铝合金框架车身弧焊焊接应力变形的控制

铝合金框架车身弧焊焊接应力变形的控制

刘君 刘长生 张浩 蔡宇

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062

摘要：与其他金属材料相比，在汽车、航天航空、化学、机械制造等行业中，铝合金材料凭借其低密度质量轻便、耐腐蚀性高、焊接性能优异、比强度高等特点，已经具有非常成熟的应用。特别是在汽车行业，铝合金在车辆的底板、车身框架等基本结构中都是主要的构件原材料。大部分铝合金型材都需要利用一定的连接技术才将其组建成车身框架，与其他连接技术相比焊接技术在铝合金框架连接中，具有更为优越的性能表现，因此大多车身框架都是采用电弧焊焊接技术。但是与此同时，由于铝合金材料的导热率和热膨胀系数都比较大，焊接过程中，会产生较大的残余应力，引起焊接应力变形，影响铝合金框架车身的尺寸规范性以及焊接质量。本文针对铝合金框架车身弧焊过程中产生的焊接应力变形进行了简要分析，并提出了一些控制焊接应力变形的具体方法。

关键词：铝合金框架车身；弧焊；应力变形控制

使用电弧焊对铝合金车身框架进行焊接时，需要对铝合金型材的局部位置瞬时进行加热和冷却，由于不均匀的温度变化，在焊缝位置中会产生较大的热应力，引发一定的残余应力和塑性变形。为了不影响铝合金框架车身的质量和精准度，必须对电弧焊焊接应力变形采取相应的措施进行有效控制。

1.铝合金框架车身弧焊应力变形及其原因分析

在铝合金框架车身电弧焊过程中，焊接应力变形往往是与热裂纹同时出现的。在焊缝冷却凝固的过程中，由于脆性温度区间的存在，其中的金属没有很高的延展性，如果有拉应力对其作用，就会出现微裂纹。在焊缝冷却期间如果没有补充相应的液态金属，最终就会成为热裂纹。另一方面，焊接应力变形的产生与焊接过程焊缝位置不均匀的热量输入具有密切的联系。通常来讲，与焊接热源距离较近的位置温度就会非常高，相反，距离焊接热源比较远的位置，其温度就会比较低。对于处于高温区域的铝合金材料，其因为接受到较多的热量，会发生热膨胀，但是由于较远位置的铝合金材料对其产生的限制作用，就会使其发生压缩塑性变形。在完成焊接操作之后，由于热源的撤离，同样因为周围铝合金材料的限制，已发生变形的铝合金材料将会无法自由收缩。另一发面，焊缝金属由于熔池的冷却凝固，也会出现收缩性的拉应力以及变形。综上，在焊接接头位置就发生了残余应力变形。在焊缝区域以外的铝合金材料中，会在焊接过程中产生残余应力，表现在整体结构上的就是焊接残余变形。故此，要控制铝合金框架车身弧焊的焊接应力变形，就必须从以下几方面入手，一是减少焊接过程应力变形的产生，二是在焊缝收缩之后，设法提高该部分金属的延展性。

2.随焊挤压旋转控制法

在对铝合金框架车身弧焊焊接应力进行控制的多种方法中，随焊挤压旋转控制法，即WTRE的应用，能够有效改善铝合金框架车身结构中焊接接头位置的性能和组织结构，细化焊缝结晶的晶粒大小，使晶粒具有杂乱的生长方向，进而提高铝合金焊缝位置的力学性能。实践显示，在采用了随焊挤压旋转控制法之后，铝合金材料焊接接头能够增强40MPa左右的抗拉强度。除此之外，对于热裂纹，随焊挤压旋转控制法也能发挥良好的控制作用。而且，随焊挤压旋转控制法的操作方法和设施都比较简便，能够优化操作人员的工作强度和环境，在自动化操作方面也具有显著的优势。随焊旋转挤压控制法是在铝合金焊缝冷却凝固的时候，对其使用圆柱挤压头进行挤压旋转，焊缝金属因此会出现拉伸应变，同附近位置的残余拉应力互相抵消，最终实现降低铝合金框架车身由于失稳而产生应力变形的可能。随焊挤压旋转控制法应用过程中的挤压旋转装置的主要构成部件包括挤压头、焊枪、焊接夹具以及填丝机构。其中，挤压头需要对铝合金框架车身的焊缝位置同时施加垂直压力和旋转力，机械装置和挤压头本身的重力是垂直压力的主要来源，电动机则为挤压头提供旋转动力。

3.双向预置应力控制法

预置应力控制法是在进行铝合金框架车身弧焊之前就应用的一种焊接应力控制方法，其是通过进行预拉伸的方式进行焊接应力的控制。在进行焊接之前，在焊缝平行方向进行预先纵向拉伸，实现对焊接应力的控制，同时，还要在横向方向施加一定的压应力，实现补偿焊缝拉应力的作用，并对热裂纹的产生加以避免。通过实践可知，如果确定横向预置压应力，增加纵向的预置拉应力，能够不断减少铝合金结构的挠曲变形量，降低焊接的残余应力峰值大小。可见，通过双向预置应力控制法的合理应用，就能够获得具有低焊接应力变形和低应力的无热裂纹的铝合金框架车身结构。

4.随焊冲击碾压控制法

WTIR，中文名称随焊冲击碾压控制方法，是指使用碾压轮对焊缝区域施加作用力，抵消或者降低焊缝区域产生的焊接应力，进而控制焊接应力变形，提高焊缝质量水平。随焊冲击碾压控制装置的主要构成部分包括冲击碾压轮以及其后座、冲击传力杆以及气锤。冲击轮中，后冲击轮大多使用凸面轮进行针对冷却凝固期的焊缝的碾压，延展焊缝金属在横向上产生的挤压应变，最终实现控制焊接应力变形的目的。对铝合金框架车身弧焊过程使用冲击碾压控制法之后，观察焊缝位置的金相，可以发现晶粒出现明显的细化，缩孔等缺陷也有所减少，结构更加致密化。在力学性能方面，经过随焊冲击碾压的铝合金焊缝，其疲劳寿命。抗拉强度以及塑性都具有非常显著的提升，抗拉强度远远高于普通铝合金焊接结构。

结束语

焊接过程造成的焊接应力变形会对铝合金框架车身结构的尺寸标准性造成严重的不良影响，如果焊接过程或者焊接之前不采取相应的措施加以控制的话，焊接完成之后就必须耗费大量的人力物力进行焊后矫正工作，不利于生产周期的缩短和生产成本的控制，影响车辆整体质量的同时，降低汽车企业的经济效益和社会效益。为此，必须针对铝合金框架车身弧焊焊接应力的产生机理，采用具有针对性的措施，才能保证车身框架的焊接质量。部分铝合金框架车身弧焊焊接应力的控制技术还处于发展之中，成熟度和大规模应用性有限，需要相关专业人士持续进行研究和实践探索，不断提高应用水平。

参考文献

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