城轨车辆底架连接梁与气密墙焊接变形工艺优化

城轨车辆底架连接梁与气密墙焊接变形工艺优化

毛德龙 张宏军 李海明

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 山东 青岛 266000）

摘要：目前部分城轨车辆车体的主要材料采用铝合金，铝合金其焊接主要以MIG焊接为主，而车体结构复杂，焊接量大，增加了其整体焊接的难度，焊后变形大，难以控制。本文以城轨车辆某项目底架连接梁与气密墙的焊接为研究对象，通过调整焊接参数，使用适当的工装工艺，有效的控制了底架连接梁与气密墙连接处的焊接变形，为城轨车辆底架连接梁与气密墙的焊接提供了一种工艺优化方法。

关键词：地铁；铝合金；焊接变形；工艺优化

1 前言

随着全球交通轨道装备的快速发展，现代轨道交通列车时速在不断提速，高速动车、地铁及城际轻轨等已成为国内客运的主型车辆，特别是城轨车辆轻量化生产制造是铁道运输现代化研究与探讨的主要议题,经过大量的理论研究与反复试验证明，目前采用铝合金材料是实现车辆轻量化的最有效途径[1]。它以其自重轻、耐腐蚀性能好等优越性成为轨道车辆的首选材料。

铝合金是一种高比强度，因而引起飞机、汽车、船舶等领域制造商的关注并得到广泛的应用。但铝合金具有低熔点、高热导系数及线膨胀系数并在熔化凝固过程中容易产生裂纹和凝固气孔，焊接变形大，且工艺复杂，所以成为车辆制造中的工艺难点。底架连接梁与气密墙处进行MIG焊接，连接处板厚度较大，焊接时需要进行多层多道焊接，焊后焊缝缺陷率高，容易出现焊接裂纹，焊接变形大且难以控制。

2 底架连接梁与气密墙焊接变形工艺优化

2.1 铝合金焊接变形的产生原因及控制方法

铝合金在焊接过程中，不均匀的热输入使焊缝及其附近的温度分布不均匀，焊后冷却过程中，焊缝就容易发生不同程度的收缩，进而产生内应力，使焊缝处焊接结构产生各种变形。由于铝的热导率是钢的3倍，因此铝合金焊接变形的控制要比碳钢结构难度大。铝合金内部发生晶粒组织的转变所引起的体积变化也可能引起焊件的变形。以上过程是产生焊接应力与变形的根本原因[2]。

针对焊后产生的大量焊接变形，可以通过预制反变形、调整焊接参数及焊接顺序、焊后调修等方法来控制，方法如下：

（1）预置反变形

工件在焊接装配时，利用工装、工具对待焊接部位预置反方向的变形来抵消平衡焊接后的焊缝收缩变形。

（2）调整焊接参数及焊接顺序

选择合理的焊接参数和焊接顺序可以有效的减少焊接变形。实践证明，使用合理的焊接参数和焊接顺序是控制铝合金焊接变形的较为有效的方法。调整焊接参数：在合理的焊接参数范围内，尽量减小焊接热输入，在焊接过程中控制层间温度。地铁车辆的铝合金车体存在大量的对称结构，相应的焊缝分布也是相对称的，选择合适的焊接顺序来使各焊缝产生的部分焊接应力相互抵消，从而达到控制焊接变形的目的。

（3）焊后调修

焊后工件的调修方法主要分为三种：分别为机械调修法、火焰调修法、机械加火焰调修法。目前火焰调修和机械调修是铝合金焊接工件调修的主要方法。机械调修受设备及工件结构的约束较大，而火焰调修需要注意控制调修温度。

2.2 底架连接梁与气密墙连接处补强板

底架连接梁与气密墙连接属于总装工序，两处连接时需要增加补强板。底架连接梁与气密墙连接处焊接接头形式为角接接头，在焊接时需要焊接多条焊缝，焊接时热输入高，控制不好热输入就会造成很严重的焊接变形。底架连接梁与气密墙连接处的结构如图1所示。

图1 底架连接梁与气密墙连接处结构

2.3 焊接变形的控制

地铁车辆底架连接梁使用的是厚板，气密墙使用的是长厚型材，在总装时的焊接过程中，首先采用合理的焊接参数，选用合适的焊接电流和电压，并严格控制各道焊之间的层间温度（必要的时候可采用风冷散热的方法来进行控制），从而达到控制焊接热输入量的目的；其次，由于气密墙和底架连接梁上下位置的坡口不一样，具体表现为上破口小下破口大，在焊接过程中，焊接下部坡口需要多层多道焊，多层多道焊时由于焊接收缩变形产生的拉应力作用，如果在不加反变形等相应措施的情况下，焊接结束后连接梁受力向下弯曲变形，焊接后调修困难，从而造成质量问题。

在焊接时，选择合理的焊接顺序，分散热输入，先焊接下部多层多道焊，而且在每一道焊缝后，使用螺旋千斤顶对连接处的补强板预置反变形，反变形的预制量应控制在合理范围以内，如图2所示。

图2 反变形预置示意图

控制好焊缝的温度，当焊缝温度冷却到大约70℃以下时去除工装，然后进行下一道焊接，直至焊接完成，焊后同样预置反变形待冷却。补强板与连接梁、气密墙焊接示意图如图3所示。

图3 补强板与连接梁、气密墙焊接示意图

3 结论

底架连接梁与气密墙连接是地铁车辆车体连接的关键部位，有效的连接既可以保证车身安全也提高车体美观度。通过选用合理的焊接参数及焊接顺序，选择合理的工装、工具，保证该位置处的平面度，减少了焊接缺陷，主要结论如下：

（1）通过以上方法的使用，有效避减小了底架连接梁与气密墙连接位置出现的焊接变形问题。

（2）焊接时采用合理焊接参数，控制热输入量，最大限度的减少焊接冷却收缩引起的焊接变形，避免了不必要的调修，从而实现了质量问题的预防和控制，有利于车体质量的提升。

（3）此方法可广泛应用于城轨车辆各个车型底架连接梁与气密墙连接组焊调整作业，满足焊接要求，较好的保证了底架连接梁与气密墙连接处的尺寸要求，总体提高了生产效率，提升了产品的质量。

参考文献

[1]刘天明, 李帅, 于海波. 浅谈铝合金车体焊接变形及其控制策略[J]. 数码设计(上), 2019, 000(003):204.

[2]刘志平, 王立夫. 铝合金部件焊接变形的产生及控制[J]. 焊接技术, 2007, 036(005):52-53.