鋁合金地鐵車輛車頂焊接變形研究

林詩涵

摘要：本文對廣州十三號線地鐵車輛全鋁結(jié)構(gòu)車頂焊接生產(chǎn)過程進(jìn)行深入研究，通過對全鋁結(jié)構(gòu)車頂焊接前后斷面尺寸的測量和統(tǒng)計(jì)分析，得出變化趨勢并進(jìn)行理論分析，歸納A型鋁合金軌道車輛車頂焊接過程中產(chǎn)生的焊接變形，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)找出控制焊接變形的方法。對鋁合金軌道車輛生產(chǎn)有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：鋁合金車頂;焊接變形;變形分析;變形控制

1 ?廣十三車輛車頂變形分析

廣十三車輛Mp車頂組成由側(cè)頂板組成、中頂板組成和空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成。其中側(cè)頂板組成由上下兩塊側(cè)頂組焊加工而成，中頂板組成由五塊中頂板型材組焊而成，空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺由五塊空調(diào)機(jī)型材組焊加工而成。

廣十三車輛頂棚焊縫分布復(fù)雜，本文只對影響較大的結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行分析。從結(jié)構(gòu)來看，對車體變形影響較大的焊縫主要有數(shù)條沿車長方向的縱焊縫，以及沿車體橫向分布的橫焊縫。

沿車長方向的縱焊縫主要存在于側(cè)頂板組成型材組焊、中頂組成型材組焊、空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成型材組焊、側(cè)頂板組成與中頂板組成組焊、側(cè)頂板組成與空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成組焊結(jié)構(gòu)中。由于型材受自重約束，頂棚焊接生產(chǎn)過程中縱焊縫焊接收縮變形，主要的影響表現(xiàn)為中頂板組成旁彎，中頂板組成沿車寬方向收縮;中頂板組成型材組焊和空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺型材組焊時易出現(xiàn)焊后橫向截面輪廓尺寸偏差，焊縫附近少量波浪變形;側(cè)頂板組成與中頂板組成組焊，和側(cè)頂板組成與空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成組焊時會影響車體橫向?qū)挾瘸叽纾饕憩F(xiàn)為頂棚內(nèi)寬超極限公差下差以及空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成內(nèi)高不足。由此可以看出，頂棚縱向焊縫主要影響頂棚寬度方向三維尺寸。

沿車寬方向分布的橫焊縫主要是空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成與中頂板組成大部件焊接時的焊縫。同樣受型材自重及生產(chǎn)工序影響，頂棚橫焊縫對頂棚變形的影響同樣表現(xiàn)為焊縫的橫向收縮產(chǎn)生的角變形。即表現(xiàn)為頂棚焊接后頂棚撓度小于頂棚預(yù)制撓度，甚至頂棚整體反撓。由此觀之，車體橫焊縫主要影響車長方向三維尺寸即頂棚撓度。

2 ?頂棚焊接變形控制

在大批量鋁合金車輛生產(chǎn)過程中，應(yīng)采用大的熱輸入量，焊接結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生變形，必須采取必要措施對焊接變形加以控制，這是列車車體制造過程中非常重要的一個方面。在頂棚制造過程中，對焊接變形的控制方法主要有以下幾個方面：

2.1 剛性固定工裝

廣十三車輛頂棚在制造過程中，通過采用適當(dāng)?shù)姆椒▉碓黾雍讣木惺龋梢赃_(dá)到減小焊接變形的目的。根據(jù)頂棚結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了保證焊接后形位尺寸，利用剛性固定工裝和剛性支撐桿來解決焊材剛性固定的問題。

例如側(cè)頂板焊接過程需要對側(cè)頂板一和側(cè)頂板二進(jìn)行剛性固定;除此之外，中頂結(jié)構(gòu)，空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺，以及頂棚大部件組焊過程也同樣需要剛性固定工裝，工裝簡圖見圖2。

因?yàn)楣潭C(jī)構(gòu)為部件焊接專用工裝，所以生產(chǎn)過程中工件的擺放應(yīng)嚴(yán)格遵守工藝尺寸和相應(yīng)擺放順序。組焊前應(yīng)確保剛性夾緊裝置正確夾緊焊件;確保剛性支撐桿裝載位置正確，支撐強(qiáng)度滿足收縮強(qiáng)度需求。

2.2 預(yù)制反變形

焊縫的橫向收縮會使焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生角變形。根據(jù)焊接件的變形規(guī)律，在焊前預(yù)先將焊接件向著與焊接變形的相反方向進(jìn)行人為的變形，使之達(dá)到抵消焊接變形的目的。在焊接之前就對焊接結(jié)構(gòu)預(yù)制反變形，預(yù)制的反變形角度恰當(dāng)?shù)那闆r下可以很好地消除焊接變形。在生產(chǎn)中采用此方法控制焊接變形的地方很多。

中頂板組成和空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成焊接過程過程類似，在沿車寬方向通過調(diào)整支撐工裝不同位置的支撐高度，對中頂組成和空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成預(yù)制焊接反變形，反變形量根據(jù)工件焊接時產(chǎn)生的焊接角變形確定。

側(cè)頂板組成焊接過程變形比較復(fù)雜，因此反變形控制方式也比較復(fù)雜。為保證焊接后側(cè)頂板組成直線度，消除焊后側(cè)頂板組成旁彎，應(yīng)考慮側(cè)頂板一和側(cè)頂板二剛度差別引起的焊接過程中焊縫兩側(cè)拘束度的差異。在預(yù)制反變形時應(yīng)將剛度大的工件向遠(yuǎn)離剛度小的工件方向進(jìn)行彎曲固定。沿車寬方向的變形同中頂板組成焊接反變形控制方法。

頂棚大部件合成過程中，應(yīng)完成側(cè)頂板組成與中頂組成和空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成焊接時的縱焊縫焊接反變形，同時應(yīng)預(yù)制中頂板組成與空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成沿車體橫向方向的橫焊縫焊接反變形。以上預(yù)制反變形時應(yīng)滿足足夠的剛性支撐，保證反變形工藝切實(shí)落實(shí)到生產(chǎn)工序中。

2.3 優(yōu)化焊接順序

焊接工件在焊接時，應(yīng)綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)過程焊縫兩側(cè)拘束度、散熱等客觀條件差異的影響，制定切實(shí)可行的焊接順序，以降低焊接變形量。例如需要雙面焊縫施焊的工件，焊接時因?yàn)榈谝坏篮缚p拘束度完全取決于固定裝置。而第二道焊縫焊接時除受固定裝置影響外，第一道焊縫對第二道焊縫也形成了約束條件，使得第二條焊縫焊接變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第一條焊縫焊接時產(chǎn)生的變形量。

遵循以上原理，頂棚焊接反變形主要作用于焊接過程第一道焊縫位置。確定適當(dāng)?shù)暮附禹樞蛞员ＷC在反變形作用下，焊后工件更接近期望狀態(tài)。側(cè)頂板組成、中頂板組成、空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成組焊等各部件焊接過程中，應(yīng)優(yōu)先焊接車內(nèi)側(cè)的焊縫，其次才焊接車體外側(cè)方向焊縫。頂棚大部件合成過程，因?yàn)楹附訔l件的局限性，只能優(yōu)先焊接車輛外側(cè)焊縫，因此應(yīng)保證合成時有足夠的反變形支撐結(jié)構(gòu)。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，頂棚大部件組焊時應(yīng)當(dāng)頂先焊接側(cè)頂板組成與中頂組成間焊縫;然后焊接空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺堵板與中頂組成間焊縫;再然后焊接空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺與側(cè)頂板組成焊縫，要求兩側(cè)焊工同時同速焊接;最后待正面結(jié)構(gòu)焊縫冷卻后，焊接頂棚正面小件以及反面焊縫。

2.4 對稱施焊控制變形

在頂棚生產(chǎn)過程中，大部件組焊結(jié)構(gòu)滿足對稱焊施焊條件，即側(cè)頂板組成與中頂板組成兩側(cè)焊縫、側(cè)頂板組成與空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成兩側(cè)焊縫為對稱焊縫，可以同時施焊。

對稱施焊好處在于，兩側(cè)結(jié)構(gòu)焊縫受熱狀態(tài)相近，焊縫結(jié)構(gòu)相近，焊縫冷卻進(jìn)度相近，冷卻過程中受力狀態(tài)也相近，導(dǎo)致兩側(cè)變形力相互抵消，對頂棚整體尺寸保證有良好的促進(jìn)作用。

2.5 火焰調(diào)修控制變形

軌道車輛在生產(chǎn)過程中，火焰調(diào)修作為最經(jīng)濟(jì)適用的調(diào)修方式普遍應(yīng)用與碳鋼和鋁合金車輛生產(chǎn)過程。

廣十三車輛頂棚在經(jīng)過數(shù)量眾多的焊縫焊接后，頂棚輪廓形位尺寸受焊接變形影響，造成不滿足大部件交付條件的情況。在此情況下，適當(dāng)?shù)幕鹧嬲{(diào)修能夠通過工件受熱后，一定程度上釋放焊接應(yīng)力，減小焊縫的焊接變形。

頂棚大部件火焰調(diào)修質(zhì)量主要影響因素有，調(diào)修火焰的熱輸入量（包括火焰溫度，調(diào)修時間等調(diào)修條件）和火焰調(diào)修過程大部件支撐狀態(tài)。關(guān)于調(diào)修火焰的熱輸入狀態(tài)遵循DIN8522相應(yīng)規(guī)定以及TB/T 3259火焰矯正的相關(guān)規(guī)定。

火焰調(diào)修支撐位置的選用經(jīng)過對頂棚結(jié)構(gòu)的受力分析，給出科學(xué)的支撐方案。取消了原生產(chǎn)方式支撐側(cè)頂板組成的支撐方式，選用以空調(diào)機(jī)組（受電弓）平臺組成為支撐結(jié)構(gòu)的支撐方式（見圖3）。在現(xiàn)有的支撐方式下對頂棚進(jìn)行火焰調(diào)修，能夠有效減少頂棚調(diào)修次數(shù)，能夠明顯減少調(diào)修火焰成本，明確調(diào)修交付條件。使頂棚大部件交付條件更接近整車合成后頂棚相關(guān)交付要求。

3 ?結(jié)語

綜合以上對鋁合金焊接變形及控制方法的研究、探索、試驗(yàn)及改善，產(chǎn)品品質(zhì)得到了很大的提高。我國在鋁合金車輛上的研究水平處于世界領(lǐng)先行列，解決鋁合金焊接變形控制是鋁合金車輛焊接過程中最重要的問題。本文通過對變形原理的分析，從根本上提出金屬焊接變形的原因，對于提升國內(nèi)鋁合金乃至其他金屬的焊接技術(shù)具有指導(dǎo)性意義。為包括高速列車、動車組的軌道車輛生產(chǎn)提供良好的借鑒意義，具有較高的社會價值。

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