軌道車輛鋁合金車體扭曲變形焊接控制研究

唐冬前

摘 要 隨著國民經濟穩(wěn)步增長，軌道公共交通車輛需求隨之增加。近幾年，軌道交通建設規(guī)模不斷擴大，鋁合金作為軌道車輛中的重要材料，其焊接質量直接關系到車輛的整體質量，其中焊接變形是影響鋁合金焊后質量的重要評價參數(shù)素。在生產過程中，軌道車輛的車體長度、高度以及寬度，都會因為焊接熱輸入的不均勻，焊后冷卻速度不一致導致尺寸變形，尤其以車體的扭曲變形控制最難。本文從車體結構、焊接工藝角度進行分析，研究車體扭曲變形控制方法。

關鍵詞 軌道車輛;焊接應力;扭曲變形

引言

由于鋁合金比強度非常好，再有防腐蝕性能、焊接性能良好，其在軌道車輛上的應用越來越普及。但是高熱導率、高膨脹系數(shù)也給鋁合金的焊接生產帶來了困難，在箱體結構的焊接過程中，由于拘束應力的作用，導致輪廓尺寸比較難以保證。通過在結構設計過程中進行厚度補強、擠壓型材等手段能起到很好的優(yōu)化。但焊接的熱收縮會使不同的板厚收縮不同，易在客室門、窗框等拐角位置釋放殘余應力，造成型材表面凸起或內凹。減小高頻啟閉車門對運行列車安全的影響顯得尤為重要，必須保證客室門框的對角線誤差，以及客室門位置車體的對角線誤差，這對焊接變形控制提出了更高要求。

1 鋁合金車體的組成

根據(jù)列車編組的數(shù)量不同，鋁合金車體大致可以分為Tc車、M車、Mp車。其中Tc車是頭車部分，M車、Mp車結構類似，本文以M車為討論對象。車體由底架、側墻單元、端墻、頂蓋四大主要板塊組成（見下圖1.2.3.5所示）。底架是安裝電器控制柜體、承受客室重量的主要結構，剛性、強度最大。頂蓋用來承載空調、客室門、門驅，以及裝配車內頂層附件。側墻單元是連接頂蓋和底架的部分，固定車門、安裝側窗。兩端的端墻是密閉車體形成車體穩(wěn)定箱體結構，連通兩節(jié)車廂部分[1]。

2 車體組焊扭曲變形產生的主要原因

車體的四大板塊都有承重、安裝電器等功能，任何一個部分的失效問題都會影響列車的安全運行，所以在設計環(huán)節(jié)進行了大量結構計算和模擬分析，對有效部分進行厚度補強、型材加強，尤其是客室的四個門角采用的是鍛造鋁合金整體加工防止應力在拐角位置垂直相交。這種結構設計導致截面變化，剛度分布不均、受熱不均勻、板厚不同散熱不一致。在相對的兩個客室門位置如果出現(xiàn)到相互之間的對角線差值超出某一約定范圍，就出現(xiàn)了車體扭曲。是車門無法安裝、閉合、客室滲水的根本原因。主要要表現(xiàn)為車體端部某一處角或其相對角尺寸明顯偏大[2]。

3 焊接變形的控制方法

3.1 選取相對固定不變的基準面、檢查液壓工裝拉緊情況

選取相對固定不變的枕梁加工平面為整個車體的裝配基準面，采用拉緊裝置將枕梁與地面基礎工裝進行剛性固定，保證底架兩端的基準在水平方向的誤差為零。底架吊裝完成后，打開拉緊裝置液壓機，檢查底架拉緊裝置是否垂直、晃動，檢查油管線路是否有漏油現(xiàn)象，逐一檢查。觀察壓力表核實是否存在泄壓現(xiàn)象，壓力穩(wěn)定的情況下可以保證底架與工裝

3.2 正確的裝配順序，精準地預留焊接收縮余量

保證側墻與頂蓋、底架的外輪廓對接面裝平，按工藝要求進行段焊點固。在車體結框架構結構搭建后，調整客室門對角線、高度、寬度，用撐桿對尺寸進行調節(jié)。結合段焊順序、方向進行收縮量預留，對車體內側及門框厚度位置進行段焊點固。然后檢查相對客室門間的寬度、側墻單元上側窗位置的寬度。根據(jù)尺寸變化情況用拉緊帶、撐桿對寬度進行調節(jié)，使組裝的應力轉移朝向長度方向的端墻側，有利于應力從出口釋放[3]。

3.3 采用高效焊接方法，合理焊接工藝

MIG自動焊目前被證明是一種高效、優(yōu)質的焊接方法，廣泛應用于軌道車輛行業(yè)，尤其是鋁合金材料的焊接。集中的焊接熱能使焊接速度可以達到80～100mm/min。在多層多道焊接過程中控制多道焊層間的焊接溫度在60～120攝氏度之間。采用先焊長縫，再焊短縫的焊接順序。長縫產生的焊接應力大，但可以先形成穩(wěn)定的框架結構，利用結構自身的穩(wěn)定性內外側同時施焊，焊接產生的應力能夠相互抵消一部分。同時選用沿車廂中心向兩側對稱施焊方法。一方面車體長度方向產生的收縮應力減小，另一方面焊接應力同步焊接方向指向兩端，利于應力釋放。待長度方向的焊縫全部完成，重新復核車體各門框位置對角線，也采用從中間向兩端調整順序，最后封閉端墻，減小焊接殘余應力。（如下圖標示）

3.4 焊后變形的控制，整體冷卻

車體結構焊接完成后，在剛性固定的約束下待整體溫度降到室溫再脫胎。焊接過程的不均勻加熱是產生焊接變形的主要原因，焊后采用整體冷卻，讓厚度大且溫度高的地方和整體結構保持溫度連續(xù)冷卻，相互制約平衡，利于焊接殘余應力的均勻分布。避免在薄壁的板材表面形成急劇的表面變化形成內凹和外凸。

3.5 超差變形的修復，反撐變形較小的車體對角線

如果前述部分工藝措施在作業(yè)過程中沒有執(zhí)行到位，造成了車體扭曲變形。在后期的返修過程中可以對車體對角線小的一側進行反撐，調整到比反撐后的對角線多出收縮余量值，按照正常焊接工藝進行返修，也能挽回一些扭曲造成的差值[4]。

4 結束語

綜上所述，在對鋁合金車體結構焊接過程中，出現(xiàn)焊接變形是很常見的，通過正確的裝配順序，精確地預留焊接收縮余量;采用高效焊接方法，合理焊接工藝、整體冷卻等工藝措施，能夠保證車體扭曲尺寸在控制范圍以內。如果工藝執(zhí)行不到位，也可以采用反撐小變形對角線進行二次切割補焊返修，減小扭曲變形。

參考文獻

[1] 李吉春，馬君.軌道車輛焊接制造工藝現(xiàn)狀及趨勢淺析[J].科技風，2019，（7）：143.

[2] 董彥妮，張振鵬.焊接技術在軌道交通車體中應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科學技術創(chuàng)新，2019，（5）：173-174.

[3] 孫德偉，方斌.焊接技術在動車組鋁合金車體焊接中的應用[J].中國新技術新產品，2019，（2）：61-62.

[4] 袁新杰.動車組鋁合金框架結構的焊接[J].焊接技術，2010，39（7）： 25-27.