鋁合金倉儲箱側墻焊接難點分析及焊接工藝優化研究

朱佃坤

（山東鑫亞工業股份有限公司，山東 聊城 252000）

鋁合金倉儲箱是近年來產生的運輸設備，其規格和形狀基本上都有了固定的規范，因此，在進行焊接工藝操作時，要充分考慮焊接的先后順序。從總體設計上，包括側墻總成和底板系統，都經過了拼裝焊接而得到。由于側壁板的設計流程比較煩瑣，是利用鋁合金的空心材料加壓焊接而成，需要在多次更新優化步驟下，使其能夠滿足生產要求[1]。在數字化手段逐漸成熟的勢態下，世界各地對于焊接方法的選擇越來越多樣化，按工作原理分為四種方式。其中對于固定點位的焊接，主要采用閃電焊接，在電阻加熱的方式下，使得接觸點中會產生閃光，使得材料表面全部熔化，通過深度范圍內置壓力焊接。對現場聯合焊接情況，會采用氣壓焊接的方式，是指在氣體燃料的熱能產生時，將制備材料熔化到塑性狀態，再進行鍛頂壓力焊接[2]。

1 鋁合金倉儲箱側墻焊接難點分析

1.1 側墻結構更新頻繁難以明確合理焊接參數

一般來講對鋁合金的倉儲箱設計，為滿足運輸配送的基本要求，側墻的壁厚度不會超過1.4mm，而與之相連的上下梁切斷的厚度會在6mm 以上，從而形成搭接的接頭形式。由于倉儲箱呈現裝配拼接的結構，在進行側墻板設計時主要是保證平整度，需要其與上橫梁的設計為搭接接頭，可以為T字形接頭，與下橫梁的接頭也為搭接形式。內部和外部的材料要均勻的焊滿，較薄的一側板墻焊腳尺寸不得超過2.4mm，厚板墻的焊腳尺寸不低于3.5mm[3]。

根據這樣的不等后的接頭樣式，在焊接過程中極容易出現不穩定的操作，影響后期的側墻板融合不佳問題，較薄的地方會燒穿。常規條件下鋁合金倉儲箱側墻的生產線，采用專機焊接進行工藝設定，通過MIG 專機焊接方法，對側墻板進行邊梁的焊接和補焊等工作。

根據圖中內容所示，在采用專機焊接的側墻工藝上，制作流程可以劃分為三個階段：第一是對裝配的側墻進行參數設定，測量出其與外墻板的距離，以及側墻的板角尺寸和連接尺寸[4]。第二是在樣板間進行拼焊和對接，將鋁合金材料內表面進行斷續焊接，使其能夠與上下邊梁進行融合連接。第三是檢查焊接不穩的缺口，進行多次的補焊和清理，一側焊接完后要翻轉側墻。對另一側進行焊接，將側墻板相鄰處之間形成嵌入式對接接頭。但由于倉儲箱產品結構的不斷更新換代，使用的材料厚度會發生變化，從而難以明確具體的焊接參數和順序，造成倉儲箱側墻的成品尺寸與實際需求不符，無法滿足圖紙的精度要求。

1.2 鋁合金材料導熱效率高致使接頭應力復雜

以鋁合金材質進行倉儲箱的打造，在側墻焊接過程中會形成不均勻的承載能力，產生大小不一的焊縫，按照成品的接收標準來看，需要在焊接接頭質量等級中最低滿足D 級。焊接后要求為：側墻板的整合平整度要小于3.5mm，對角線誤差在±1.5mm 內，整體側墻不會發生扭曲和變形。在此類情況下進行側板墻焊接，需要在焊接的內部進行不斷變換，在可能產生焊縫的地方進行反復的焊接操作[5]。

在側墻和連接柱的中間加入對接頭后，便可采用有限元分析的方法，當出現滿載狀況時進入緊急轉彎焊接，即使發生了變形后的對連接頭，仍存在有一定拉應力。而反復的焊接過程，雖然可以加強側板墻的自身承載力，但較薄弱的接口部位容易產生燒穿問題，主要是焊接的溫度過大，而板材選料的過程較為單一，而較厚板材處為迎合較薄地點的焊接程度，又容易出現自然融合的缺陷問題，具體情況如圖1 所示。

圖1 側墻燒穿與未熔合狀態示意圖

根據圖1 中內容所示，在進行焊接工藝選擇時，會受到鋁合金材料自身的性質影響，由于其導熱的效率過大，在線性膨脹系數統一的情況下，過多地進行焊接操作，會造成焊接線能量過高，致使較薄側板墻的焊腳出現燒穿問題。當產生問題后，以實際情況進行分析和測定，以電網的波動情況入手，焊接過程中會呈現出不同的問題，導致焊接后的側板墻接頭應力復雜，不能在統一標準下進行應用[6]。受焊接工藝不穩定因素影響，在鋁合金倉儲箱側墻焊接中存在多個難點問題，使得制作的效率和工藝水平不能大幅度提升，需要花費大量的時間進行補救和整形，為此設計鋁合金倉儲箱側墻焊接工藝的優化方法。

2 鋁合金倉儲箱側墻焊接工藝優化方法

2.1 有限元網格劃分焊接參數

通過模型內的有限元網格模塊，對焊接過程中鋁合金材料的物理屬性進行跟蹤和定位，使其在統一的溫度變化內，能夠促進焊接縫隙和母材的屬性相一致。選擇初始側墻的制作規格，設定平板尺寸為600mm×600mm×52mm，在各部分組件劃分后精細化焊縫的對接[7]。

由于整個焊接過程包含了多條焊道，在制定焊接工藝參數時，需要考慮多種因素，才能夠保證焊接階段不出現損傷情況，避免返工和重焊的問題。各個焊道的層間溫度控制在190℃-260℃范圍內，保證焊接接頭的尺寸不超過平板數字，分別對需要應用的焊道參數進行設置，具體如表1 所示。

表1 鋁合金倉儲箱側墻焊接工藝參數

根據表中內容所示，此次對焊接參數的設定取電壓和電流，以及焊接速度三個標準。焊道的劃分以有限元模型直接獲取，隨著電壓取值的升高，其對應電流也會隨之增加，而在兩者均增加的情況下，焊接速度才會提升，因此三者呈現出正相關狀態[8]。而以焊道劃分為標準進行讀取，根據字母的排列順序對應焊道先后位置，其中在越遠的位置焊道中，三個影響因素的參數標準數值越大。依據劃分好的焊接參數，制定焊槍的運動軌跡，進行焊接工藝的優化設計。

2.2 規劃焊槍運動軌跡

完成特定影響參數設定后，在有限元模型內模擬側墻焊接的過程，直接按照內生熱源的方式，將整體倉儲箱側墻加熱到預設的溫度上進行熱處理，再對其他處理區域進行局部冷卻操作[9]。

而冷卻過程中會存在流速介質，會對焊接的殘余應力產生很大的消除抵制，需要考慮消除殘余應力的放大，進行分階段的焊接操作。

以ABAQUS 生死單元為技術要點，對溫度場和應力場進行耦合對峙，以同步時間內的振幅曲線變化，獲取焊接熱源的移動規律，將熱量密度作為因變量進行計算，表達式如下：

公式中：熱量密度用z 來表示；焊接電弧的熱效率用X來表示，取值范圍在0.2≤X≤0.6 內；電弧的電壓用c 來表示；對應的焊接電流用v 來表示；焊接過程產生的焊縫截面面積用b 來表示；整體焊接速度用n 來表示。根據牛頓的冷卻定律，若假設在冷卻過程中沒有冷卻分流介質，那么冷卻的區域內能夠保證熱量系數不變，通常直接選擇與室溫相近的溫度作為模擬邊界[10]。

對鋁合金倉儲箱側墻的焊接過程，在保證焊槍的運動軌跡不出現偏差的基礎上，直接利用有限元模型進行焊接參數設置。至此在分析鋁合金倉儲箱側墻的焊接難點基礎上，通過有限元網絡劃分焊接參數，重新規劃焊槍的運動軌跡，完成側墻焊接工藝的優化方法設計。

3 實驗測試與分析

為驗證此次設計的優化方法具有實際應用效果，能夠在鋁合金倉儲箱側墻焊接過程中，保證墻板焊接接頭的質量，以此提高焊接效率，采用實驗測試的方法進行論證。以動車運載車廂為測試條件，其整組車體均為鋁合金焊接結構，在左右兩側分別存在兩組側墻，一個是外端墻，另一個是內端墻。兩者通過短側墻的焊接與左右側墻進行組合，形成箱型結構，其中兩組側墻的厚度均為6mm，焊縫形式為外側6HV。按照以上設定進行動車車組的試制，保證粉干能夠與底板進行精密連接，并且外形輪廓要具備較高的平整度。

在試制過程中出現了平面度超標問題，得到的側墻尺寸不能滿足運輸要求，內側墻板與焊腳處產生多處開裂，局部裂紋最大達到了42mm，最小也有12mm。將選擇的測試對象所有信息，上傳至MATLAB 測試平臺中，直接對首次制備過程進行參數分析，主要原因為焊接工藝與參數不匹配，在后續調節焊腳和焊縫時才會出現開裂現象。

對上述制備條件和情況，能夠滿足此次實驗的要求，選擇兩組傳統優化方法最為對照，與本文優化方法進行對比，完成對該動車倉儲箱焊接工藝的優化，使其能夠滿足精度要求。通過三組優化方法進行測試，原有優化方法的具體措施和流程，不額外進行闡述，直接對本文方法的工藝流程進行設定，如下：

（1）調整焊接順序：首先采用分段法對外側的3HV 焊縫，進行退焊焊接；其次利用跳焊的方式進行內角焊縫焊接；最后對焊縫的長度控制需保證一致。

（2）匹配焊接參數：將焊接電流和電弧電壓，控制在對應的標準焊接速度下，以焊鉗預熱的方式匹配焊道溫度，保證在焊縫融合的基礎上，較少熱量的集中匯集。

（3）統一裝配組件：對內側板進行焊接時，同時考慮封板和側墻的緊密程度，減小接口處的焊接填充量，以此降低側板的變形量。

按照上述的步驟設定，以設置好的焊接參數進行動車組倉儲箱的側墻制備模擬，直接在平臺中引入模型制備軟件，具體模擬圖和實際成品效果，如圖2 所示。根據圖中內容所示，本文設計的優化方法能夠將側墻板進行圖像轉換，在對應的問題發生點位上進行模擬，完成對倉儲箱側墻板的圖紙刻畫。以實物圖顯示結果可知，本文方法能夠對焊接工藝進行優化，在制備過程中基本沒有出現裂縫問題，且焊腳與焊腳之間的連接也非常流暢，具有實際應用意義。

圖2 倉儲箱側墻制備過程

為進一步驗證本文方法的有效性，對三組優化方法的工藝制備過程進行測試，以實際實物均能滿足運輸標準為基礎，對比不同的工藝優化方法下，制備過程的返工次數。當焊接接頭的應力強度不足260MPA 時，會進行返工，其他條件均以原有設定為標準，以10 天的制備工期，具體測試結果如表2 所示。

表2 不同焊接工藝優化方法下返工次數對比（次）

根據表中內容所示，在本文方法應用下，基本上沒有出現返工的情況，而兩組傳統優化方法下，均產生了數次返工，最多返工次數為5 次，若在給定的制備周期內多次返工，會影響后續的焊接效率，延長側墻的制備周期，影響倉儲箱的成品組裝。綜合實驗結果來看：本次設計的優化方法，能夠快速對涉及參數進行分析和匹配，選擇最合適的工藝順序進行焊接，保證接頭的返工次數降到最小，具有實際應用效果。

結束語

本文以分析鋁合金倉儲箱側墻焊接難點為基礎，對焊接工藝進行優化設計，通過有限元模型中的網格單位，進行多組參數劃分，完成對側墻焊接順序與工藝匹配，以此制定焊槍的運動軌跡，完成鋁合金倉儲箱側墻的焊接工藝優化方法設計。實驗結果表明：以動車組鋁合金倉儲機身為測試對象，對其設定的成品參數進行制備，在本文方法下能夠產生較高的焊接精度，在側墻和焊腳之間基本沒有產生焊縫，且在按照設定的制備工期進行焊接時，沒有出現返工問題，具有實際應用效果。

但由于本人時間有限，在研究過程中對測試環節的對比方面較為單一，所得結果具有一定偏差性，仍存在少許不足之處。后續研究過程中會針對此方面進行重新模擬，為倉儲箱的側墻焊接提供更科學的理論支持，保證焊接工藝的精度和效率。