淺談鋁合金車頂尺寸控制技術

鄒世拓 沈建國 張富軍

中國中車長春軌道客車股份有限公司 吉林 長春 130000

引言

隨著軌道交通車輛在我國的廣泛應用，便利了人們出行。隨著社會的發展，人們對軌道交通車輛的要求也隨之增高.鋁合金材料的應用減輕了軌道車輛的自重，提高了車體的耐腐蝕性，加快了軌道客車的運行速度。車體是地鐵車輛主要承載體，他支撐于轉向架之上，保證乘客的安全。車體底架下部及車頂安裝電氣設備，構成車輛主體。他需要承受各種震動，并適應100km/h左右的運行速度。還要滿足隔音、隔熱、減震、防火等要求，確保在事故狀態下盡可能保證旅客安全。

然而在這些鋁合金車體項目在實際生產中，由于鋁合金本身焊接新的特點，加上車頂結構有閉式空型材機構及開式板梁型結構，使得焊后幾何尺寸發生變化，造成車頂兩端撓度上翹，內部高度低難以達到標準尺寸.所以，在實際生產中，這些問題的解決成為了生產的關鍵。

一、鋁合金結構焊接特點

1.1 物質特性 鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業上廣泛使用，使用量僅次于鋼。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機械性能、物理性能和抗腐蝕性能。硬鋁合金屬AI—Cu—Mg系，一般含有少量的Mn，可熱處理強化.其特點是硬度大，但塑性較差。超硬鋁屬Al一Cu—Mg—Zn系，可熱處理強化，是室溫下強度最高的鋁合金，但耐腐蝕性差，高溫軟化快。鍛鋁合金主要是Al—Zn—Mg—Si系合金，雖然加入元素種類多，但是含量少，因而具有優良的熱塑性，適宜鍛造，故又稱鍛造鋁合金。

1.2 鋁合金物質結構 純鋁的密度小(ρ＝2.7g/cm3)，大約是鐵的1/3，熔點低(660℃)，鋁是面心立方結構，故具有很高的塑性(δ：32～40%，ψ：70～90%)，易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好。但是純鋁的強度很低，退火狀態σb值約為8kgf/mm2，故不宜作結構材料。通過長期的生產實踐和科學實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。添加一定元素形成的合金在保持純鋁質輕等優點的同時還能具有較高的強度，σb值分別可達24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強度”(強度與比重的比值σb/ρ)勝過很多合金鋼，成為理想的結構材料，廣泛用于機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業等方面，地鐵的車體、蒙皮、壓氣機。

等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結構重量可減輕50%以上。

1.3 焊接難點 (1)極易氧化。在空氣中，鋁容易同氧化合，生成致密的三氧化二鋁薄膜(厚度約0.1-0.2μm)，熔點高(約2050℃)，遠遠超過鋁及鋁合金的熔點(約600℃左右)。氧化鋁的密度3.95-4.10g/cm3，約為鋁的1.4倍，氧化鋁薄膜的表面易吸附水分，焊接時，它阻礙基本金屬的熔合，極易形成氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，引起焊縫性能下降。

(2)易產生氣孔。鋁和鋁合金焊接時產生氣孔的主要原因是氫，由于液態鋁可溶解大量的氫，而固態鋁幾乎不溶解氫，因此當熔池溫度快速冷卻與凝固時，氫來不及逸出，容易在焊縫中聚集形成氣孔。氫氣孔難于完全避免，氫的來源很多，有電弧焊氣氛中的氫，鋁板、焊絲表面氧化膜吸附空氣中的水分等。實踐證明，即使氬氣按GB/T4842標準要求，純度達到99.99%以上，但當水分含量達到20ppm時，也會出現大量的致密氣孔，當空氣相對濕度超過80%時，如果不采取加熱等措施，焊縫就會明顯出現氣孔。同時，采用小電流慢速焊，加大焊縫冷卻時間，并利用焊絲電弧進行熔池攪動，可以較好的幫助氣體排出熔池。

(3)焊縫變形和形成裂紋傾向大。鋁的線膨脹系數和結晶收縮率約比鋼大兩倍，易產生較大的焊接變形的內應力，對剛性較大的結構將促使熱裂紋的產生。

(4)鋁的導熱系數大(純鋁0.538卡/Cm.s.℃)。約為鋼的4倍，因此，焊接鋁和鋁合金時，比焊鋼要消耗更多的熱量。

(5)合金元素的蒸發的燒損。鋁合金中含有低沸點的元素(如鎂、鋅、錳等)，在高溫電弧作用下，極易蒸發燒損，從而改變焊縫金屬的化學成分，使焊縫性能下降。

(6)高溫強度和塑性低。高溫時鋁的強度和塑性很低，破壞了焊縫金屬的成形，有時還容易造成焊縫金屬塌落和焊穿現象。

(7)無色彩變化。鋁及鋁合金從固態轉為液態時，無明顯的顏色變化，使操作者難以掌握加熱溫度。

二、常見鋁合金結構焊后調修方式

2.1 機械矯正 機械矯正是根據焊件的結構形狀、尺寸大小、變形程度、使用錘擊、壓、拉等機械作用力，對焊接變形進行矯正.機械矯正的基本原理是將焊接變形后尺寸縮短的部分用機械外力加以延伸，并使之與尺寸較長的部分相適應，恢復到所要求的形狀。

2.2 火焰調修 火焰調修是利用金屬具有熱脹冷縮性質，對焊后變形構建進行反變形的一種方法。影響火焰調修效果的因素主要是火焰熱量和火焰加熱位置。一般來說，熱量越大，矯正能力越強，但熱量過大會造成結構性能的下降，對于鋁合金來說，火焰調修溫度控制在175攝氏度左右，這個溫度對焊接結構的硬度跟強度都不會產生太大影響。溫度超過200攝氏度，焊接結構的硬度明顯降低，拉伸斷裂處隨加熱溫度的升高方向移動。

火焰調修是目前鋁合金機構焊接焊后調修中應用廣泛的一種調修方式。是基于德國鋁合金焊接調修成熟的工藝技術上，結合實際工藝特點指點的一套鋁合金焊接后的火焰調修技術工藝參數。調修過程中的溫度控制十分重要，我廠通常采用氧-乙炔焰進行調修。烤槍火焰與工件角度一般在75度到80度之間，調修溫度一般控制在150攝氏度到180攝氏度之間，但對于變形量比較大的結構，溫度會適當提高，對于操作者的經驗，技術要求很高，烤槍走向及火焰高度也十分重要。

三、武漢5號線車頂調修

3.1 車頂易出現狀況 由于車頂全長21M，整車沒有基礎平臺，一位端、二位端各有一處800mm長的通風口，焊接后由于中間位置沒有支撐，使得車頂通風口處由于焊接變形使得內高低于公差8mm，并且極難矯正，常用方法效果甚微，若火焰調修溫度過大還會影響整塊車頂強度。武漢五號線車頂合成由焊接機械手焊接，使得焊后變形大，使得整車內高急劇下降，焊縫特殊按正常火焰調修內高無明顯效果；

3.2 制作制作車頂正裝反變形 車頂正裝小件焊接前需要車頂兩端各下拉40mm預制反變形撓度，由于正裝工裝較低下拉力較大，預制撓度要使用手拉葫蘆，手拉葫蘆為鋼鏈拉動形式鋼鏈分布在整個車頂上，拉動時鋼鏈移動易劃傷車頂園頂板和車頂邊梁擋水板。根據圓頂板結構和受力情況制作保護墊板，防止車頂下拉時手拉葫蘆鋼鏈對車頂板產生劃傷，同時在通風口處增加兩個千斤頂，將通風口處向上頂起15mm的反變形，然后進行焊接車頂小件。

3.3 調修方案 由于車頂變形問題比較特殊，所以采用兩種調修方法為一體。

具體操作步驟如下：

1.焊接車頂小件時由于焊接應力較大，會使車頂中間通風口處下榻，焊接完成后要對下榻處進行一次火焰調修，調修方法為，對中間車頂板兩段焊縫進行火焰調修，溫度控制在170度左右，方向向一位端、二位端進行調修。知道公差尺寸為標準公差尺寸+5為準。

2.火焰調修時火焰采用藍細火焰，乙炔放出量減小氧氣放出量加大，火焰呈現藍細狀態，由于火焰細溫度集中擴散能力小，調修時避免了焊縫兩側車頂板鼓包現象，調修時速度控制不要太快也不要太慢，反復練習幾次。

3.遇到變形較大的位置要降低運行速度，在火焰加熱焊縫時降低火焰運行速度，由于焊縫為立筋式結構焊縫厚度大，降低運行速度使加熱溫度完全滲透，上下溫度均勻保持在150-180℃。

4.帶溫度為室溫時，用3米長的平尺進行8點測量，中間位置由于內高回彈，要進行二次火焰調修，從而保證了車頂內高公差在384(-3+5)mm范圍之內。

5.采用線型加熱法，對焊縫邊緣棱線位置加熱，溫度控制在150攝氏度以下，調修方向為，由變形處向一位端烤修：①先加熱中間板焊縫處；②再加熱兩側型材棱邊處；③最后加熱型材外棱線處。

6.待車頂自然冷卻后，與樣板進行比對，經確定尺寸后，依次進行逐次調修，可視實際情況決定調修次數，通常需要3次反復火焰烤修操作。

四、結束語

經過上述的調修方式，最終滿足工藝要求和尺寸公差。使用了新的調修方法解決了武漢五號線整車內高低的問題，有效的控制了車頂車頂尺寸，同時大大提高了產品的質量.同時也為后續車型生產打下良好的基礎。