高速動車組鋁合金側墻門立柱焊接變形的分析與控制

田玉吉 唐海鷹 王克臻

(青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司 山東 青島 266111)

軌道車輛的高速和輕量化的發展，使得鋁合金材料的應用越來越多，作為車體主要大部件之一的側墻，對其門口區域的尺寸控制及焊縫質量提出了更高的要求。鋁合金本身的熱導率高、膨脹系數大的特點及焊接過程中熱應力和相變應力等因素的作用往往導致焊接變形，不但影響了結構的外形尺寸及精度，增大了調修矯正難度，而且會誘發錯邊、未熔合和裂紋等焊縫缺陷的產生，降低結構的承載能力。下文將側墻門立柱的尺寸控制作為重點，針對側墻門立柱的焊接變形進行分析討論。

1 鋁合金側墻門立柱的結構介紹

圖1 側墻門立柱結構示意圖

2 門立柱的焊接變形分析與控制

2.1 焊接變形的分析

側墻門立柱區域的焊縫主要有對接焊縫、對接清根焊縫和角焊縫，焊接區域小、焊縫數量多且密集是門立柱區域焊接的特點，為此將鋁合金側墻門立柱的組對及焊接作為重點控制工序，對打磨、組對、焊接過程進行了嚴格的監控，其生產流程如圖2所示。焊縫坡口角度和焊接接頭形式對焊接變形和焊縫質量控制具有一定影響。文獻[1]指出：大長焊縫焊接宜采用單邊V型、K型或雙邊U型坡口，使用盡可能小的坡口角度以減少焊縫截面積，可以有效地控制焊接變形和焊縫質量。從焊縫坡口的設計角度來看，4HV的單邊坡口焊縫使得焊絲填充量減少，降低了熱輸入量，有效地減小了焊接變形。但從門立柱的設計結構來看，大門立柱側面的6個加強筋板的焊接對焊接變形起到了至關重要的作用。筋板兩側封閉的a4角焊縫、焊縫的立體空間分布及鋁合金本身的物理性質，促使鋁合金焊縫及母材金屬的膨脹或收縮存在不同步和不平衡，使得焊縫區域殘余應力的局部應變累積或多處應變疊加而最終導致焊接變形，大門立柱向側墻方向傾斜2～3 mm(見圖3)。此外，焊接順序不合理、焊接方向錯誤、焊接參數不正確等因素，在一定程度上加大了焊接變形的產生。焊接變形導致門立柱間距上、下部不一致，且超出公差范圍；門立柱相對側墻外表面A和相對于側墻下邊梁B面的垂直度不滿足技術要求，焊后的門立柱形狀發生改變，給調修帶來極大的難度或很難通過調修矯正，降低了生產效率，而且門立柱的焊接變形使得母材翹曲或局部坡口直線度偏差而導致錯邊、未熔合和裂紋等焊縫缺欠出現，使焊縫質量難以得到保證。

圖2 門立柱生產過程流程圖

圖3 定位工程改造前大門立柱焊后傾斜示意圖

2.2 焊接變形的控制

焊接變形的實質是焊件局部受到不均勻加熱或冷卻時產生焊接內應力，由焊接內應力導致的金屬結構的變形，可通過工裝剛性固定、優化工藝規范、預置焊接反變形、增加尺寸放量等措施來控制焊接變形[2]。在對鋁合金側墻門立柱的焊接產生變形進行分析后，提出通過改造工裝對門立柱組對預置反變形和優化焊接工藝的控制措施。

(1)組對預置反變形

圖4 側墻剛性定位的工程結構示意圖

(2)優化焊接工藝

對鋁合金產品的焊接而言，焊接工藝通常包括：

圖5 側墻門立柱剛性定位的工程結構示意圖

合適的預熱溫度、部件組對的合理點焊、焊縫接頭處的規范打磨與焊接接頭處的合理過渡、焊接工藝參數的正確使用、焊接順序的合理制定、焊后調修方法的合理使用等，每一個操作流程對保證產品尺寸和焊縫質量都起到至關重要的作用。針對門立柱區域焊縫數量多，焊縫立體空間分布，結構設計復雜，技術要求高的特點，對門立柱區域的焊接工藝進行優化。鋁合金本身的物理性質，要求對于板厚不小于8 mm的母材，預熱溫度為80～120 ℃，推薦采取冷矯形和火焰矯形聯合的方法對變形焊件進行矯形，調修溫度控制在175 ℃以下[4]。大、小門立柱區域的焊接采用同時定位段焊，段焊長度為30～50 mm，大、小門立柱均采用自門口上方向下方的分段焊接，即大門立柱按照焊縫5HV-4HV-5HV的焊接順序，門口上方的5HV焊縫焊接完成后，對大、小門立柱的4HV焊縫采用分段對稱跳焊同時焊接的方式，即按照1-2-3-4的焊接順序。門立柱與側墻的對接焊縫焊接完成后，定位段焊大門立柱側的6個加強筋板，先對門立柱側面的4個加強筋板進行焊接，再對門口上方的2個加強筋板焊接，焊接順序如圖6所示。在對5HV焊縫分層焊接時注意將接頭錯開，避免缺陷過度集中；在對4HV焊縫焊接時將每段焊縫控制在400 mm以下[5]，避免焊縫收縮拉應力疊加導致增大焊縫區域變形；在對筋板的a4角焊縫焊接時，按焊接工藝規程對焊接區域進行預熱；筋板區域焊縫的立體空間分布的特點，要求規范焊縫在相交處的焊接順序，避免交點處起收弧引起應力集中，進而導致裂紋、未熔合等焊接缺陷的產生。從焊接工藝優化前后的對比來看，優化后的焊接工藝使門立柱的焊接變形在一定程度上得到了控制，提高了生產效率，同時使焊縫質量得到了保證。

圖6 側墻門立柱焊接順序示意圖

3 結論

(1)對大門立柱的定位工裝改造，組對預置反變形，使大門立柱的焊接變形得到有效控制，滿足了門口區域的尺寸技術要求，明顯提高了生產效率，取得了預期的效果。

(2)優化后的焊接工藝，使門立柱的焊接變形在一定程度上得到控制，同時使焊縫質量得到了有效控制和保證，為高速動車組其他大部件的焊接提供了良好的借鑒。