淺析城軌車輛鋁合金車體焊接工藝

摘 要：城軌車輛的車體是由鋁合金材質焊接而成，本文對城軌車輛鋁合金車體的焊接工藝、工裝進行分析，探討了鋁合金車體焊接工藝的發展趨勢。

關鍵詞：城軌車輛；焊接；鋁合金；分析

為了保證城軌車輛的高速行駛，城軌車輛采用的是輕量化的設計，車身采用鋁合金的結構，降低整輛車的重量，減少了對輪軌的沖擊。但是鋁合金的膨脹系數是鋼的2倍，凝固的時候體積收縮也很大，因此，在焊接的過程中很容易變形。特別是對于薄壁型的鋁合金材質，不光焊接變形量大，而且在焊接的時候還會產生氣孔、裂紋等現象，因此要提高鋁合金的焊接工藝水平，盡量減少焊接過程中出現的問題，提高車體焊接的質量，就需要用專用的工裝來保證車體焊接成型后的尺寸，為制造出高質量的城軌車輛奠定基礎。

1 城軌車輛鋁合金車體焊接的特點

1.1 焊接方法和速度的選擇

鋁合金的焊接方法有多種，包括惰性氣體的保護焊（MIG）、鎢極惰性氣體的保護焊（TIG）兩種焊接方法。在焊接的時候，對于較厚夾板的焊接，為了能夠保證焊接的質量要使焊縫從分均勻地融合，而且使焊縫中的氣體順暢溢出，采用較慢的環節速度和較大的電流配合焊接；對于較薄板的焊接，為了避免焊縫太熱，在焊接的過程中要采用較快的焊接速度和較小的電流配合，從而確保焊接的質量，盡量避免氣孔的形成[1]。

1.2 氣孔的形成

鋁合金表面氧化膜有很強的吸水性，當環境濕度很大時，吸收了很多水的氧化膜在電弧的作用下水分解出氫，而氫氣在熔池中沒有時間排除就形成了氣孔[2]。

2 鋁合金車體的焊接工藝

2.1 鋁合金車體的焊接工藝流程

車體預組、焊接前尺寸的調整、焊接前的清理、自動焊接、焊接后的打磨。組裝過程中所有零部件的誤差及變形全部匯集在一起，通過車體組焊來消化，如果要控制鋁合金車體的焊接質量就要在焊接前定好尺寸，通過焊接前的尺寸調整對鋁合金車體的變形進行預先估測，做好合理工藝放量。加強焊接過程的控制，通過組焊工裝及輔助撐拉桿減小車體在焊接時的變形程度，提高焊接質量[3]。

2.2 車體焊接時的尺寸控制

由于焊縫的中心線和結構截面的中心不對稱或者不完全重合，導致車體在焊接完成后的容易發生彎曲變形。這種變形主要表現在：側面的直線度、高度、寬度和對角線會發生變化，出現車體扭曲。

2.3 工裝的使用

車體焊接之前需要對其進行裝配調整，為使焊接之后達到預想尺寸，就需要使用工裝將焊接變形的影響減小到合理的公差范圍內。車體組焊工裝包括車底拉緊工裝，通過支撐工裝預留的撓度實現車體撓度的控制；側墻支撐工裝，主要用于控制車體寬度；車體內部各個撐桿，主要用于控制車體內部各尺寸，如對角線、內高尺寸等，使車體不出現扭曲。合理調整和使用各個部分的工裝能將焊接變形的影響減小到最小。

2.4 焊后檢測

車體焊接后不可避免的會產生焊接缺陷，如融合不良、弧坑裂紋、焊接引弧成形不好、焊瘤、熔深不夠、夾渣等。進行焊縫檢測，主要方法有目測（VT）、射線檢測（RT）和滲透檢測（PT），如不合格需要返修，剖開缺陷區域，繼續施焊、檢測直至焊縫合格為止。

3 鋁合金車體的焊接工藝現狀和發展趨勢

3.1 鋁合金材料制作的車體很輕、耐腐蝕，外觀較平整，也環保，具有其他的金屬材料無可比擬的優勢，車體主要由底架、頂蓋、側墻、司機室、端墻五部分構成，材質主要使用的是6082、5083型的材質，焊接方法采用的是自動或者半自動的MIG焊接方法。現階段，城軌車輛鋁合金車體很多零部件如地板、側墻等等都采用的是自動焊，單絲自動焊的焊接速度一般很快，可以達到820mm/min，雙絲自動焊接的最高速度也可以達到1830mm/min，使用者的經驗和部件對質量和焊接的效率都會產生一定的影響。鋁合金車體在焊接的過程中受到環境溫度和空氣濕度的影響很大，因為鋁合金的熱導率高，若是溫度很低的情況下，會導致焊接的熔透性不好；焊接環境溫度太高時，HAZ過熱，強度下降的幅度較大[4]。除此以外，鋁合金表面氧化膜具有很強的吸水性，導致水分在焊接的過程中分解產生了氫氣孔。所以，在鋁合金車體焊接的時候，環境的溫度和空氣濕度一定要達到焊接的工藝要求，空氣相對濕度不大于60%，環境溫度保持在16-31度。最后，如何解決在鋁合金的焊接過程中產生的煙塵對車間工作人員健康的危害，有效地治理氮氧化物、鋁粉塵等等，也是鋁合金焊接不容忽視的問題。

3.2 發展趨勢

攪拌摩擦焊，是一種純熱力鍛造的連接方法，利用攪拌針、軸肩和工作臺面的摩擦熱量使接回面的金屬塑料軟化，熱軟化的金屬在攪拌頭和肩部的共同作用下向后轉移，從而填充了鍛造的焊縫（圖1）。在高速振動的焊絲把動能傳遞給焊接的熱熔池的時候，對熱熔池內的液態金屬進行適量的攪動，改善熔池的冶煉效果，把熔池內的氣體完全排出。和傳統的弧焊相比較，攪拌摩擦焊在焊接薄板的速度的時候比較快，對于厚板結構的，攪拌摩擦的焊接速度和MIG差不多，但是MIG的焊接層數很厚，一次性成功的概率很小，綜合的焊接速度還是較慢。攪拌摩擦焊焊接接頭的強度較高，如（圖2）所示，抗拉強度完全超過MIG焊接接頭，而且產生的缺陷性很小，不需要焊絲和附帶的保護氣體以及不需要開坡口，降低了生成的成本，此外，在車間現場作業時不受車間溫度和空氣濕度的影響，保證了生產的進度。因為攪拌摩擦的焊接熱量輸入程度小，焊接產生變形的可能性小于MIG，在焊接后進行修整的工作量幾乎沒有，在很大程度上降低了操作者的勞動量，在焊接的過程中沒有出現金屬液體飛濺、煙塵等不良現象，使工作人員免受了不良氣體的危害[5]。

目前我國一些城軌車輛企業對焊接工藝在鋁合金車體上進行了基礎研究，并且取得了一定的成果，但是還存在著一些不足，焊接工藝規范流程、補焊、檢測的質量評價方法、行業的系統標準都沒有形成，需要專業技術人員的深入研究，建立起一套規范的行業制度和準則。

4 結束語

隨著科學技術的發展，焊接技術也向著高效、節能、優質發展；焊接工裝也發展的越來越成熟，在模塊化、柔性化、人性化等都在高速發展；工藝流程也在變得數字化、智能化，隨著新的焊接材料和結構的不斷出現，更新改進現有的工藝方法，提高焊接過程的機械化、自動化水平。而采用新技術，進一步提高焊接的質量，保證城軌車輛的生產質量，節能降耗，降低員工勞動強度、保證員工身心健康等方面都有著顯著提升。

參考文獻

[1]王俊玖.鋁復合板材料的鋁合金車體制造工藝分析[J].城軌車輛軌道交通研究，2010（5）.

[2]劉文斌.高速鐵路客車鋁合金車體制造工藝[J].鐵道標準設計，2011（8）.

[3]唐許生.廣州地鐵三號線車輛門角焊接裂紋的防止[J].電力機車與城軌車輛，2009（3）.

[4]熊建武，周進.變形鋁合金在軌道車輛中的應用[J].城軌車輛技術開發，2010（11）.

[5]李永軍，孫秉和.高速動車鋁合金體結構優化策略[J].計算機力學學報，2010（5）.