鐵路機車鋁合金制件焊接變形原因及控制預防

郭喜春

(哈爾濱鐵道職業技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

焊接方式是鐵路機車鋁合金結構之間常規化的連接方式，通過精致的焊接工藝，可以將許多部件有效的連接在一起。但是在焊接的過程中，由于焊接過程會產生高溫，因此焊接部件會受到不同類型的應力、環境、焊接溫度以及材質屬性等因素的影響，從而出現一些影響焊接質量的問題。質量問題的產生則會對零部件的連接造成一定的安全隱患，直接投入使用將會帶來很大的危害。以部件連接方式的焊接環節作為例，在焊接過程中不僅僅需要高超焊接工藝，同時還需要產品滿足對焊接變形的控制處理，從而在技術和材質兩方面都具有充足的操作空間，以達到施工目的。

1 焊接變形分類

在焊接過程中，由于操作的特殊性，出現變形的原因有很多種，其中，母材材質質量不達標則會出現嚴重的問題；填充材料與母材之間的黏合度不夠，則會產生很大的變形；焊接方法不嫻熟以及使用方法不正確、順序不正確，操作上的失誤也會造成變形現象的產生；焊接過程中沒有根據相關操作標準進行焊接，焊接參數不正確等，這些最基本內容上出現了錯誤也就會導致焊接出現變形現象，或者出現一些很難處理的問題。

2 鋁合金制件的焊接變形

鋁合金制件的焊接變形按照最常見的變形方式可以分為縱向變形、橫向變形、彎曲變形、角變形、波浪變形和扭曲變形等。此外還有一種按照焊接結構的區分，可以根據變形的具體情況以及比例分為局部變形和整體變形。局部變形就是指在焊接作業中，制件的某一部分出現了變形，局部變形中主要有角變形和波浪變形，此種變形模式受到的力較小，因此變形程度對結構的影響也較小，在后期的處理中也比較容易操作，修復性較強。焊接結構的整體變形則指的是整體發生了尺寸和形狀等方面的變形，這種變形程度較大，因此在后期處理的過程中難以操作，整體變形包括了縱向、橫向、彎曲、扭曲變形等。

2.1 縱向變形

縱向變形主要指的是焊接部件在焊接過程中出現了縱向縮短的變形，由于焊縫的不斷調節，因此焊接部件的收縮量也會隨著焊縫的增加而增加。此外由于鋁合金材料本身具備較大的線膨脹系數，焊接會造成很大的膨脹收縮，作業之后焊縫縱向收縮量較大。進行多層焊接時，第一層是最初焊接的，后面的焊接也會對其產生一定的影響，因此第一層所引起的收縮量最大，第一層的焊件在焊接時，具備的剛性較小，因此難以把控。為了減少焊件的收縮量，在進行焊接式需要將焊件固定在夾具下，此方法可以有效地減少焊件的變形程度。

2.2 橫向變形

橫向變形則是部件在焊接的過程中出現了橫向縮短現象。焊接過程中會出現不均勻的加熱，從而導致焊縫和母材的受熱部分在發生變形的同時會受到其他部位的抑制。橫向變形和縱向變形的原因基本相似，只是在結果上有縱向和橫向之分。橫向變形的程度主要與板厚有關，此外還與坡口角度有關，板厚增加、坡角度大都會造成橫向收縮量的增大，在實際焊接過程中，對某對接焊縫進行焊接時會由于焊接次序和方向上存在不同，產生不同程度的橫向焊接變形。

2.3 彎曲變形

彎曲變形現象主要出現在梁、柱、管道等零部件中，彎曲變形造成的損傷較大。在衡量彎曲變形的程度中，撓度的數值是一個十分有效的衡量標準，撓度越大，彎曲變形的程度也就越大。

2.4 角變形

在進行鐵路機車鋁合金制件的堆焊或者對接時，鋁板的厚度是十分關鍵的部分，如果鋁板較薄，那么可以視為溫度分布比較均勻，角變形也就不易產生。但是鋁板較厚時，溫度的傳導受阻，則會出現兩面溫度不一致，其中溫度較高的一面則受熱膨脹程度較大，另一面膨脹程度較小，此時會產生明顯的橫向壓縮塑性變形。在冷卻時也會由于厚度太大，兩個面的冷卻效果差距太大，容易出現收縮不均勻現象，出現焊接一面收縮大，另一面收縮小的現象[1]。

2.5 波浪變形

薄板焊接結構中經常會出現波浪變形現象，波浪的出現可以解釋為由于薄板結構焊接時縱向和橫向的壓應力使得薄板失去了穩定出現波浪形的變形，此種變形程度較大，并且明顯。

2.6 扭曲變形

扭曲變形是一種復雜的變形模式，產生的原因也較多，焊接時部件的位置和尺寸與設計出現不符、形狀不規范等都會造成扭曲變形產生。

3 鐵路機車鋁合金制件的焊接變形原因

鐵路機車鋁合金制件在焊接過程中由于影響因素過多，極易發生變形，其中包括了材料性質、結構設計、焊接工藝等[2]。

3.1 材料性質因素

在材料本身的性質方面，鋁合金材質存在物化性能很活潑的特點，焊接過程中焊接接口的軟化會降低產品本身的強度系數，此外鋁合金制件的線膨脹系數較大，所以更容易出現變形的現象。因此在進行鋁合金制件焊接時，由其母材內部結構中存在的一些特殊化學成分產生的影響，會給焊接過程帶來一些質量問題。

3.2 結構設計

在進行結構設計時，由于鋁合金制件本身材質的原因，在作為焊接構件時會受到本身和外在多方面的拘束。當前隨著鐵路機車內部零件的連接方式越來越復雜，鋁合金制件拘束變化也趨向于復雜化，在焊接過程中也就會受到更多的影響，變形等焊接問題也就更容易出現。

3.3 焊接工藝

焊接工藝是焊接過程中最重要的一部分，優秀的焊接工藝可以提升焊接效果。此外由于鋁合金表面易氧化，在操作時要求以大功率密度的焊接工藝為基礎進行。焊接方法的不同以及焊接工藝本身在焊接中存在加熱與冷卻過程，存在很多影響焊接效果的因素，焊接部分會受到熱脹冷縮基本原理的控制，焊接部位會產生焊接應力，從而導致焊接變形。溫度不同的地方所產生的應力也有很大的區別，焊接應力在高溫部位所表現的力為膨脹拉伸應力，在焊接部位周邊都會受到影響。在溫度較低的部位，所產生的則是收縮應力，也會造成力的分布不均，當焊接過程中溫度變化一直處于冷卻過程時，焊接應用力與焊接變形會同時發生，焊接效果極差。當溫度與周圍環境的溫度差不多時，鋁結構的制件依然存在多個方向的殘余應力，導致鋁結構內部會產生不同方向的變形，哪一方應力較大相應的變形程度也就更大[3]。

4 鐵路機車鋁合金制件的變形控制措施

4.1 完善工藝流程和系統運行機制

鐵路機車類型有很多種，在生產過程中對鋁合金制件的要求也會不同，因此在操作的過程中使用的工藝流程也會有所不同。首先需要從焊接的工藝流程入手，對工藝流程進行優化完善，可以使用標簽法使得驗收人員和焊接人員以及評估人員能夠對制件實行統一的處理。此外還需要根據工藝各環節的設計數據收集、技術要求等方面的評估方案，對焊接工作進行整體的評估，焊接施工可以分流到每一個細致的環節，進行更細致的管理與控制，每一個環節的評估機制和工藝設計需要具有較高的匹配度，從而提升焊接質量控制。

4.2 引入先進技術

在焊接儀器和設備方面，可以合理利用先進的設備增加焊接效果，例如卡尺夾具、紅外線等設備，從而提高焊接工作的基礎設施條件。當前還可以進行焊接變形的預控，主要是使用有限元理論，此理論可以進行操作前模擬，從而預知一些問題和隱患，提前得到焊接的數據，做好充分準備去應付變形。

4.3 優化設計

在焊接中的應力是客觀存在的，因此在對鋁合金制件進行焊接時，可以從設計策略方面入手，減少變形問題的產生，增加其平滑度，增強焊接效果。此外，焊縫的集中和焊點的相交也會造成應力集中，此時需要對其進行劃分，按照主次方法斷開。殘余應力所造成的焊接變形則需要根據實際情況分析，對不同的變形加以相應的處理，包括對小焊縫數量的控制、焊接順序、焊接約束度等，再結合以往的經驗采用錘擊法，利用錘擊法增加制件本身的塑性應力，抵消掉殘余應力減少變形[4]。

5 結語

鐵路機車鋁合金制件焊接是一項十分重要的工作，為了有效提升焊接效果，技術人員需要對焊接中出現的變形進行分析，根據產生的原因選擇合適的變形控制措施。此外，技術人員還需要對材料屬性、工藝流程、焊接設備等進行優化，借助當前的先進儀器進行變形預測，從而做到提前控制，減少變形現象的產生。