淺析高速動車組鋁合金車體焊接變形產生的原因及防止焊接變形的方法

于硯濤 吳律賢

摘要：焊接是一個金屬熔化和再結晶的冶金過程，焊接過程中，容易誤認為金屬受熱膨脹導致焊接變形，但金屬的均勻膨脹和冷卻不能形成焊接變形，而真正導致焊接變形的是熱膨脹受阻和冷卻收縮受阻和工件的不均勻受熱。本文主要介紹了新一代高速動車組項目鋁合金車體焊接變形產生的原因并通過理論分析及多年實踐經驗總結出了防止焊接變形的方法。

關鍵詞：焊接變形 尺寸控制 鋁合金車體

引言

2018年是中國高鐵飛速發展的一年，中國標準化動車組正式走向了世界，代表了世界動車組技術的選進體系。中國首次實現了動車組牽引、制動、網絡控制系統的全面自主化，標志著我國已經全面掌握了高速鐵路的核心技術，高速動車組技術實現全面自主化。隨著中國高速鐵路網快速在全國延伸，各地新建或在建高速鐵路里程不斷增長，國家對高速動車組需求越來越大，更重要的是，高鐵做為國家“走出去”戰略的重要支撐點，高速動車組已經成為中國制造的一張亮麗的名片。

隨著復興號的全面批量投產，2018上半年，承載著中國元素、奧運精神的京張智能高鐵也開始了首臺試制，加上城際200公里動車組的實驗試制，中國鐵路已經從吸取學習正式步入了自主研發創新的時代。伴著高鐵飛速發展，作為動車組第一步的車體制造，鋁合金技術也需要不斷開拓創新，要制造出質量過硬的高速動車組，必須不斷地攻克每一項難關和創新改革。下面本文將結合車體制造過程中總結的一些經驗對鋁合金焊接過程中工件產生變形的原因及其變形控制措施做詳細介紹，希望對鋁合金生產工藝產生一些有利的指導意義。

1、焊接應力與變形產生的原因

影響焊接應力與變形的因素很多，最根本的原因是焊件受熱不均勻，其次是由于焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件剛性的不同所致。另外，焊縫在焊接結構中的位置、、裝配焊接順序，焊接方法、焊接電流及焊接方向等對焊接應力與變形的大小、方向、分布等也都有一定的影響。

1.1焊件的不均勻受熱

焊件的焊接構成是一種局部加熱過程。焊接時，焊件上的溫度分布極不均勻，焊縫及其附近區域被加熱到熔化狀態或接近熔點，而遠離焊縫的區域溫度比較低。因此，焊件上各店的受熱膨脹與冷卻收縮不一致，故出現了復雜的應力與變形。在整個加熱和冷卻過程中焊件上各處的溫度是變化的，這種溫度變化導致了焊接應力和變形的產生。

1.2焊縫金屬的收縮

絕大多數物質從液態轉變為固態時其體積都要收縮。焊接金屬也不例外，當它冷卻由液態轉變為固態時，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。焊后，焊縫金屬的收縮將引起整個焊件的變形，同時在焊縫中引起殘余應力。另外，一條焊縫是逐步形成的，焊縫中先結晶的部分要阻止后結晶的部分的收縮，也會產生焊接變形與應力。，焊縫中先結晶的部分要阻止后結晶的部分的收縮，也會產生焊接變形與應力。

1.3焊件的剛性和拘束

焊件的剛性與焊件材料、焊件截面形狀和尺寸都有關系。通常，焊件截面為封閉形狀時比非封閉截面焊件的剛性大。焊件截面尺寸越大，焊件的剛性越大，截面相同時，焊件越長，則剛性越小。當然，材質不同，焊件的剛性也不同。

1.4焊接順序的影響因素

通過適當的焊接順序，可以抵消焊接內應力和增大結構剛性，焊接順序的制定因地、因件而已，不是唯一的，焊接順序的制定要記住正確分析力的方向。一般講，自由狀態下，一次焊接變形大于二次焊接變形；而在夾具的作用下，一次焊接的變形要小于二次焊接變形，夾緊力越大，該現象越明顯，這條是制定焊接順序必須要考慮的首要前提。

2、防止焊接變形的方法

通過以上的問題分析。基本了解了鋁合金焊接變形的產生原因及變形的種類，針對焊接變形的原因和種類從焊接工藝上進行改進，可以有效防止和減小焊接變形所帶來的危害。以下主要介紹幾種常見的控制焊接變形的方法。

2.1在焊前進行裝配時，預置反方向的變形量以抵消（補償）焊接變形。

2.2利用裝配和焊接順序來控制變形采用合理的裝配和焊接順序來減小變形，這在生產實踐中是行之有效的好辦法。在實際鋁合金焊接生產中有許多結構截面形狀對稱，焊縫布置也對稱，但焊后卻發生彎曲或扭曲變形，這主要是裝配和焊接順序不合理引起的，也就是各條焊縫引起的變形未能相互抵消，以致發生變形。

焊接順序是影響焊接結構變形的主要因素之一，安排焊接順序時應注意下列原則：

a、所有的焊縫必須都焊到（包括被遮蓋焊縫）。

b、焊槍可達到的焊縫才可以被焊接。

c、對于有焊縫收縮現象的工件，要先焊成組裝件，并在圖樣上標注工藝放量。

d盡量讓焊縫無拘束收縮，焊接方向由內向外，由中間向兩端。

e、對接焊縫先于角焊縫焊接。

f、y形坡口不允許有間隙，先焊y形坡口，再焊v形坡口。

g、對于長焊縫，盡量采用對稱焊接，需要2名焊工從兩側同時對稱施焊。這樣可以使由各焊縫所引起的變形相互抵消一部分。也可以采用對角線焊法或從中間向兩邊焊。

h、對于雙面焊。焊接順序以根部清理難易為依據，后焊的一側應便于前道焊縫的根部清理。

i、盡量避免工件的不必要的多次翻轉。

j、先焊接截面較大的焊縫，再焊接截面較小的焊縫。

k、對某些焊縫布置不對稱的結構，應該先焊接焊縫少的一側。

l、先焊短焊縫，后焊長焊縫；先焊橫焊縫，后焊縱焊縫。

m、當存在焊接應力時，先焊拉應力區，后焊剪應力和壓應力區。

n、位于構件剛性最大的部位最后焊接（盡可能使構件能夠自由收縮）。

剛性固定法剛性固定法能有效減小變形，且焊接時不必過分考慮焊接順序。缺點是有些大工件不易固定，如果與反變形法配合使用則效果更好。對于形狀復雜、尺寸不大、又是成批生產的焊件.可設計一個能夠轉動的專用焊接胎具，既可以防止變形，又能提高生產率。當工件尺寸較大，數量又不多時，可在容易發生變形的部位臨時加上一些支撐減小焊接變形。如下圖班組在生產中利用剛性固定法很好的保證了產品的幾何尺寸。

3、總結

焊接的變形是無法避免的，但只要采取合理的防治焊接變形的方法，就可以大量減少焊接變形，保證了產品的幾何尺寸，每臺車都節省了大量調修作業時間。

參考文獻

[1]宋永增.《動車組制造工藝》.北京：中國鐵道出版社，2011.1

[2]孫庭秀.《焊接結構生產》.北京：電子工業出版社，2014.5

（作者單位：中車長春軌道客車股份有限公司）