浅析高速动车组铝合金车体焊接变形产生的原因及防止焊接变形的方法

于砚涛 吴律贤

摘要：焊接是一个金属熔化和再结晶的冶金过程，焊接过程中，容易误认为金属受热膨胀导致焊接变形，但金属的均匀膨胀和冷却不能形成焊接变形，而真正导致焊接变形的是热膨胀受阻和冷却收缩受阻和工件的不均匀受热。本文主要介绍了新一代高速动车组项目铝合金车体焊接变形产生的原因并通过理论分析及多年实践经验总结出了防止焊接变形的方法。

关键词：焊接变形 尺寸控制 铝合金车体

引言

2018年是中国高铁飞速发展的一年，中国标准化动车组正式走向了世界，代表了世界动车组技术的选进体系。中国首次实现了动车组牵引、制动、网络控制系统的全面自主化，标志着我国已经全面掌握了高速铁路的核心技术，高速动车组技术实现全面自主化。随着中国高速铁路网快速在全国延伸，各地新建或在建高速铁路里程不断增长，国家对高速动车组需求越来越大，更重要的是，高铁做为国家“走出去”战略的重要支撑点，高速动车组已经成为中国制造的一张亮丽的名片。

随着复兴号的全面批量投产，2018上半年，承载着中国元素、奥运精神的京张智能高铁也开始了首台试制，加上城际200公里动车组的实验试制，中国铁路已经从吸取学习正式步入了自主研发创新的时代。伴着高铁飞速发展，作为动车组第一步的车体制造，铝合金技术也需要不断开拓创新，要制造出质量过硬的高速动车组，必须不断地攻克每一项难关和创新改革。下面本文将结合车体制造过程中总结的一些经验对铝合金焊接过程中工件产生变形的原因及其变形控制措施做详细介绍，希望对铝合金生产工艺产生一些有利的指导意义。

1、焊接应力与变形产生的原因

影响焊接应力与变形的因素很多，最根本的原因是焊件受热不均匀，其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性的不同所致。另外，焊缝在焊接结构中的位置、、装配焊接顺序，焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形的大小、方向、分布等也都有一定的影响。

1.1焊件的不均匀受热

焊件的焊接构成是一种局部加热过程。焊接时，焊件上的温度分布极不均匀，焊缝及其附近区域被加热到熔化状态或接近熔点，而远离焊缝的区域温度比较低。因此，焊件上各店的受热膨胀与冷却收缩不一致，故出现了复杂的应力与变形。在整个加热和冷却过程中焊件上各处的温度是变化的，这种温度变化导致了焊接应力和变形的产生。

1.2焊缝金属的收缩

绝大多数物质从液态转变为固态时其体积都要收缩。焊接金属也不例外，当它冷却由液态转变为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩。焊后，焊缝金属的收缩将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶的部分的收缩，也会产生焊接变形与应力。，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶的部分的收缩，也会产生焊接变形与应力。

1.3焊件的刚性和拘束

焊件的刚性与焊件材料、焊件截面形状和尺寸都有关系。通常，焊件截面为封闭形状时比非封闭截面焊件的刚性大。焊件截面尺寸越大，焊件的刚性越大，截面相同时，焊件越长，则刚性越小。当然，材质不同，焊件的刚性也不同。

1.4焊接顺序的影响因素

通过适当的焊接顺序，可以抵消焊接内应力和增大结构刚性，焊接顺序的制定因地、因件而已，不是唯一的，焊接顺序的制定要记住正确分析力的方向。一般讲，自由状态下，一次焊接变形大于二次焊接变形；而在夹具的作用下，一次焊接的变形要小于二次焊接变形，夹紧力越大，该现象越明显，这条是制定焊接顺序必须要考虑的首要前提。

2、防止焊接变形的方法

通过以上的问题分析。基本了解了铝合金焊接变形的产生原因及变形的种类，针对焊接变形的原因和种类从焊接工艺上进行改进，可以有效防止和减小焊接变形所带来的危害。以下主要介绍几种常见的控制焊接变形的方法。

2.1在焊前进行装配时，预置反方向的变形量以抵消（补偿）焊接变形。

2.2利用装配和焊接顺序来控制变形采用合理的装配和焊接顺序来减小变形，这在生产实践中是行之有效的好办法。在实际铝合金焊接生产中有许多结构截面形状对称，焊缝布置也对称，但焊后却发生弯曲或扭曲变形，这主要是装配和焊接顺序不合理引起的，也就是各条焊缝引起的变形未能相互抵消，以致发生变形。

焊接顺序是影响焊接结构变形的主要因素之一，安排焊接顺序时应注意下列原则：

a、所有的焊缝必须都焊到（包括被遮盖焊缝）。

b、焊枪可达到的焊缝才可以被焊接。

c、对于有焊缝收缩现象的工件，要先焊成组装件，并在图样上标注工艺放量。

d尽量让焊缝无拘束收缩，焊接方向由内向外，由中间向两端。

e、对接焊缝先于角焊缝焊接。

f、y形坡口不允许有间隙，先焊y形坡口，再焊v形坡口。

g、对于长焊缝，尽量采用对称焊接，需要2名焊工从两侧同时对称施焊。这样可以使由各焊缝所引起的变形相互抵消一部分。也可以采用对角线焊法或从中间向两边焊。

h、对于双面焊。焊接顺序以根部清理难易为依据，后焊的一侧应便于前道焊缝的根部清理。

i、尽量避免工件的不必要的多次翻转。

j、先焊接截面较大的焊缝，再焊接截面较小的焊缝。

k、对某些焊缝布置不对称的结构，应该先焊接焊缝少的一侧。

l、先焊短焊缝，后焊长焊缝；先焊横焊缝，后焊纵焊缝。

m、当存在焊接应力时，先焊拉应力区，后焊剪应力和压应力区。

n、位于构件刚性最大的部位最后焊接（尽可能使构件能够自由收缩）。

刚性固定法刚性固定法能有效减小变形，且焊接时不必过分考虑焊接顺序。缺点是有些大工件不易固定，如果与反变形法配合使用则效果更好。对于形状复杂、尺寸不大、又是成批生产的焊件.可设计一个能够转动的专用焊接胎具，既可以防止变形，又能提高生产率。当工件尺寸较大，数量又不多时，可在容易发生变形的部位临时加上一些支撑减小焊接变形。如下图班组在生产中利用刚性固定法很好的保证了产品的几何尺寸。

3、总结

焊接的变形是无法避免的，但只要采取合理的防治焊接变形的方法，就可以大量减少焊接变形，保证了产品的几何尺寸，每台车都节省了大量调修作业时间。

参考文献

[1]宋永增.《动车组制造工艺》.北京：中国铁道出版社，2011.1

[2]孫庭秀.《焊接结构生产》.北京：电子工业出版社，2014.5

（作者单位：中车长春轨道客车股份有限公司）