鋁及鋁合金的調(diào)修解析

王立國 艾啟文

【摘 要】在城市的發(fā)展中人口不斷的增加，高鐵、城市軌道鐵路客車速度的不斷提高，地鐵是最佳出行交通運輸工具。鋁合金和碳纖維等材料組成的車體.由于其最大優(yōu)點是工藝性好、重量輕、耐腐蝕、減少運行成本和維護成本。車體結(jié)構(gòu)參數(shù)涉及范圍廣，工藝尺寸要求嚴格，并且隨著多年的使用業(yè)已經(jīng)成熟。本文主要針對鋁合金焊接后產(chǎn)生的變形，如何控制鋁合金車體焊接后產(chǎn)生的變形和矯正，通過典型車體部件的變形量控制過程，解決方法，改進方式闡述鋁合金車體尺寸控制，保證車體結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求。

【關(guān)鍵詞】鋁；鋁合金；焊接；變形；調(diào)修

引言：由于鋁合金的特殊性能，本身熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)大，鋁及鋁合金還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的強度，對熱和光都具有良好的反射率，磨削時無火花和無磁性等特點。加上車體結(jié)構(gòu)有閉式空型材機構(gòu)及開式板梁型結(jié)構(gòu)，使得焊后幾何尺寸發(fā)生變化，造成車體結(jié)構(gòu)形狀位置公差難以達到標準要求。所以，在實際應(yīng)用中，解決這些問題成為了生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而技術(shù)人才中有著豐富實際經(jīng)驗和崗位操作技能的技術(shù)工人是不可或缺的重要組成部分。

然而在這些鋁合金車體項目在實際生產(chǎn)中，由于鋁合金本身焊接新的特點，加上車體結(jié)構(gòu)有閉式空型材機構(gòu)及開式板梁型結(jié)構(gòu)，使得焊后幾何尺寸發(fā)生變化，造成車體形位公差難以達到標準要求。在實際生產(chǎn)中，保證車體的技術(shù)要求成為關(guān)鍵步驟。

一、鋁合金結(jié)構(gòu)焊接特點

1、鋁合金分類

A、可熱處理合金該類合金是通過加工強化和固溶強化來獲得所需要的強度。

B、不可熱處理合金

材料的強度和硬度依靠合金成分和熱處理（固溶處理和淬火+自然或人工時效處理生成的細小彌散強化）獲得。

在鋁合金地鐵和高速客車上主要使用為6xxx系及7xxx系鋁合金材料

2鋁合金的物理、化學性能

通過表格可以看出，鋁合金的線膨脹系數(shù)最大，是鋼的1倍，比熱大，是鋼的2倍，密度小，晶型是面心立方，沒有同素異構(gòu)的轉(zhuǎn)變，塑性好，無低溫脆性轉(zhuǎn)變，但強度比較低。

鋁的導(dǎo)熱系數(shù)很大，在相同的工藝條件下，鋁熔合區(qū)的冷卻速度是高強鋼的4-7倍。

3鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。所以，鋁凝固時的體積收縮率較大，焊件的變形個應(yīng)力較大，因此，需要采取預(yù)防焊接變形的措施。

鋁及鋁合金的材料特點及焊接特點決定需要采用比較大的熱入量的焊接規(guī)范進行焊接，從而導(dǎo)致鋁合金結(jié)構(gòu)焊接后變形量大，線性尺寸不易保證，焊后需要進行調(diào)修才能滿足結(jié)構(gòu)要求。

二、鋁合金車體發(fā)展過程

鋁合金車體具有重量輕、耐腐蝕、外觀平整度好和易于制造美觀車體而受到世界各城市交通公司和鐵道運輸部門的歡迎，截至目前，一線城市和大部分省會城市及部分計劃單列市都進行地鐵的建設(shè)，還有很多城市的地鐵建設(shè)在審批中。

鋁合金車體經(jīng)歷了板梁結(jié)構(gòu)鋁合金車體、板梁和型材混合結(jié)構(gòu)鋁合金車體、完全閉式型材結(jié)構(gòu)鋁合金車體3個發(fā)展過程。板梁結(jié)構(gòu)鋁合金車體由于焊接變形大，必須通過增加板厚來獲得剛度，減重效果不明顯，車體平整度不理想，因此，在鋁合金車體的發(fā)展過程中，純板梁結(jié)構(gòu)鋁合金車體的數(shù)量并不多。為了減輕車體自重，有的國家也曾采用板梁和型材混合結(jié)構(gòu)，板梁部分采用電阻焊工藝，型材連接采用MIG焊工藝，這樣可大量節(jié)約型材開模費，降低車體制造成本，但此工藝相對比較繁瑣，剛度較差，除日本外，很少有其它發(fā)達國家采用。閉式型材結(jié)構(gòu)或開閉式混合結(jié)構(gòu)，是目前世界上采用最多的結(jié)構(gòu)。其制造工藝簡單，車體平整度、剛度均較好。

三、鋁及鋁合金結(jié)構(gòu)焊后調(diào)修的方式

1、錘擊法

錘擊法是最簡單快速的矯正或調(diào)修方法，一般實用于5mm以下的鋁合金板材矯正，30mm以下的型材變形量在3mm以內(nèi)使用這種方法。而且在調(diào)修時盡量使用橡膠錘或木錘，以免對母材產(chǎn)生傷害。

2、壓力調(diào)修矯正法

壓力矯正鋁合金一般只適合用于板材的調(diào)修，鋁合金板材對接結(jié)構(gòu)可以采用壓力調(diào)修。壓力調(diào)修是采用外加壓力的方式對鋁合金焊接件的平度進行矯正，一般使用壓力機或使用壓鐵，優(yōu)點在于不需要對焊接件進行再次加熱處理，缺點在于受設(shè)備及結(jié)構(gòu)的影響局限性比較大，一般只使用于平板對接結(jié)構(gòu)。另外壓力過大對焊縫及焊接熱影響區(qū)的內(nèi)部組織影響較大，可能產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。內(nèi)部出現(xiàn)顯微裂紋等缺陷。

3、火焰調(diào)修矯正法

火焰調(diào)修是利用金屬具有熱脹冷縮性質(zhì)，對焊后變形構(gòu)件進行反變形的一種方法。影響火焰調(diào)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(jié)構(gòu)性能的下降，對于鋁合金來說，火焰調(diào)修溫度控制在120攝氏度左右，這個溫度對焊接結(jié)構(gòu)的硬度跟強度都不會產(chǎn)生太大影響。溫度超過200攝氏度，焊接結(jié)構(gòu)的硬度明顯降低，拉伸斷裂處隨加熱溫度的升高方向移動，可能導(dǎo)致鋁合金母材熔化，造成母材強度下降，產(chǎn)生不必要的影響。

鋁合金火焰調(diào)修過程中的溫度控制十分重要，一般使用丙烷或霞普氣作為介質(zhì)進行加氧氣調(diào)修，火焰控制大、中、小火，根據(jù)板厚不同、變形量的大小不同進行調(diào)整火焰的大小，調(diào)修溫度一般控制在120攝氏度以下，板厚大于25mm時可以達到180攝氏度左右，但不能超過200攝氏度，對于變形量比較大的結(jié)構(gòu)，溫度會適當提高，對于操作者的經(jīng)驗，技術(shù)要求很高，烤槍走向及火焰高度的選擇也十分重要。

火焰的走向一般為點、線、三角形、或鋸齒型走向加熱；點狀加熱適用于鋁合金薄板調(diào)修，線狀一般適用于普通焊縫加熱調(diào)修，三角形適用于8-15mm的板材調(diào)修，而鋸齒形適用于焊縫超過20mm的厚板調(diào)修，尤其在攪拌摩擦焊接后的變形調(diào)修，更適用。

四、以國內(nèi)某鋁合金地鐵車側(cè)墻弧形調(diào)修為例

1、檢測地鐵車體外弧形是向外凸還是向內(nèi)凹，根據(jù)凸凹確定調(diào)修方案。

2、下面根據(jù)外凸的弧形設(shè)立調(diào)修方案：

2.1當檢測弧形凸出4mm時，確定使用中火調(diào)修；門立柱處使用大火調(diào)修；

2.2確認凸起點在焊縫位置還是在型腔位置，當在焊縫位置時，使用直線型對焊縫進行加熱，溫度控制在100攝氏度即可；當在型腔位置時，使用點狀加熱，延凸起方向每隔100mm加熱一點，一直延續(xù)到門立柱處。自然冷卻即可達到技術(shù)要求的1.5mm以內(nèi)。

2.3、當門立柱凸出時，以弧形中心為分界，下面500mm，上面700mm處加熱，從下往上延門立柱外角順序加熱，在弧頂處加熱大一些，溫度110度左右，一次性可以收縮3-4mm，可以達到技術(shù)要求。

五、結(jié)論

經(jīng)過上述的調(diào)修方式，最終滿足工藝要求和尺寸公差。由于鋁合金的特殊性，加熱次數(shù)的增多，其強度會下降，最多只允許調(diào)修3次，為了保證焊接強度，避免調(diào)修或盡量減少調(diào)修次數(shù)，在組對鋁合金車體時做出必要的反變形量，來抵消焊接變形，從而直接獲得技術(shù)要求的形狀，這一課題一直在工藝部門、一線員工的努力下在完成。

中國鋁合金車體制造技術(shù)起步高、發(fā)展快，很多技術(shù)是在發(fā)達國家成熟技術(shù)上的再次飛躍，但鋁合金制造技術(shù)是一個綜合的技術(shù)，不是有先進的設(shè)備、成熟的理念就能實現(xiàn)一流的制造質(zhì)量。隨著國家‘一帶一路的全球發(fā)展計劃，地鐵、高鐵走出國門，已經(jīng)不是夢想，中國創(chuàng)造必將閃耀世界。

參考文獻：

[1] 王炎金，丁國華.鋁合金車體制造關(guān)鍵技術(shù)研究.

[2] 王炎金，丁國華，王俊玖.鋁合金車體制造技術(shù)在中國的發(fā)展現(xiàn)狀和展望.焊接.

（作者單位：長春軌道客車股份有限公司鋁車體車間）