軌道交通焊接工藝發展趨勢及前景

國家軌道交通實驗室 李鋒平

軌道交通焊接工藝發展趨勢及前景

國家軌道交通實驗室 李鋒平

地鐵是當前國內最為常見的軌道交通工具。軌道交通工具大大提高了交通的運輸效率。重視軌道交通事業的發展是非常必要的。本文從不銹鋼車體結構及材料特點出發，以我國著名軌道交通焊接專家王天勇研發試制不銹鋼車體焊接撓度控制項目為參考（此攻關難題為中國軌道交通行業至少可以創造200億元人民幣的產值，減少的不良品損耗超過10億元人民幣），對焊接變形的原因及控制方法做了簡要介紹，同時結合已廣泛應用于城市軌道交通二次骨架平衡穩定系統（專利著作權人：王天勇）為實際參數，提出了軌道交通車輛用鋁合金焊接工藝的應用策略。

軌道交通；鋁合金；焊接工藝

1 不銹鋼車體結構及材料特點

不銹鋼車體主要由底架、側墻、端墻、頂蓋及司機室組成，采用板梁組成薄板筒體結構整體承載。歐洲標準的不銹鋼客車車體骨架的生產主要采用MAG電弧焊方式，制造難度極大，車體采用薄壁筒形整體承載全焊接不銹鋼結構，骨架采用1.5-2mm不銹鋼薄板，車體主結構材料采用高強度超低碳奧氏體不銹鋼和奧氏體鐵素體雙相不銹鋼，即要控制板的厚度，減輕重量達到環保節能的要求，又要防止焊后變形，保證安全穩定性。這是該領域公認的焊接難題。該項目主要有以下難點：⑴薄板造成橈度難以控制；⑵無涂裝車體的特性使得墻板原材料外漏，焊接缺陷一覽無余；⑶車體斷面尺寸精度影響到各部件安裝的精度及穩定性。在研發過程中，引用王天勇先生建立了拓撲基準的數學模型，提出車體焊接反變形概念，精確地計算出反變形值區間。通過預制撓度、優化骨架焊接強度和工藝參數等措施，使得車體相關尺寸得到有效控制，達到了設計及工藝要求。

2 焊接變形的原因及控制方法

2.1 焊接變形的影響因素

焊接變形可以分為兩種，一種是瞬態熱變形，這種變形是發生在焊接熱過程中的，另一種是殘余變形，這種變形則是發生在室溫條件下的。焊接變形深受很多因素的影響，比如像材料、結構和工藝這3個方面受其影響居多。

2．1．1 材料因素的影響

材料方面，除開焊接材料可以影響焊接變形，母材同樣可以影響。而且，材料的熱物理性能參數和力學性能參數都將嚴重影響焊接變形的產生過程有。同時材料在高溫區的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，焊接變形隨著彈性模量的增大而隨之減少。而較高的屈服極限會引起較高的殘余應力，焊接結構存儲的變形能量也會因此而增大，從而可能促使脆性斷裂。

2．1．2 結構因素的影響

影響焊接變形的最關鍵，最復雜的因素是焊接結構的設計。其焊接變形的總體原則是隨拘束度與焊接殘余應力的增加而相應減少。一般情況下在焊接過程中占據主導地位的是復雜結構自身的拘束作用，隨結構復雜程度的增加，結構本身在焊接過程中的拘束度變化情況也隨之增加，由此給焊接變形分析與控制造成一定的難度。因此，為了減小焊接變形，在結構設計時針對結構板的厚度及筋板或加強筋的位置數量等進行優化十分重要。

2．1．3 工藝因素的影響

焊接變形深受焊接工藝很多方面的影響，例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應用等。其中在各種工藝因素中最為顯著的是焊接順序對焊接變形的影響。多層焊以及焊接工藝參數也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中，總結出一些經驗，利用特殊的工藝規范和措施，達到減少焊接殘余應力和變形，改善殘余應力分布狀態的目的。

2.2 焊接變形的控制

2．2．1 設計措施

（1）合理地選擇焊接的尺寸和形式：焊接尺寸直接關系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大，因此，在保證結構的承載能力的條件下，設計時應盡量采用較小的焊縫尺寸。（2）盡可能減少不必要的焊縫：在設計焊接結構時，適當地安排筋板的位置，力求焊縫數量少，從而減小焊接變形。（3）合理地安排焊縫位置：在設計焊接結構時，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這對于減少梁、柱等類型結構的撓曲變形有良好的效果。

2．2．2 工藝措施

工藝措施是指在焊接構件生產制造過程中所采用的一系列措施，將其分為焊前預防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。

（1）焊前預防措施，主要包括預防變形、預拉伸法和剛性固定組裝法。第一，預變性法或稱反變形法是在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的預變形量（反變形量），使構件恢復到設計要求的幾何形狀和尺寸。第二，預拉伸法多用于薄板平面構件，焊接時在薄板有預張力或有預先熱膨脹量的情況下進行的。焊后，可有效地降低焊接殘余應力，控制焊接變形。第三，剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構件盡可能地固定，可有效地控制待焊構件的角變形與彎曲變形等。（2）焊接過程控制措施，主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規范參數，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。焊接順序對焊接殘余應力和變形的產生影響較大，在采用不同的焊接順序時，可以改變殘余應力的分布規律，尤其在多道焊中，作用更加明顯。（3）焊后矯正措施。當構件焊接后，只能通過矯正措施來減小或消除已發生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。 此外，還有利用機械力或沖擊能等進行焊接變形矯正，包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。

3 軌道交通車輛用鋁合金焊接工藝的應用策略

當前軌道交通車輛的主要原材料是鋁合金。軌道交通車輛因鋁合金的投入使用，其重量得到大大的減輕，車輛運行的速度也因此得到提高。軌道交通車輛生產的重要環節--鋁合金焊接技術應給予高度重視，尤其是相關工藝的技術研究和應用研究方面，務必給予高度重視，這是非常必要的。

3.1 重視鋁合金焊接工藝的創新

國內鋁合金焊接工藝在實踐中常會暴露出一些問題，作為軌道交通車輛生產企業應鼓勵廣大生產一線的職工重視技術創新。國外的鋁合金焊接技術相對比較發達，向國外優秀的鋁合金點焊工學習對技術的提升是非常有效。另一方面，在企業內部或行業內部開展技術競賽，通過競技的方式促進點焊技術的不斷提升。

3.2 重視鋁合金激光焊接技術的應用

當前比較先進的焊接技術即是鋁合金激光焊接技術。能量密度高、熱量小是該技術具備的2個特點，因此焊件的變形和裂紋因該技術的使用而在焊接過程中不會產生。此外，一些細微的焊件因該種技術冷卻速度快而有較好的焊接效果。如今，只有鋁合金激光焊接技術能夠適應現代社對軌道交通車輛的堅固性、穩定性、美觀性的要求，但并不成熟的激光焊接技術工藝還需要克服一些技術難點。

3.3 重視鋁合金焊接設備的開發研究

鋁合金焊接的關鍵因素即是焊接設備。焊接的質量和效率深受焊接設備的功率、焊束的能量密度、焊接速度等等因素的影響。此外，工人的工作環境也直接受焊接設備的先進性的影響。因此，要想提高鋁合金焊接工藝的水平，開發性能高、效率高、安全系數高的自動化焊接設備是關鍵。

3.4 不斷改善焊接工人的作業環境

人是任何工藝水平提升的基礎。因而，安全舒適的工作環境對于焊接工人來說是非常必要的。然后實際操作時，高溫環境時常出現在焊接過程中，伴隨著焊接時大量化學材料的使用，這將嚴重影響工人的身體。因而，污染性高的焊接工藝在軌道交通車輛生產過程中應盡量避免使用。鋁合金技術應用的重要標準就是重視工人作業環境的改善，這是非常必要的。

4 總結

軌道車輛車體在焊接過程中具有焊接變形難以控制的特點，通過對軌道車輛鋁合金車體焊接變形以及應用的分析研究，這不僅拓寬了焊接技術的應用范圍，還推動了我國焊接行業與世界接軌。

李鋒平（1965—），男，教授級高工，軌道交通焊接領域專家。