鋁合金車體底架框型結(jié)構(gòu)的焊接變形控制

徐曉東

（青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司，山東青島 266111）

引言

隨著高鐵行業(yè)在國內(nèi)的蓬勃發(fā)展，動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性日漸完善。鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計理念與原有的鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計理念大不相同，導(dǎo)致原有部分結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝的可執(zhí)行性較差，而新型結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝亟需驗證[1-3]。目前已有的鋁合金焊接工藝，以板材型材的平面結(jié)構(gòu)研究為主[4]，缺少對立體結(jié)構(gòu)工藝性的研究，而且這種結(jié)構(gòu)在焊接過程中會產(chǎn)生較大的變形，影響型材質(zhì)量。在已有文獻(xiàn)的指導(dǎo)下[5-6]，進(jìn)行焊接變形控制，對鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用有很大的指導(dǎo)意義。

本文以鋁合金車體的6005A-T6型材為研究對象，參考鋁合金焊接工藝經(jīng)驗[7-8]，針對某一底架框型結(jié)構(gòu)的實際生產(chǎn)情況，探究焊接變形因素和規(guī)律，總結(jié)焊接注意事項[9-11]，為鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 底架框型結(jié)構(gòu)

底架框型結(jié)構(gòu)為四面封閉的長直結(jié)構(gòu)，如圖1所示。結(jié)構(gòu)使用型材及板材兩種材質(zhì)，由L型邊梁型材件（件①）、地板型材件（件②）、內(nèi)邊梁型材件（件③）以及二層補(bǔ)焊板材件（件④、件⑤）組成。組件截面寬約900 mm，高約400 mm，長約6 200 mm。型材件的材質(zhì)為6005A-T6；板材件的材質(zhì)為5083-O，厚度為4 mm。

圖1所示的組件屬于鋁合金車體底架的邊梁組件部分，后工序組焊要求在焊接工藝過程中控制焊縫變形，避免引起組件整體變形，主要控制指標(biāo)包括：

（1）地板型材件與邊梁型材件的平面X的平面度；

（2）邊梁型材件的外側(cè)平面Y的傾斜度；

（3）內(nèi)邊梁型材件的下局部平面Z的水平度。

2 焊接變形原因分析

焊縫主要導(dǎo)致兩個方向的角度變形，分別為縱向收縮引起的撓曲角度變形、橫向收縮引起的彎曲角度變形。焊縫還會導(dǎo)致兩個方向的收縮變形，分別為沿著焊縫方向的收縮變形、橫向收縮引起的寬度收縮變形[5]。

從框型結(jié)構(gòu)上考慮，焊縫縱向收縮引起的撓曲角度變形會被框型對稱結(jié)構(gòu)抵消，故不必考慮。沿著焊縫方向的收縮變形，可通過長度放量進(jìn)行補(bǔ)償，也不必考慮。因此，本文僅需考慮：

（1）焊縫橫向收縮引起的彎曲角度變形；

（2）焊縫橫向收縮引起的寬度收縮變形。

對于鋁合金焊縫熔池中的凝固過程，在同一截面的熔池金屬中，先凝固的是靠近根部的金屬，這使得兩側(cè)母材金屬拉近，同時使焊縫金屬存在拉應(yīng)力；后凝固的是上層焊縫金屬，其融合面更寬，產(chǎn)生的凝固拉力更強(qiáng)，使得兩側(cè)母材金屬拉得更近，甚至將先前已凝固的靠近根部的金屬的拉應(yīng)力抵消，產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而引起焊縫寬度方向的收縮變形和角度變形，如圖2所示。

圖1 框型結(jié)構(gòu)的尺寸和組件示意圖

圖2 焊縫金屬凝固過程應(yīng)力及變形分析

3 焊接變形控制

3.1 組焊順序

根據(jù)型材結(jié)構(gòu)及工裝設(shè)備情況進(jìn)行工藝分析，得出各型材及板件的組焊順序如下：

（1）組裝邊梁型材件（件①）和地板型材件（件②）至工裝進(jìn)行組焊；

（2）上步組件反位放置工裝上，由上至下組焊內(nèi)邊梁型材件（件③）至工裝；

（3）組裝二層補(bǔ)焊板材件（件④、件⑤）至組件。

以上順序可根據(jù)情況調(diào)整。

該框型結(jié)構(gòu)的各型材件及板材件組焊，涉及3組共8條焊縫，如圖3所示。焊縫A和焊縫B因工藝可執(zhí)行性好，采用MIG自動焊；剩余焊縫采用MIG手工焊。

圖3 框型結(jié)構(gòu)的焊縫編號示意圖

框型結(jié)構(gòu)的設(shè)計已限定了部分焊縫的焊接順序：

（1）焊縫A、B的焊接需要先使用自動焊；

（2）焊縫C的焊接需要在焊縫G、H之前；

（3）焊縫D的焊接需要在焊縫E、F之前。

3.2 焊接工藝與規(guī)范

根據(jù)各型材焊縫的焊接位置和坡口情況，預(yù)先設(shè)計相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)。其中，焊縫A和焊縫B，采用MIG雙手臂自動焊接設(shè)備進(jìn)行焊接；剩余的焊縫采用MIG手工焊，各焊縫焊接規(guī)范參數(shù)如表1所示。

3.3 局部焊后變形控制

先通過三個焊接局部的多次試驗得出局部的焊接變形趨勢，然后以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，為整體焊接變形控制提供細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。

3.3.1 地板型材件與邊梁型材件的局部焊接變形

根據(jù)型材焊接經(jīng)驗與實際結(jié)果得出，型材兩面中后焊接的一面比先焊接的一面的收縮量更大。

經(jīng)過試驗，使用自動焊先焊接焊縫A，反轉(zhuǎn)后再焊接焊縫B。后焊接一面的焊縫引起兩個型材件凸起，在邊緣處測量，凸起約2 mm。這導(dǎo)致兩個型材件產(chǎn)生了以焊縫A為軸的角變形，角度由180°變?yōu)?79.3°，如圖4所示。

3.3.2 邊梁型材件與內(nèi)邊梁型材件的局部焊接變形

相對于先焊接的焊縫C只是一條焊縫，后焊接的焊縫G、H為兩道焊縫，因此焊后變形量更大，角度變化也更大。

經(jīng)過試驗，使用手工焊焊接焊縫C后，兩個型材件之間的間距縮小了1 mm；再焊接焊縫G、H后，測量兩個型材件之間的間距，在以上基礎(chǔ)上，平板位置處間距又縮小了2 mm。這導(dǎo)致兩個型材件產(chǎn)生了以焊縫C為軸的角變形，兩型材的夾角約為177.6°，而型材上平面寬度縮小了約4 mm，角變形如圖5所示。

表1 各焊縫焊接規(guī)范參數(shù)

圖4 地板型材件與邊梁型材件對接的角變形示意圖

圖5 邊梁型材件與內(nèi)邊梁型材件對接的角變形示意圖

3.3.3 內(nèi)邊梁型材件與地板型材件局部焊接變形

此處的焊縫需要在型材件側(cè)面P C 位置進(jìn)行焊接。

經(jīng)過試驗，使用手工焊焊接焊縫D后，兩個型材件之間的間距縮小了1 mm；再焊接焊縫E、F后，測量兩個型材件之間的間距，在以上基礎(chǔ)上，平板位置處間距又縮小了2 mm，這導(dǎo)致兩個型材件產(chǎn)生了以焊縫D為軸的角變形，兩型材的夾角約為178.4°，如圖6所示。

3.4 整體焊后變形控制

焊縫的多次橫向收縮引起的彎曲角度變形和寬度收縮變形，使框型結(jié)構(gòu)整體在后焊接的下平面寬度約7～8 mm，如圖7所示。其中：

圖6 地板型材件與內(nèi)邊梁型材件對接的角變形示意圖

（1）標(biāo)注為X的地板平面在焊縫A、B焊接完成后，中部上凸起2 mm，整體結(jié)構(gòu)焊接完成后，中部上凸起3～4 mm；

（2）標(biāo)注為Y 的邊梁平面在結(jié)構(gòu)整體焊接完成后，其平面下邊緣預(yù)計左傾4～5 mm；

（3）標(biāo)注為Z 的內(nèi)邊梁平面在結(jié)構(gòu)整體焊接完成后，其平面在焊縫位置凸起約3 mm。

圖7 框型結(jié)構(gòu)整體的結(jié)構(gòu)變形示意圖

3.5 焊接順序調(diào)整及預(yù)制反變形

根據(jù)整體變形情況調(diào)整焊接順序，并進(jìn)行預(yù)制反變形，使框型結(jié)構(gòu)的變形最小。因框型結(jié)構(gòu)各組件以及組裝尺寸相互關(guān)聯(lián)，很難從反變形上進(jìn)行較大調(diào)整，因此只能實現(xiàn)一定程度上的相對優(yōu)化。如圖8所示，調(diào)整如下：

圖8 焊接順序、預(yù)制反變形及焊后測量位置示意圖

（1）調(diào)整焊接順序，先采用自動焊焊接B焊縫，再采用自動焊焊接A焊縫，焊接后，平面X在焊縫處內(nèi)凹，但在后續(xù)的組焊過程中，平面度將會恢復(fù)；

（2）在組焊內(nèi)邊梁的D焊縫時，內(nèi)邊梁向外錯邊1 mm，預(yù)留焊接C焊縫的收縮量；

（3）在組焊內(nèi)邊梁的C焊縫時，使用工裝支撐地板與內(nèi)邊梁的C焊縫區(qū)域，預(yù)制反變形，向上凸起內(nèi)邊梁支撐高度H mm；

（4）在組焊二層補(bǔ)焊板的G 焊縫和H 焊縫時，使用千斤頂支撐頂緊，增加兩焊縫之間的預(yù)制寬度支撐量W mm。

（5）焊縫焊接順序為：B-A-C-D-E/F-G/H。

設(shè)置不同的反變形量進(jìn)行試驗，記錄組焊后的平面度、傾斜度、水平度等參數(shù)。共試驗并記錄10組數(shù)據(jù)，如表2所示。

4 討論

根據(jù)第3章的反復(fù)試驗結(jié)果，得出不同反變形量下的焊接變形控制情況如下：

（1）地板型材件與邊梁型材件在平面X 的平面度，可控制在1 mm內(nèi)；

（2）邊梁型材件的外側(cè)平面Y 的傾斜度，在預(yù)制反變形的情況下，可控制在1 mm內(nèi)；

（3）內(nèi)邊梁型材件的下局部平面Z 的水平度，在預(yù)制反變形的情況下，可控制在1 mm內(nèi)。

在以上規(guī)程的指引下操作，內(nèi)邊梁的立面向右傾約2 mm，可滿足未注尺寸公差要求。

試驗與測量結(jié)果可滿足框型結(jié)構(gòu)在后工序中的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

（1）框型結(jié)構(gòu)的變形主要源于焊縫橫向收縮引起的彎曲角度變形和寬度收縮變形，是各次焊接變形發(fā)生復(fù)合的結(jié)果，但它們是有規(guī)律可循的；

（2）調(diào)整焊縫的焊接順序?qū)蛐徒Y(jié)構(gòu)的變形有方向性的影響，降低了調(diào)修難度，提高了生產(chǎn)效率；

（3）針對底架框型結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行預(yù)制反變形，是控制結(jié)構(gòu)外形及尺寸的有效工藝方法，可以將變形量控制在公差范圍內(nèi)。

表2 預(yù)制反變形及變形量統(tǒng)計