板梁结构铝合金端墙焊接变形研究

葛少平，赵丽玲，王陆钊，赵嵩岩，张忠海

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

0 前言

随着我国经济快速发展，城市人口迅速增长，城市的交通压力也随之增加，轨道交通因其高效性、便捷性、可达性成为缓解交通压力的首选方案。高速、轻量化是轨道交通装备发展的必然趋势[1]，铝合金密度小、比强度高、力学性能和工艺特性好，广泛应用于中强铝合金在轨道车辆铝合金车体生产中[2]。

铝合金车体由底架、侧墙、车顶和端墙四部分组成，其中底架、侧墙、车顶由长大中空铝型材组焊而成，端墙则采用板梁结构。焊接变形是焊接结构部件生产制造过程中最常见的问题之一，铝合金的线膨胀系数越大，其结构焊接变形控制难度也随之增大[3]，部件焊接过程中针对其变形特点采取相应的工艺措施，能最大程度上减少焊接变形、保证部件的质量[4]。

1 端墙结构

端墙为板梁结构，由端墙板、上横梁、门立柱、补强梁四部分组成，如图1所示。端墙的设计将所有焊缝集中在同一侧，这导致焊接变形在同一方向，无法抵消。为减小热输入，角焊缝均设计为段焊，起弧、收弧的位置较多，端墙组成的连接焊缝多为V型焊缝和角焊缝，在端墙组成的焊接过程中会有不同程度的焊接变形，无法保证角焊缝的焊前间隙。在这种情况下，角焊缝的起弧、收弧位置出现焊接缺陷的概率增大，焊接缺陷需返修处理，返修产生的收缩变形会对端墙平面度产生不利影响。因此，平面度的控制是端墙组成的工艺难点，选择合理的组焊顺序、良好的装配质量、预制适量的反变形、合理的焊接顺序是控制端墙焊接变形的关键。

2 端墙组成工艺

端墙采用先分块、后整体组焊工艺，工艺流程如图2所示，将端墙组成的焊接变形分散到各个小模块上，由于单个模块的焊接变形相对单一，焊后调修难度较小，可通过常规调修手段进行矫正。同时避免了小模块之间的相互约束导致端墙组成内部焊接应力过大，影响端墙的整体刚度。

图1 端墙结构

图2 端墙工艺流程

2.1 端墙板组焊

端墙板由上端墙板和左右端墙板组焊而成，如图3所示。端墙板正反两面的焊缝均为V型焊缝，端墙板组焊时采用正面焊接反面清根，端墙板正反两面进行焊接，能有效抵消焊接变形，组焊时不需要预制反变形，对焊缝周边区域进行刚性的压卡固定即可。装配左右端墙板时，门口尺寸应大于图纸要求尺寸4～5 mm，以避免焊接收缩导致端门口尺寸小于图纸要求尺寸，影响后续端墙组成的装配。

为抵消端墙板组成正反两面的焊接变形，端墙板组成两侧的焊接热输入应相当，端墙板组成的焊缝形式为正面7V、反面3V，端墙板正面焊缝完成后，反面需清根PT检测后再焊接，反面要保证焊透而不焊穿。若反面未焊透或焊穿，反面焊缝清根过深或焊缝间隙大均会增加反面焊缝的填充量，焊接热输入增加，焊接收缩产生的焊接变形也随之增加。为保证端墙板清根焊缝的焊接质量，应严格控制端墙板装配质量，V型焊缝坡口角度严格按标准要求的70°加工、正面7V焊缝根部间隙0.5～1mm、钝边1 mm，以保证正面7V焊缝打底层焊透而不焊穿，反面焊缝的热输入量与正面焊缝相当，有效控制端墙板组成的焊接变形。良好的装配质量、合理的焊接参数是端墙板组成生产过程中最为关键的部分。

图3 端墙板组焊

2.2 门框组焊

门框由横梁、左右立柱组焊而成。横梁与左右立柱型材的壁厚较大、刚性大，焊接门框时在组焊平台上刚性固定即可，无需预制反变形，装配定位后进行点固，两侧对称焊接。

2.3 端墙板与补强梁组焊

端墙板和门框单件组焊完成后，根据图纸要求样装门框与端墙板，以确定端墙板补强梁的安装位置，补强梁点固后撤掉门框，焊接补强梁，端墙板补强梁的焊接需刚性固定，预制一定的反变形，如图4所示，采用对称施焊方法。

图4 端墙板补强梁组焊

所有的横梁均分布在端墙板的一侧，焊前应对端墙板做相应的反变形来抵消由于单面焊接带来的变形。通过实际生产中的总结，最终确定将反变形的支撑放在端墙板门口处最后一根横梁以及端墙板的拼接焊缝处，反变形的支撑高度为100 mm。焊接完成后需恢复至室温时才能撤掉反变形。

在端墙组成过程中，先焊接补强梁后组焊门框与端墙板是最关键的一步。门框组焊前，焊缝可自由收缩，释放焊接应力，提高端墙板刚度；焊接补强梁时通过预制反变形和调整焊接顺序有效地防止角变形和波浪变形，降低调修难度，减少调修工作量。

2.4 端墙板与门框组焊

补强梁焊接完成后，将调修合格后的端墙板与门框进行组焊，该过程要注意保证端墙板与门框之间角焊缝的焊前间隙，保证焊接质量及焊后的门口尺寸，装配时应在门口处增加横支撑，如图5所示，将门口调到合适尺寸后压紧压卡进行焊接。

图5 端墙板与门框组焊

为了更好地保证角焊缝的焊前间隙满足要求，避免因焊前间隙大导致角焊缝起、收弧位置产生焊接缺陷，需选择合理的焊接顺序。首先在胎下焊接补强梁与门框连接的横向角焊缝，门框与端墙板的部分焊缝，如图6所示，胎上焊接剩余门框与墙板角焊缝以及补强梁与门框的立焊。

图6 胎下焊接横焊缝

在端墙组成胎内预制反变形后，焊接端墙板与门框的剩余焊缝、门框与补强梁连接的里面焊缝，预制反变形能有效地控制焊接变形。反变形是通过工装的台阶落差对端墙进行刚性固定产生的，如图7所示，通过工装压卡刚性固定并预制适当的反变形，能有效地控制焊接变形。

按上述工艺方案生产的端墙整体结构尺寸符合图纸要求，端墙组成采用先分件焊接，后整体组焊的工艺方法，使得各阶段的焊接变形均在可调控范围内，有利于在单件组焊过程中控制焊接变形，单件组焊完成后焊接变形较小，便于调修矫正。

图7 胎内预制反变形

如果采用先组焊端墙板、门框，再组焊端墙板与门框，最后焊接端墙补强梁的焊接顺序，由于门框组成的刚度过大，无法通过工艺手段施加反变形，在焊接补强梁时，焊缝均分布在端墙板一侧，焊接收缩会导致端墙组成产生角变形和波浪变形，且焊缝的自由收缩会受到约束限制，端墙组成工件内易存在较大的残余应力，影响端墙组成的整体刚度[5]，最终导致端墙组成焊接变形大、调修难度增加，变形严重时端墙的平面度无法通过调修手段矫正到图纸要求范围内，直接影响后道工序的装配和焊接。因此，合理的装配组焊顺序、焊接方法以及良好的装配质量是焊接结构件生产过程中至关重要的部分。

3 结论

（1）端墙采用先分块、后整体的组焊工艺。

（2）端墙板与补强梁单面焊接时应预制反变形量，能够有效地防止角变形和波浪变形，降低调修难度，减少调修工作量，这是控制板梁结构端墙焊接变形最重要的手段。

（3）端墙板与门框焊接时要合理地安排支撑与压卡位置，保证焊接质量的同时防止局部变形。

（4）胎上组合结构焊接时，严格控制焊接顺序以及压臂的张合，同时预制反变形（若准确掌握反变形量可直接设计到工装上），使端墙的焊接变形达到最小。

参考文献：

[1]黄慧建.轨道交通车辆设计方案与过程管理优化[D].浙江：宁波大学，2015.

[2]王炎金.铝合金车体制造关键技术研究[R].中国铁道车辆焊接技术论坛，2007.

[3]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，2007，36（5）：52-53.

[4]薛健，刘囝.我国高速列车铝合金车体焊接变形控制方法研究现状[J].热加工工艺，2012（17）：188-190.

[5]苟国庆，于金朋.铝合金车体结构焊接残余应力研究[J].电焊机，2011，11（41）：35-38.