铝合金车体焊接变形原因及控制措施

铝合金车体焊接变形原因及控制措施

姜宏明  杨晓彤 高斌

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省青岛市  266111

摘要：铝合金车体焊接变形是在焊接过程中由于热应力和残余应力引起的问题。变形不仅影响外观和精度，还可能导致功能性缺陷。因此，控制焊接变形至关重要。本文将深入探讨铝合金车体焊接变形的原因和相应的控制策略，以帮助提高焊接质量和工艺效率。

关键词：铝合金车体；焊接变形原因；控制措施

1 铝合金简介

铝合金是一种基于铝的合金，主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金具有高密度、高强度、塑性、导热性、耐蚀性能等优点，在行业中得到了广泛使用，其使用率仅次于钢铁，铝合金主要包括浇铸态铝合金和变形铝合金两大类型，力学特性比浇铸时好，可以被制成不同的合金，主要应用在航空设备，日常生活用品，门窗等方面。铝合金按加工技术可分成两大类别：一种是非热加工，一种是工业纯铝，非热处理铝等属于非热处理的铝合金，可以热处理的铝有：硬质铝、锻铝、超硬铝、特殊铝材等。

2 铝合金车体焊接变形的主要原因

造成铝合金车体频繁出现焊接变形且难以实现有效控制主要有以下3个原因。（1）与一般钢铁相比，铝合金的熔点较低，约540~640℃。但铝的溶解热和比热却要比常见金属要高出很多，且铝的导热性是普通钢铁的5倍。因此，对于铝合金材料的焊接而言，需要在短时间内提供大量的热才能实现有效焊接。同时，铝的膨胀系数是普通钢铁的3倍，在焊接作业中对于温度和时间的控制要求更加严格。这也是造成铝合金车体焊接变形频繁出现且难以控制的关键因素。（2）由于型材成型技术及车体制造成本等原因，铝合金车体的制造过程中通常使用宽450mm的铝合金，因此需要利用多块型材进行插接组焊，从而形成车体中的大型部件模块。因为铝合金车体焊接作业中采用的焊接方式较多、焊接累计次数多，以及焊接程度较大等作业特性，导致焊接操作难度极大，加之对焊接变形进行有效控制的手段不足，因而易出现焊接变形的情况。（3）铝合金车体在进行二次焊接时，受到的收缩应力与刚性压紧应力的叠加要远大于一次焊接所造成的焊接余应力，所以二次焊接变形程度要明显大于一次焊接变形。

3 铝合金车体焊接变形控制策略

3.1 材料选择与优化设计

控制铝合金车体焊接变形的策略之一是在材料选择和优化设计方面进行考虑。不同类型的铝合金具有不同的机械特性和热膨胀系数。选择低热膨胀系数和较高硬度的铝合金材料，可以减少焊接时的热应力和残余应力，从而降低变形风险。合理设计车体结构，尽量避免焊接过程中形成大面积的焊缝和连接处。采用替代方案，如减少焊接接头数量或使用一体化构件，可减少焊接变形的发生。通过优化焊接序列和合理选择焊接参数，可以减少热输入和热应力的集中。例如，采用多道次焊接、小焊道长度、适当降低焊接速度等方式，可使热量分布更均匀，减少变形的风险。在焊接过程中使用定位夹具和辅助装置可以固定工件并提供额外的支撑。这样可以减小材料的自由度，限制焊接区域的变形，并保持焊接接头的正确对位。预热和后热处理是控制焊接变形的有效方法。在焊接前进行预热，可以提高材料的塑性和韧性，减少焊接时的应力集中。

3.2 采用低热量输入的焊接方法

在车体焊接过程中导致其部件产生变形最为直接的诱因就是因为焊接的过程中焊缝和周围稳步较高，同时受到焊接应力和残余应力的影响导致局部热量的输入而造成的。可以在当前铝合金车体焊接工作的开展中，要想对其焊接变形的问题进行有效的控制，需要从源头导致需要采取低热量输入的焊接方式来实现设备的焊接。比如说采用搅拌摩擦焊接技术，实际应用的过程中主要是通过摩擦产生热量，从而实现软化金属，或者是机械旋转驱动回填的方式来实现铝合金车体的焊接。这项技术在具体运用的过程中，由于和铝合金焊接实施的具体操作，有着较好的包容性，可以实现不同性质铝合金材料的焊接，这也在一定程度上实现了铝合金车体结构材料有着更多的选择性。而搅拌摩擦焊接技术在具体运用的过程中由于输入的热量较低，不会导致焊接中的焊缝和周围区域产生较高的温度，从而也就不会导致焊缝冷却之后导致结构变形问题的发生。

3.3 机器人焊接技术

目前铝合金车体的焊接技术一般都是采用人工焊接，效率低，难以适应实际的生产，所以在今后的发展中，铝合金车体的焊接工艺将朝着高效、自动化方向发展。焊接中的机器人焊接，其实就是一种自动化的、可编程的技术，通过这种技术，可以将焊接的操作以程序的方式输入到控制器中，然后通过控制设备来完成一系列的焊接和加工，从而实现整个焊接的自动化，因为机器人的焊接精度非常高，而且不需要任何的停顿，因此，它的工作效率要比手工焊接高得多。同时，由于所有的焊接过程都是按照预先设定的程序进行的，这样，机器人就能根据不同的焊接工艺，灵活多变。

3.4 焊接工艺参数优化

焊接电流和电压的大小会影响焊接区域的温度分布和热输入，从而对变形产生影响。合理选择电流和电压水平，可使焊接池大小、形状和位置达到最佳状态，减少热应力和残余应力的产生。焊接速度的快慢会直接影响焊接池的尺寸和形状。如果焊接速度过慢，会导致焊接池扩大，加重热输入量，从而增加变形风险；如果焊接速度过快，则焊接池尺寸过小，焊接接头未能完全熔化，导致接头质量不稳定。因此，需要合理控制焊接速度来保证焊接池的尺寸和位置达到最佳状态。采用恰当的焊接顺序可以减少焊接区域产生热应力和残余应力的风险。例如，先进行较长焊缝的焊接，再进行短焊缝的焊接，可以减小热影响区域的大小，减少残余应力的产生。适当的保护气体可以帮助有效地消除氧、水蒸气和其他杂质，从而保证焊接质量的稳定性。在焊接过程中，保持氩气的流量和压力稳定，并合理选择气体种类和比例，可减小焊接区域热影响，并降低变形的风险。

3.5 其他铝合金焊接变形控制方法

上述两点具有较高的普遍性和适用性，当前铝合金车体焊接工作中具有较高的参考价值，除此以外在当前铝合金车体制造的过程中也有其他针对焊接变形的控制方法。比如说预应力防平面度变形技术、框架式卡紧防变形技术、压铁简易防变形技术和部件反变形技术等，在现阶段的铝合金车体制造过程中，也具有什么重要的参考价值。比如说部件反变形技术具体应用的过程中就可以根据以往铝合金车体焊接的工作经验来预判部件，焊接以后变形的方向和大致程度，从而可以在焊接工作开展以前使这一部件向着相反的方向进行变形，通过这样的方式也可以实现对铝合金焊接变形的控制。

4 结束语

轨道车辆铝合金车体制造过程中，焊接变形控制是重要组成部分，有必要通过系统、深入的研究为实际生产活动提供精确指导。深入研究轨道车辆铝合金车体焊接变形的要点，分析造成焊接变形的主要因素，结合铝合金车体组焊工艺提出如下控制要点：通过利用低热输入焊接方式，尽可能地减少焊接变形；通过合理选择焊接调修工艺，矫正焊接变形，保证焊缝质量；通过合理选择焊前控制方法、定向释放应力，控制焊接变形；通过调整焊接顺序及引入优化焊接新技术，规避焊接变形。这样能够攻克铝合金车体焊接变形控制技术难题，为车体制造提供质量保障。

参考文献：

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[3]徐晓东. 铝合金车体底架框型结构的焊接变形控制 [J]. 工业技术创新, 2020, 07 (02): 12-16.