鋁合金車體焊接變形原因及控制措施

董凈泉

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

0 引言

鋁是現代工業生產中應用最為廣泛的一種有色金屬，鋁合金憑借其密度小、抗腐蝕性強、焊接性好、加工成型好等優勢，在軌道車輛制造中得到廣泛利用。目前，我國軌道車輛的車體構成主要是通過擠壓鋁型材料生產車體型材，如底架、側墻、車頂等車體大部件都是利用與車體等長的數塊擠壓鋁型材料焊接而成，且焊縫為縱向長直平行的規則焊縫，易于實現自動焊接。由于鋁合金材料的導熱性是普通鋼鐵的5 倍，膨脹系數是普通鋼鐵的3 倍，導致在焊接作業時容易出現較大的變形[1]。為此，鋁合金車體焊接的變形控制成為焊接作業中的一大難題，考慮到有多種焊接方式，而影響焊接變形的因素較多，對如何加強鋁合金車體焊接變形的控制進行研究具有重要意義。

1 鋁合金車體變形

鋁合金車體的構成材料種類眾多，因此焊接作業過程中所形成的高溫環境極易造成車體變形。實際上，在鋁合金車體的制造過程中各車體間的窄條相互接觸，如果其中一方出現變形則必然會影響另一方[2]。同時，由于不同型材和焊點間的距離不一，導致焊接作業中所接收到的熱量不同，從而致使變形大的材料擠壓變形小的材料，進而造成鋁合金型材的整體變形。此外，在結束焊接作業后會經過后期的冷卻階段，根據熱脹冷縮原理，鋁合金型材在冷卻過程中會產生一定的收縮與形變。受車體構成材料差異影響，導致冷卻階段不同材料間的收縮程度不一，這會導致變形的情況。因此，進行鋁合金車體焊接作業時，必須對車體變形情況加以控制，從而保證制造出的車體尺寸參數與設計尺寸不存在較大誤差，確保符合車體生產質量標準要求。

2 鋁合金車體焊接變形的主要原因

造成鋁合金車體頻繁出現焊接變形且難以實現有效控制主要有以下3 個原因。

（1）與一般鋼鐵相比，鋁合金的熔點較低，約540～640 ℃[3]。但鋁的溶解熱和比熱卻要比常見金屬要高出很多，且鋁的導熱性是普通鋼鐵的5 倍。因此，對于鋁合金材料的焊接而言，需要在短時間內提供大量的熱才能實現有效焊接。同時，鋁的膨脹系數是普通鋼鐵的3 倍，在焊接作業中對于溫度和時間的控制要求更加嚴格。這也是造成鋁合金車體焊接變形頻繁出現且難以控制的關鍵因素。

（2）由于型材成型技術及車體制造成本等原因，鋁合金車體的制造過程中通常使用寬450 mm 的鋁合金，因此需要利用多塊型材進行插接組焊，從而形成車體中的大型部件模塊[4]。因為鋁合金車體焊接作業中采用的焊接方式較多、焊接累計次數多，以及焊接程度較大等作業特性，導致焊接操作難度極大，加之對焊接變形進行有效控制的手段不足，因而易出現焊接變形的情況。

（3）鋁合金車體在進行二次焊接時，受到的收縮應力與剛性壓緊應力的疊加要遠大于一次焊接所造成的焊接余應力，所以二次焊接變形程度要明顯大于一次焊接變形。

3 焊接變形控制的具體措施

針對鋁合金車體焊接變形的有效控制措施，應從盡量減小變形程度和降低焊接殘余應力入手，具體控制措施可分為焊前、隨焊和焊后3 個階段。

3.1 焊前

焊前變形控制措施主要涉及焊件結構設計、材料選擇等方面，包含預先成型、焊件支撐的選擇、焊件固定方式、焊接順序及作業規范等。首先，應改善接頭設計，采用剛度較好的型材進行插對接，并通過合理調整焊接順序、簡化焊接流程，以提高焊接效率、降低焊接次數。其次，在焊接作業前可利用如下措施：

（1）對焊接板進行數值計算和預拉伸試驗，通過預拉伸手段實現對焊接板縱向殘余應力的有效控制，從而減小焊接板平面變形和縱向撓曲變形的程度。常見的預拉伸法有機械拉伸與加熱拉伸兩種。

（2）單塊鋁合金車體型材通常為大型蜂窩鋁型材，縱向和橫向均具有較大剛度，但當利用插接點焊對兩塊型材進行焊接時，型材插口處的橫向剛度會大幅減弱，從而導致在插口兩側形成橫向變形，因此對這種變形進行控制的關鍵在于對插口處橫向收縮的抑制。以鋁合金車體側墻變形為例，因二次焊接變形比一次焊接變形大，可以通過撓度預設置工裝、預制變形工裝等預制反變形手段實現對焊接變形量的有效控制。反變形法或預變形法適用于車體的二級焊接變形控制，反變形法或剛性固定組裝法主要適用于對大部件鋁合金型材的焊接變形控制。

（3）預先利用剛性胎具或夾具固定焊接板。在鋁合金車體制造過程中，通常采用剛性固定組裝法橫向固定車體的方式規避車體的橫向變形。但這種方式有明顯的弊端，單純借助橫向壓緊抑制變形完全不夠，當完全松開剛性固定工裝后必然會出現變形的反彈情況。特別是針對要進行的二次焊接作業，不僅不能有效控制車體變形，甚至會加劇變形的程度。為此，在焊接作業前應加強對預留反變形量的關注，對型材內外兩側焊縫進行先后焊接時，當完成一次焊接后，一定要在預留反變形量后再進行剩余部位的焊接。通常情況下底架或側墻這類車體大部件預留的反變形量應控制在15～20 mm。

3.2 隨焊

隨焊變形控制措施主要是指在焊接作業過程中采用的變形控制措施，包括：

（1）完善焊接方法，降低熱傳導。當前，隨著MIG（Metal Inert-Gas welding，熔化極惰性氣體保護焊）技術的成熟與成本的降低，MIG 技術成為最常見的焊接方法，MIG 自動焊、雙絲脈沖MIG 焊技術在軌道車輛車體焊接中得到普遍應用。但MIG技術在焊接過程中會產生大量的熱量，從而導致焊接變形。為此，在采用MIG 技術時需要盡量減少焊接熱輸入，從而有效避免焊接時產生較大變形與殘余應力。

（2）改善焊接工藝參數，盡可能降低傳輸到焊接板上的熱量。定制焊接工藝參數時，重點需要考慮的參數有焊接位置、焊接母材、保護氣體及焊接接頭形式選擇等。

（3）采用冷卻法等手段，限制或縮小焊接過程中的受熱面積，控制焊接溫度。

（4）合理改進焊接順序，減少焊接作業對焊接板的影響，降低變形。必須依照預先制定的焊接順序進行焊接作業，焊接方向由內向外、由中間向兩邊，且最大限度實現焊縫的無約束收縮。通常情況下，可先對對接焊縫進行焊接；同時進行長焊縫的對角焊接，以實現多處焊縫變形的相互抵消；對于多道多層焊縫，可采用分段退焊或分段跳焊的方式，盡量分散焊接產生的熱量。

（5）引進焊接變形小、焊接應力低的新型焊接方法。與MIG技術相比，FSW（Friction Stir Welding，攪拌摩擦）焊技術具有熱量傳輸小的明顯優勢。它是通過焊接點母材的軟化塑性變形再結晶而實現焊接的一種壓力焊，能夠得到與母材性能接近的焊接頭，從而降低焊接頭對整體物理和化學性能的影響。FSW 焊基本上能夠實現所有系列鋁合金材料的焊接，在焊接過程中能夠自動破碎產生的表面氧化膜，且不會出現材料熔化情況，有效彌補傳統焊接方式中液化裂紋、氣孔及熱裂紋等缺陷[5]。而更小的熱量輸入也在極大程度上實現了對焊接變形的有效控制，適用于鋁合金車體的長直焊縫焊接，能夠顯著提升焊接質量。但FSW 對于焊接原材料、自動焊接設備以及工裝有較高的要求。考慮到國產鋁合金型材在焊接強度和基礎性能方面仍有不足，雖然時效工藝能提升型材的基體強度，但焊接強度較低，對其使用性能會造成較大影響。這不僅無法完全滿足我國軌道車輛鋁合金車體對大型鋁合金型材的需要，同時也限制了FSW 技術在鋁合金車體焊接中的應用。

（6）隨焊變形控制措施可與焊前變形控制措施共同使用，在鋁合金車體地板與邊梁長焊縫的焊接中，可在焊前制定點固工藝，以20 m 長焊縫為例，采用段焊方式，要求長度在100 mm，間隔500 mm，并于1.5 m 處放置1 t 的壓鐵。在三段焊完成之后，吊起壓鐵再運送至前1.5 m 處放下，繼續進行三段焊接。如此往復，即可有效控制焊接過程中出現的上翹變形。

3.3 焊后

鋁合金車體的焊后變形控制措施主要是對焊后殘余應力的消除以及一定的校正處理，具體方法有3 種，分別是機械調修法、火焰調修法、熱冷綜合調修法。經過焊前和隨焊變形控制后仍存有殘余應力的，則必須在對變形部位矯正后再利用火焰或冷調修兩種工藝對變形進行消除。

冷調修法主要是利用壓力機或錘擊與變形方向相反的方向進行矯形。考慮到鋁合金型材的特性，如果選擇冷調修法會導致型材損傷，同時因鋁合金車體自動焊接后大部件的變形程度一般較輕，可單獨采用火焰調修法進行矯形，并且火焰調修法還具有操作簡單、成本低廉的優勢。

由于溫度對鋁合金型材性能的影響較大，所以在調修過程中必須嚴格控制額外的熱輸入，不僅需要保證熱點、熱線及熱邊具有充足的熱輸入，以確保成功矯形，還要確保將溫度和時間控制還合理的范圍之內，以避免焊接成品強度有所下降。此外，大量的熱輸入還會導致焊接接頭甚至基材的組織性能有所降低，為此還要嚴格把控熱調修過程中的加熱溫度。結合鋁合金的熱處理特點，加熱溫度控制在175 ℃以下的矯形效果較好，熱調修后鋁合金型材的組織及力學性能均無明顯變化。對于較大的焊接變形，可以采用多次熱調修法進行處理，避免因一次熱輸入量過大而造成材料的性能下降。此外，也可以通過熱冷綜合調修法對已變形的焊件進行矯形處理。

4 結論

軌道車輛鋁合金車體制造過程中，焊接變形控制是重要組成部分，有必要通過系統、深入的研究為實際生產活動提供精確指導。深入研究軌道車輛鋁合金車體焊接變形的要點，分析造成焊接變形的主要因素，結合鋁合金車體組焊工藝提出如下控制要點：通過利用低熱輸入焊接方式，盡可能地減少焊接變形；通過合理選擇焊接調修工藝，矯正焊接變形，保證焊縫質量；通過合理選擇焊前控制方法、定向釋放應力，控制焊接變形；通過調整焊接順序及引入優化焊接新技術，規避焊接變形。這樣能夠攻克鋁合金車體焊接變形控制技術難題，為車體制造提供質量保障。