用下，一次焊接的變形要小于二次焊接變形，夾緊力越大，該現(xiàn)象越明顯，這條是制定焊接順序必須要考慮的首要前提。

2、防止焊接變形的方法

通過以上的問題分析。基本了解了鋁合金焊接變形的產(chǎn)生原因及變形的種類，針對焊接變形的原因和種類從焊接工藝上進(jìn)行改進(jìn)，可以有效防止和減小焊接變形所帶來的危害。以下主要介紹幾種常見的控制焊接變形的方法。

2.1在焊前進(jìn)行裝配時，預(yù)置反方向的變形量以抵消（補(bǔ)償）焊接變形。

2.2利用裝配和焊接順序來控制變形采用合理的裝配和焊接順序來減小變形，這在生產(chǎn)實踐中是行之有效的好辦法。在實際鋁合金焊接生產(chǎn)中有許多結(jié)構(gòu)截面形狀對稱，焊縫布置也對稱，但焊后卻發(fā)生彎曲或扭曲變形，這主要是裝配和焊接順序不合理引起的，也就是各條焊縫引起的變形未能相互抵消，以致發(fā)生變形。

焊接順序是影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素之一，安排焊接順序時應(yīng)注意下列原則：

a、所有的焊縫必須都焊到（包括被遮蓋焊縫）。

b、焊槍可達(dá)到的焊縫才可以被焊接。

c、對于有焊縫收縮現(xiàn)象的工件，要先焊成組裝件，并在圖樣上標(biāo)注工藝放量。

d盡量讓焊縫無拘束收縮，焊接方向由內(nèi)向外，由中間向兩端。

e、對接焊縫先于角焊縫焊接。

f、y形坡口不允許有間隙，先焊y形坡口，再焊v形坡口。

g、對于長焊縫，盡量采用對稱焊接，需要2名焊工從兩側(cè)同時對稱施焊。這樣可以使由各焊縫所引起的變形相互抵消一部分。也可以采用對角線焊法或從中間向兩邊焊。

h、對于雙面焊。焊接順序以根部清理難易為依據(jù)，后焊的一側(cè)應(yīng)便于前道焊縫的根部清理。

i、盡量避免工件的不必要的多次翻轉(zhuǎn)。

j、先焊接截面較大的焊縫，再焊接截面較小的焊縫。

k、對某些焊縫布置不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該先焊接焊縫少的一側(cè)。

l、先焊短焊縫，后焊長焊縫；先焊橫焊縫，后焊縱焊縫。

m、當(dāng)存在焊接應(yīng)力時，先焊拉應(yīng)力區(qū)，后焊剪應(yīng)力和壓應(yīng)力區(qū)。

n、位于構(gòu)件剛性最大的部位最后焊接（盡可能使構(gòu)件能夠自由收縮）。

剛性固定法剛性固定法能有效減小變形，且焊接時不必過分考慮焊接順序。缺點(diǎn)是有些大工件不易固定，如果與反變形法配合使用則效果更好。對于形狀復(fù)雜、尺寸不大、又是成批生產(chǎn)的焊件.可設(shè)計一個能夠轉(zhuǎn)動的專用焊接胎具，既可以防止變形，又能提高生產(chǎn)率。當(dāng)工件尺寸較大，數(shù)量又不多時，可在容易發(fā)生變形的部位臨時加上一些支撐減小焊接變形。如下圖班組在生產(chǎn)中利用剛性固定法很好的保證了產(chǎn)品的幾何尺寸。

3、總結(jié)

焊接的變形是無法避免的，但只要采取合理的防治焊接變形的方法，就可以大量減少焊接變形，保證了產(chǎn)品的幾何尺寸，每臺車都節(jié)省了大量調(diào)修作業(yè)時間。

參考文獻(xiàn)

[1]宋永增.《動車組制造工藝》.北京：中國鐵道出版社，2011.1

[2]孫庭秀.《焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)》.北京：電子工業(yè)出版社，2014.5

（作者單位：中車長春軌道客車股份有限公司）