探究铝合金车体制造工艺及焊接难点控制分析

探究铝合金车体制造工艺及焊接难点控制分析

刘丙臣

青岛市技师学院， 山东 青岛 266031

摘要：铝合金车架目前已经在汽车中广泛地应用。铝合金材质相比以前造车常用的钢铁，性质上有着很大的差异。这就使得生产商在对铝合金进行焊接的过程中遇到了不少的难点。因而工程师们针对铝合金焊接上的难点，积极革新传统的焊接技术，为铝合金车架未来更广泛地应用到汽车中铺桥搭路。

关键词:铝合金；车体；制造工艺

引言

铝合金激光焊接是科研院所和企业持续进行技术研究和应用的难点和热点领域，随着市场对结构轻量化需求的持续增长，以及国产高功率激光器、激光头产品逐渐发展成熟，激光焊接系统成本呈现下降趋势。在此背景下，限制铝合金激光焊接应用扩大的关键瓶颈将由成本投入向焊接工艺转变，突破新型/难焊铝合金材料、以及厚板复杂结构在特定应用场合的激光焊接工艺将成为铝合金激光焊接技术的发展趋势和应用增长的动力源泉。为了减少能源消耗和提高运行速度，轻量化车体一直以来都是轨道交通车辆技术研发的方向，为此选用合适的材料对车体轻量化至关重要。铝合金材料因密度小、强度适中、易成形等优点而成为新型轨道交通车辆车体用材料的首选。

1 铝合金激光焊接的难点

铝合金激光焊接受基体材料本身性质的影响存在较多难点，比如，液态铝表面张力低，造成激光深溶焊小孔坍塌而形成气孔；铝合金所含低熔点合金元素在激光焊接过程中被烧损，造成焊缝性能弱化；焊缝低熔点共晶合金元素成分易在冷却凝固过程中形成裂纹；热处理强化铝合金在焊接热循环作用下产生热影响区软化；液态铝表面张力低、固态铝热导率高，以及Al、Mg等元素易氧化造成焊缝表面成形差等。此外，为降低铝合金激光焊对装配间隙的要求，并抑制焊缝裂纹的产生，通常采用激光填丝焊或激光电弧复合焊接技术。由于铝合金焊丝相对较软，所以需要确保从送丝嘴出来的焊丝的指向性，以避免焊丝未熔化、填充焊缝产生偏向等问题；同时，原始铝合金表面的氧化膜以及熔融铝新产生的氧化层均会对填充焊丝的铺展效果产生影响。

2 铝合金材料

轨道交通车体目前常用的材料有碳素钢、不锈钢和铝合金三种，无论是从使用量，还是从应用产品的范围来看，使用最广的还是铝合金材料。轨道交通车体用到的铝合金以型材为主、板材为辅，少量部件使用了锻件。目前，轨道交通车体主要应用的铝合金为5系、6系和7系，按照ISO15608—2017材料组别分别为22组、23.1组及23.2组。相对而言，铝型材使用最多的是6系铝合金，且多为6005A和6082铝合金。板材使用较多的为5083和6082铝合金。铝合金优良的挤压性能为铝型材的大量使用打下了良好的基础，国内成熟稳定的挤压制造能力又助推了铝型材的应用。大型中空铝型材的使用，简化了车体的制造工艺。由于铝合金焊接后接头强度会降低，而强度又是结构件最重要的性能指标，因而在铝合金材料标准中对母材焊接后最低强度进行了特别的规定。

3 铝合金车体制造工艺

3.1 安装端墙

装配端墙是车体组装的一个难点，组成车体的各个部件的公差最终都要累积到这里，是各大部件的公差集合点。在消除、减小累积公差的同时还要确保内高、内宽、外形轮廓度、纵向直线度、端墙垂直度、端门口、侧门口的高度和宽度等重要尺寸，尤以门口尺寸控制最为严格。样装端墙，测量端门口高度，确定端墙下沿应去除的量，检查端墙外侧与底架边梁端头连接焊缝的装配效果，必要时进行锤击调修或通过端墙预留焊缝进行调整，为保证端墙焊接完成后的垂直度，端墙向外预置3～5mm倾斜。

3.2 门立柱安装

门立柱与侧墙单元的接头形式为:在外侧型材自带垫板的对接，在内侧为搭接，使得门立柱与侧墙单元具有灵活的装配性和良好的焊接操作性。门立柱安装时呈喇叭口形，上窄下宽(K下＞K上)，外侧对角线应≤内侧对角线(X外≥X内)，并根据挠度测量值进行门立柱安装尺寸控制。挠度值小时，喇叭口设置较大。保证侧墙挠度值的同时还需要控制各门口尺寸满足工艺要求。门立柱尺寸调整好后定位焊接，并安装门口宽度工艺撑杆，同时撑大门口尺寸，从中间向两侧依次减小，保证焊后客室门呈喇叭口形。门立柱焊后因焊接收缩而使门宽度尺寸变大，焊前应考虑门宽工艺放量，将门宽度尺寸控制为门宽下限值，使焊后门宽略小于工艺尺寸上限值，同时门口下部宽度具有一定的调节量。

3.3 车体装配方法

双层车体组成下部支撑采用中间与两端高度差支撑方式，中间地板使用低高度的支撑，两端采用高高度的支撑，保证“反几”字形底架纵向均有着力点，中间支撑位置为双层底架中部下表面，两端支撑位置为边梁下表面。中间支撑和两端支撑保证一定的高度差，高度差值为底架结构中部与两端的高度差，支撑模块要求有一定的调整量，保证支撑与工件密贴。中间支撑模块包括下部横梁，支撑位置两侧和中部，分别支撑U形地板的两侧和中部，中间支撑模块的数量根据底架组成中U形地板的长度而定，在此项目中为6组，2.5m为一组在纵向均布。两端支撑模块件号1为两侧支撑柱，高度可调节，支撑位置为两端底架边梁位置，一端布置两侧各2组支撑模块，此数量可以根据车体两端长度进行调整。

4 焊接新技术

近年来，我国轨道交通制造业发展迅速，随着高速列车发展，列车车体用材料朝着轻质化、免维护发展，目前主要包含碳素钢、不锈钢、铝合金等。其中，不锈钢叠层激光焊接技术已经被应用于地铁生产制造中，取代电阻点焊方法。关于碳素钢激光焊，中车唐山机车车辆公司与中国科学院上海光学精密机械研究所合作，开发碳素钢激光焊接技术，目前在等厚、不等厚、T形接头激光焊接方面已经实现工艺突破，并完成侧墙结构件试制。车体铝合金材料主要采用搅拌摩擦焊技术，材料以6系铝型材为主。在铝合金激光焊接方面，中车四方机车车辆股份有限公司针对高速磁浮长大薄壁铝合金车身中的地板、车顶、侧墙三大部件，以及夹层端板组成等中小部件开展了激光电弧复合焊接技术的研发与样件试制，实现了激光电弧复合焊接技术在时速600km/h高速磁浮列车中的开创性应用。采用激光焊接明显提高了车体制造精度，提升了生产效率，降低了后续加工及维护等生产成本，具有广阔的推广应用前景。

5 结语

随着焊接技术及轨道交通技术的发展，越来越多的轻量化新兴复合材料将会被应用，高速高效、低焊接变形的焊接工艺将会有进一步的市场需求，轨道车辆的焊接技术必将向智能化、数字化、高效绿色环保方向发展。如何实现焊接性相对较差的高性能铝合金激光焊接，以及铝合金厚板复杂结构高效激光焊接，是铝合金激光焊接技术的发展方向。焊接设备国产化、产品的稳定性以及其在焊接应用中的适应能力，是铝合金激光焊接技术另一个发展方向。

参考文献:

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