軌道車輛鋁合金車體變形矯正技術淺析

李世海 王昊 李濤

摘要：本文從生產實際出發，針對鋁合金車體在焊接過程中存在的典型變形問題進行分析，說明鋁合金車體焊接變形矯正技術，注重實用性，以期為鋁合金車體調修提供指導性經驗。

關鍵詞：鋁合金車體、變形矯正、結構尺寸控制、調修

鋁合金材料在軌道車輛車體結構設計應用廣泛，其具有密度低、比強度高、導熱導電性好、抗腐蝕性強等眾多優良性能。車體側墻、車頂、地板大部件多采用長大中空擠壓鋁型材，減少了焊接量，但由于鋁合金的熱傳導率高，熱膨脹系數大，焊接變形較為顯著，鋁合金車體變形矯正技術在車體制造過程中非常關鍵[1～4]。

本文從生產實際出發，分析了車體變形原因和矯形機理，深入淺出的提出適用性較強的車體變形矯正方法。

1 車體焊接變形及原因分析

鋁合金車體主要由底架、側墻、車頂、端墻（司機室）等部件組焊而成（如圖1所示），底架地板、側墻、車頂采用的是大型中空薄壁型材，焊接工藝復雜，雖然在車體總組裝過程中采取預變形控制、焊接順序優化等一系列措施，焊接變形得到了有效控制，但仍有部分車輛出現尺寸超差現象，車體尺寸超差將直接導致內裝安裝研裝量增大，嚴重的可能會導致車體報廢。

根據制造經驗，車體尺寸超差主要體現在車體內寬、內高、對角線、門框輪廓度、外板輪廓度等方面，焊接變形主要有縱向收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形和波浪變形等。

車體焊接變形的原因很多，鋁合金熱傳導系數及熱膨脹系數較大，鋁合金加熱后其變形量較大;車體焊縫中心線與結構截面的中性軸不重合，各部件的不均勻受熱及冷卻收縮過程極易導致焊接變形;此外，車體大部件本身的精度質量也是影響車體總組焊后精度的關鍵因素。

2 車體變形矯正方法

變形矯正的原理就是在外力或局部加熱條件下，通過材料熱脹冷縮消除焊接變形或使變形減少到規定的范圍之內。變形矯正方法主要有加熱法、加壓法、加熱兼加壓法。其中加熱矯正是應用最為廣泛的一種方法，其對于大型構件和自身強度較大構件的調修效果最好。加熱矯正包括點狀加熱法、線狀加熱法和三角形加熱法。

點狀加熱是指加熱為點狀分布，點數根據結構和變形大小情況而定，點狀加熱冷卻后，熱膨脹處向點的中心收縮，在鋁合金車體調修中主要用于單層板結構波浪變形的矯正。

線狀加熱是指火焰沿著直線方向慢慢移動或同時做橫向擺動，形成一個加熱帶的方式。線加熱有直通加熱、鏈狀加熱和帶狀加熱三種形式（如圖2所示）。線狀加熱橫向收縮要比縱向收縮大得多，而橫向收縮隨著加熱線寬度的增加而增加。線狀加熱在鋁合金車體調修中主要用于對側墻直線度、車體寬度、高度、對角線等車體結構尺寸調修。

圖2 線狀加熱法（三種形式）

三角形加熱是指加熱區域呈三角形，一般用于矯正剛度較大、厚度較大的結構彎曲變形。由于加熱面積較大，因而收縮量也大，由于沿三角形高度方向上的加熱寬度不等，所以收縮量也不等，從三角形頂點起，沿兩腰向下收縮量逐漸增大。三角形加熱主要用于側門框立柱輪廓度、彎梁結構調修。

3 變形矯正技術在車體制造中的典型應用

鋁合金車體組焊完成后，針對不同的變形程度，采取的調修方法不同，以下結合車體制造過程提出了變形矯正技術要求及措施。

3.1車體結構尺寸調修

車體組裝焊接完成后，側墻、車頂大部件主要出現彎曲變形，側墻直線度、車體高度、寬度和對角線尺寸均會發生變化。車體結構尺寸調修主要采用的方式為加熱兼加壓法，加熱時主要采用線狀加熱法。

1）尺寸調修控制方法

側墻直線度調修時，先以一面側墻為基準，對另一面側墻的直線度超差部位進行調修，然后再交換進行。當側墻直線度過大（側墻區域凹陷）時，需要將頂桿頂在待加熱的焊縫部位，對側墻窗下第一條內側焊縫進行加熱水冷調修;當側墻直線度過小時，需要利用拉桿將側墻窗口下部焊縫處拉緊，對側墻與底架的內側焊縫進行加熱水冷調修。

車體內部高度調修時，減小車體內高在車頂外部對車頂高度超差附近的焊縫進行加熱水冷調修，增大車體內高在車頂內部對車頂高度超差附近的焊縫進行加熱水冷調修。

車體內部寬度調修時，減小車體寬度在車體寬度超差部位附近兩側墻焊縫部位拉緊，對側墻與底架連接部內側焊縫進行加熱水冷調修;增大車體寬度的調修方式為在車體寬度超差部位利用頂桿頂緊，對側墻窗下部第一條側墻板連接焊縫進行加熱水冷調修。

車體斷面對角線差調修方式為對側墻與底架連接部內側焊縫和側墻與車頂連接的內側焊縫進行加熱水冷調修。

2）加壓方式

當進行車體結構尺寸調修時，先利用拉桿將待調修部位拉緊或利用頂桿將待調修部位頂緊，需保證至少3根拉桿或頂桿均布在需調修的部位，需調修部位1根，左右各1根，相鄰兩根間距為1.5m，頂桿與車體接觸部位需增加墊木，防止因頂緊力過大引起型材凹陷。為避免調修過程中變形過大導致失穩變形，調修過程中拉桿或頂桿交替進給，調修次數不超過3次，總調整量最大不大于5mm。

3）加熱方式

火焰噴嘴與焊縫之間要有（20～25）mm的距離，避免火焰偏移焊縫后蔓延到側墻板上，造成側墻板局部過熱產生凹凸變形。火焰加熱行走速度均勻，避免產生局部過熱導致側墻板產生凹凸變形。針對對側墻與底架的內側焊縫進行加熱水冷調修，火焰噴槍與側墻板夾角為35～45度，針對型材對接焊縫進行加熱水冷調修，火焰噴槍與側墻板焊縫垂直。

4）調修前后數據對比分析

在車體長度方向均勻選取5個測量點，側墻直線度和車體對角線理論尺寸為0，車寬的理論尺寸為A，車高的理論尺寸為B，記錄這些點變形矯正前后的尺寸。通過結合車體試制對相關尺寸進行跟蹤及分析，從表1可以發現，變形矯正方法可有效提高車體尺寸精度。

3.2 鋁合金車體單層板調修

鋁合金車體單層板結構主要應用在端墻板及司機室外板結構，主要為鋁板和鋁骨架構成的焊接結構，單層板與鋁骨架的焊接過程中因受熱不均、結構強度不同導致冷卻后產生波浪變形（凹陷、凸起）。

鋁合金車體單層板結構通常采用的調修方法為加熱法與加壓法調修（錘擊），加熱方式為點狀加熱，利用火焰噴槍對單層板凸起的四周加熱，加熱點金屬體積收縮，就會將相鄰部位金屬拉緊，凹凸變形部位周圍各加熱點的收縮將變形處拉平。由于單層板以A5083為主，加熱溫度控制在250℃。加熱過程可利用打平手錘對凸起部位輕擊，加速板材收縮，調修過程利用平尺或者檢測樣板對工件進行檢測。通過對單層板結構進行調修，輪廓度和平面度尺寸可控制在2mm以內。

3.3側門立柱輪廓度調修

鋁合金車體側門立柱在側墻與底架、車頂焊接中產生大量熱致使側門立柱焊后外輪廓發生變形，側門立柱是車體中典型的梁柱結構。

側門立柱調修方法采用加熱兼加壓法，加熱方式采用線狀加熱與三角形加熱，冷卻方式采用水冷。調修前根據需求在調修部位使用頂桿頂緊或拉桿拉緊側門立柱，加熱位置為側墻門立柱型材變形位置，根據調修需要進行（內外側）加熱。針對變形量較小時，也采用加壓法（錘擊）進行冷調修。通常情況下，側門立柱的輪廓度可控制在2mm以內。

4 ?結束語

1）鋁合金車體變形矯正技術歸根結底是有效利用材料受壓力作用下變形和熱脹冷縮變形。車體變形矯正可有效提高車體的制造精度，減小焊接變形對車體車體質量的影響。

2）鋁合金車體變形矯正對操作人員提出很高的要求，操作人員需能根據車體結構的特點和變形情況，正確判斷出調修的位置和方法，采用不同的加熱方法、進給速度、加熱時間的長短與加熱溫度，要根據調修前的測量數據進行仔細分析、綜合考慮，盡可能減少調修次數。

3）在鋁合金加熱調修中對于不同性能的鋁合金采用不同的加熱溫度與控制極其重要，如果溫度過大可能將鋁合金材料熔化，從而使材質強度下降;溫度太小調修困難，從而增加加熱次數，所以控制好溫度才能獲得滿意的矯正效果。

參考資料：

[1] 劉大勇，張慧《鋁合金焊接變形的火焰調修技術研究》.2016年.

[2] 隋紅心.《鋁合金車體焊接變形火焰調修技術創新》. 長春大學學報; 2005， 12（6）; 10-12.

[3] 張占嶺. 《軌道車輛鋁合金車體焊接工藝探究》. 裝備制造技術; 2012（4）; 241-242.

[4] 王炎金. 《鋁合金車體焊接工藝》. 機械工業出版社; 2011.6.