鋁合金列車側(cè)墻制造及其質(zhì)量控制

文/朱瑞（中車大連機(jī)車車輛有限公司） 編輯/丙甲

1. 軌道列車鋁合金的應(yīng)用

近年來(lái)，各種焊接結(jié)構(gòu)越來(lái)越多地采用鋁合金材質(zhì)，使用鋁合金型材作為車體結(jié)構(gòu)的主要材質(zhì)有很多優(yōu)點(diǎn)。

輕量化，鋁合金具有良好的剛性特性，同時(shí)密度比不銹鋼要低，能有效地降低列車車體的重量。

低能耗，由于鋁合金材質(zhì)能有效地降低列車車體的重量，所以列車在運(yùn)行的過(guò)程中能有效地降低能耗的損失，同時(shí)也便于制動(dòng)與牽引。

耐腐蝕，由于鋁合金自身的特質(zhì)，鋁合金表面會(huì)被氧化形成一層致密的氧化鋁，對(duì)鋁合金母材進(jìn)行保護(hù)。

鋁合金材質(zhì)由于本身的物理特性，導(dǎo)致在焊接的時(shí)候需要控制好周圍環(huán)境的溫度和濕度。并且由于鋁合金在焊接受熱后容易變形，在列車側(cè)墻拼接組焊的時(shí)候?qū)Τ叽?、?zhǔn)確度、精準(zhǔn)度的控制是很困難的。所以鋁合金焊接對(duì)焊接工藝和電焊工的技術(shù)很高，這是目前鋁合金列車生產(chǎn)中的難點(diǎn)。

綜上所述：由于鋁合金優(yōu)點(diǎn)比較突出，其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)大于缺點(diǎn)，故其可以成為現(xiàn)代化新型輕量化列車的首選材質(zhì)之一。

在日常生產(chǎn)中我們通過(guò)以下的制造工藝與焊接工藝，來(lái)彌補(bǔ)鋁合金材質(zhì)性能的缺點(diǎn)，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

2. 側(cè)墻結(jié)構(gòu)及制造工藝

2.1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)

側(cè)墻組成是由鋁合金型材板組裝焊接形成，側(cè)墻采用分塊模式化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，便于加工，自身質(zhì)量小，便于調(diào)運(yùn)，外觀美觀。列車的側(cè)墻是由多個(gè)不同或相同的分塊側(cè)墻所組成，每個(gè)分塊側(cè)墻首先是由多個(gè)不同的鋁合金側(cè)墻板型材組焊一起，再由機(jī)械加工中心對(duì)分塊側(cè)墻的窗口及其滑槽位置進(jìn)行加工，最后將左立柱鋁合金型材與右立柱鋁合金型材及其窗口補(bǔ)板進(jìn)行組焊。為了避免門角、窗角應(yīng)力集中，均采用圓弧過(guò)渡形式，窗口的圓弧形是由機(jī)械加工中心加工而來(lái)，門角是因?yàn)閭?cè)墻是分塊側(cè)墻結(jié)構(gòu)，所以門角是在與車頂組裝連接時(shí)候進(jìn)行組焊實(shí)現(xiàn)。

▲ 圖1 分塊側(cè)墻組成

▲ 圖2 側(cè)墻組成

2.2 制造工藝

鋁合金列車是由多塊分塊側(cè)墻與車頂、底架、端墻等車體部件組成，每個(gè)部件的制造質(zhì)量直接關(guān)系車體組成的質(zhì)量。分塊側(cè)墻制造工藝主要包括焊接機(jī)器自動(dòng)焊接工藝、機(jī)械加工工藝、焊前焊后焊縫區(qū)域的表情打磨處理的工藝及焊縫檢測(cè)等制造工藝。

為了提高自動(dòng)焊接的效率，制造一塊分塊側(cè)墻分為以下四步。

（1）下料：首先將側(cè)墻長(zhǎng)大型材板根據(jù)不同的分塊側(cè)墻的尺寸進(jìn)行對(duì)應(yīng)截料。

（2）組焊分塊側(cè)墻型材板：將截好尺寸的側(cè)墻型材板進(jìn)行組對(duì)，對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行打磨，使用自動(dòng)焊接設(shè)備進(jìn)行組焊，焊接完后將整張分塊側(cè)墻翻轉(zhuǎn)，對(duì)反面焊縫區(qū)域打磨，再用自動(dòng)焊接設(shè)備進(jìn)行組焊。

（3）加工分塊側(cè)墻：將組焊好的分塊側(cè)墻調(diào)運(yùn)至機(jī)械加工中心，加工窗口和加工出需要焊接左右立柱的位置，并且在加工中心處對(duì)窗口的尺寸進(jìn)行有效的把控。

（4）組焊左右立柱：加工完后的分塊側(cè)墻調(diào)運(yùn)到左右立柱組焊胎，對(duì)左右門立柱和側(cè)墻板正反面焊縫進(jìn)行壓緊、打磨、焊接，提高部件裝配精度，減少部件裝配誤差，從而提高分塊側(cè)墻裝配質(zhì)量。

▲ 圖3 側(cè)墻制造工藝流程圖

3. 側(cè)墻焊接及其質(zhì)量控制

鋁合金側(cè)墻是由多個(gè)型材板焊接組成，正反面共有多個(gè)長(zhǎng)大焊縫，這些焊縫均是由SMC焊接機(jī)器人進(jìn)行組焊。焊接過(guò)程中，由于鋁合金本身導(dǎo)熱性和線性膨脹系數(shù)均很大，分別是鋼的5倍和2倍，因此鋁合金焊接變形也會(huì)相應(yīng)增大，所以如何有效控制焊接變形才是鋁合金在焊接過(guò)程中需要克服的主要難題。鋁合金焊接變形有多種因素的影響，例如材料剛度、焊接結(jié)構(gòu)、外加防變形的約束力、焊接電流及速度、冷卻方式等很多因素。

在生產(chǎn)中控制變量的方法有以下幾種。

（1）工裝模具法：焊接長(zhǎng)大側(cè)墻型材板時(shí)，設(shè)計(jì)工裝用液壓夾具對(duì)側(cè)墻型材進(jìn)行夾緊固定。

（2）工藝放量法：通過(guò)下料時(shí)對(duì)側(cè)墻型材板進(jìn)行放量截料來(lái)抵消焊接時(shí)候的收縮。

（3）控制工藝參數(shù)：通過(guò)合理選擇工藝方案和嚴(yán)格控制工藝參數(shù)來(lái)減少焊接變形是實(shí)際生產(chǎn)中最常用的方法。第一步，通過(guò)采用分段焊接方式以降低焊接熱輸入； 第二步，合理的焊接順序，使焊接工件在各個(gè)方向的受熱均勻，盡量采用先內(nèi)后外，先短焊縫后長(zhǎng)焊縫的對(duì)稱焊法。

▲ 圖4 側(cè)墻焊接順序

（4）反變形法：提前將側(cè)墻工藝變形的變化量通過(guò)工藝放量進(jìn)行補(bǔ)充，將側(cè)墻加工成扇形，這樣在焊接左右立柱完后，可以得到較好的側(cè)墻。

（5）焊接后調(diào)修：對(duì)側(cè)墻型材板焊接完后，用火焰進(jìn)行調(diào)修。

由于鋁合金對(duì)光和熱具有很強(qiáng)的反射，所以在焊接的過(guò)程中，融化后填充部分處的顏色變化不明顯，焊接過(guò)程很難控制融化程度和判斷質(zhì)量，極其容易造成焊接缺陷，其常見的焊接缺陷有表面可見的如氣孔、裂紋和咬邊等，也有隱藏在焊縫里的未焊透和未完全融合等問(wèn)題。

為了減少或者避免鋁合金側(cè)墻在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷，保證焊接的質(zhì)量，我們采用以下幾種措施。

其一，焊前清理。焊接前對(duì)鋁合金母材用擦油紙進(jìn)行擦拭，再用角磨對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行打磨。

其二，選擇合適焊接填充材質(zhì)。選擇合適鋁合金焊絲可以有效降低焊接過(guò)程中出現(xiàn)裂紋。

其三，選擇合適的焊接保護(hù)氣。我們采用選擇高純度的氬氣作為焊接保護(hù)氣，它能有效減少活性氣體對(duì)焊接的影響。

其四，控制焊接環(huán)境的濕度和溫度。利用多組大功率空調(diào)組，對(duì)焊接環(huán)境的濕度和溫度進(jìn)行控制，減少焊接過(guò)程由于濕度過(guò)大出現(xiàn)的氣孔。

鋁合金材質(zhì)運(yùn)用于軌道列車車體制造，尤其是運(yùn)用于側(cè)墻時(shí)要保證車體的強(qiáng)度。不光要保證好側(cè)墻的組成的尺寸，還要確保側(cè)墻每條焊縫的質(zhì)量。

通過(guò)理論結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，針對(duì)側(cè)墻制造中的焊接工藝和問(wèn)題分析，能夠有效提高鋁合金側(cè)墻組成和焊接的質(zhì)量，提高生產(chǎn)的效率。