鐵路機車鋁合金制件焊接變形原因及控制預防

盧磊 叢春日

摘?要：鐵路機車技術持續發展要求匹配的生產高質量產品，以部件連接方式的焊接環節為例，作為相關產品生產重要一環，既需要高超的焊接工藝，也要求滿足對焊接變形的控制處理。因而本文以鐵路機車鋁合金結構制件作為研究對象，從相關因素解析轉化出對鋁合金結構制件焊接中的變形原因的分析，然后按照由原因推導出結果的基本原理，提出幾點針對鐵路機車鋁合金制件常見焊接變形控制建議。

關鍵詞：鋼結構制件;焊接;變形

在鐵路機車鋁合金結構制件常規化的連接方式中多以焊接作為主要的連接方式，由于它會受到不同類型的應力、環境、焊接溫度、焊接工藝、材料性質等相關因素影響，導致發生因焊接而產生的變形問題，不僅影響焊接效果，也會因焊接質量問題而產生安全問題，加上鐵路機車本身“牽一發而動全身”的構造特點必然會造成很大危害。所以本文結合生產與應用需求對主題展開具體探討。

一、鐵路機車鋁合金制件的常見焊接變形原因

鐵路機車鋁合金制件在焊接實踐中受到材料性質、結構設計、焊接工藝等相關因素影響，其影響結果以鋁合金焊接后的整體變形與局部變形為主。下面對具體內容進行說明。

以材料性質因素影響為例，鋁合金的物質特性本身存在物化性能相對活潑的特點，焊接接口軟化會降低其強度系數，線膨脹系數較大最易誘發變形。因此，鋁合金因其焊接中的金屬加工性能，必定由于母材內構造中的化學成分，即金屬元素活性變化而產生對焊接性的影響，當存在對應性差的情況下就會引發焊接變形。以結構設計為例，鋁合金制件作為焊接構件必然受到構件本身拘束度與外在拘束的影響，當前在鐵路機車鋁合金焊接實踐中焊接構件的復雜程度越來越高，因而導致鋁合金制件拘束變化也趨于復雜化，提高了焊接變形發生的可能性。以焊接工藝為例，材料本身易氧化的特征要求以大功率密度的焊接工藝為基，焊接方法差異化與焊接本身工藝實踐過程存在加熱與冷卻過程，因而在遵循熱脹冷縮的基本原理的前提下，焊接部位溫度差異會焊接應力，而這也是引發焊接變形的主要因素。比如，焊接應力在高溫部位表現為膨脹拉伸應力，因此在焊縫與收縮應力之間的較近部位就會因力之分布與相互作用而引發塑性變形。而在相對溫度較低的部位則表現為收縮應力，當焊接實踐中溫度持續變化表現在冷卻過程中時，焊接應用力與焊接變形同時發生。溫度持平于環境溫度時，來自于橫向、縱向、厚度方向的殘余應力會引發鋼結構制件在不同方向發生對應類型的變形，從而造成差異化的變形類型，如橫向、縱向、扭轉、波浪、撓曲，以及角變形等。

因此，從相關影響因素解析可以歸納出導致焊接變形的主要原因來自于焊接實踐中所產生的受熱不均，與結構設計本身產生的剛性與拘束度，以及不同種類焊縫在焊接條件下的金屬收縮，還有作為金屬本身的鋁合金內部組織變化等。

二、鐵路機車鋁合金制件的變形控制建議

下面結合對鐵路機車鋁合金制件常見焊接變形相關因素解析與原因分析，從焊接-應力、工藝-機制、技術-預控三個方面提出幾點針對焊接變形的控制建議。

（一）科學設計焊縫，對應控制應力

通過對鋁合金制件焊接實踐分析發現應力是客觀存在的，因而在焊接應力導致的焊接變形問題，需要采用設計策略使焊縫對稱性設計得到增強，同時增加其平滑度;對于寬度與厚度差異方面的問題，建議選取坡度過渡辦法使截面突變得到預防，減少應力集中發生的可能性;另一方面，焊縫集中與焊點相交造成的應力集中或形成的應力場則需要在劃分主焊縫與次焊縫，然后按照主連續、次斷開構造法加以解決。至于殘余應力造成的焊接變形問題，需要“對癥下藥”，包括小焊縫數量控制、焊接拘束度控制、焊接順序控制、焊接方向控制、焊接接頭剛度控制，以及按照焊接經驗采用錘擊法增加塑性應力消解殘余應力等。

（二）優化工藝流程，系統運行評估機制

鐵路機車類型不同對鋁合金制件的類型需求不同，其工藝流程也會存在差異。因而為了避免因焊接工藝直接或間接造成的焊接變形。一方面，需要對工藝流程進行優化，比如在流程相對固定的情況下，采用標簽法，使驗收人員與焊接人員及評估人員均能夠精準的確定制件的一致性。另一方面，需要根據工藝各環節設計與數據采集、技術要求相對應的評估方案，以焊接施工為例，就可以將焊接分流到每一個環節，焊接前的工藝技術確認、焊接現場的臨場監督與指導、焊接完成后的效果確認、焊接不到位的及時處理等。要求工藝設計與評估機制高度匹配，提升焊接質量控制。

（三）引入現代技術，預控焊接變形

在一般的儀器與設備應用方面，利用卡尺夾具、紅外線等先進的測量儀器與設備，為焊接施工人員提供能夠滿足焊接施工技術標準要求的實時指導;或者按照制件特點，盡可能減少焊接差異與技術應用對應性差產生的焊接變形。當前可以應用焊接有限元理論，利用有限元模擬軟件進行焊接前模擬，進行焊接變形預測，從而提煉出控制焊接變形的數據、工藝優化措施。隨著工4.0技術的運用，針對大型的構件焊接如機車頂蓋等焊接技術要求較高的焊接實踐需求，建議引入焊接機器人，包括小型的焊接機器人與固定位置的機械手臂焊接等。

三、結語

總而言之，鐵路機車鋁合金制件焊接效用的提升，有賴于對其焊接施工實踐中存在的焊接變形問題的基礎研究。當前除應用一般的變形控制措施之外，建議積極推進對鋁合金結構制件常見焊接問題的專業化處理，根據對材料屬性、工藝流程設計、焊接類型選擇、焊接技術實踐、焊接檢驗機制等相關因素分析，借助現代儀器設備從預測控制層面擴大研究與應用范圍，以此為鐵路機車鋁合金制件焊接變形控制提供高效處理措施，最終降低安全隱患發生的可能性。

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作者簡介：盧磊（1979-），男，漢族，山東棲霞人，本科，電焊工高級技師。