浅谈铝合金车顶尺寸控制技术

邹世拓 沈建国 张富军

中国中车长春轨道客车股份有限公司 吉林 长春 130000

引言

随着轨道交通车辆在我国的广泛应用，便利了人们出行。随着社会的发展，人们对轨道交通车辆的要求也随之增高.铝合金材料的应用减轻了轨道车辆的自重，提高了车体的耐腐蚀性，加快了轨道客车的运行速度。车体是地铁车辆主要承载体，他支撑于转向架之上，保证乘客的安全。车体底架下部及车顶安装电气设备，构成车辆主体。他需要承受各种震动，并适应100km/h左右的运行速度。还要满足隔音、隔热、减震、防火等要求，确保在事故状态下尽可能保证旅客安全。

然而在这些铝合金车体项目在实际生产中，由于铝合金本身焊接新的特点，加上车顶结构有闭式空型材机构及开式板梁型结构，使得焊后几何尺寸发生变化，造成车顶两端挠度上翘，内部高度低难以达到标准尺寸.所以，在实际生产中，这些问题的解决成为了生产的关键。

一、铝合金结构焊接特点

1.1 物质特性 铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。硬铝合金属AI—Cu—Mg系，一般含有少量的Mn，可热处理强化.其特点是硬度大，但塑性较差。超硬铝属Al一Cu—Mg—Zn系，可热处理强化，是室温下强度最高的铝合金，但耐腐蚀性差，高温软化快。锻铝合金主要是Al—Zn—Mg—Si系合金，虽然加入元素种类多，但是含量少，因而具有优良的热塑性，适宜锻造，故又称锻造铝合金。

1.2 铝合金物质结构 纯铝的密度小(ρ＝2.7g/cm3)，大约是铁的1/3，熔点低(660℃)，铝是面心立方结构，故具有很高的塑性(δ：32～40%，ψ：70～90%)，易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好。但是纯铝的强度很低，退火状态σb值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb值分别可达24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”(强度与比重的比值σb/ρ)胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，地铁的车体、蒙皮、压气机。

等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。

1.3 焊接难点 (1)极易氧化。在空气中，铝容易同氧化合，生成致密的三氧化二铝薄膜(厚度约0.1-0.2μm)，熔点高(约2050℃)，远远超过铝及铝合金的熔点(约600℃左右)。氧化铝的密度3.95-4.10g/cm3，约为铝的1.4倍，氧化铝薄膜的表面易吸附水分，焊接时，它阻碍基本金属的熔合，极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷，引起焊缝性能下降。

(2)易产生气孔。铝和铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢，由于液态铝可溶解大量的氢，而固态铝几乎不溶解氢，因此当熔池温度快速冷却与凝固时，氢来不及逸出，容易在焊缝中聚集形成气孔。氢气孔难于完全避免，氢的来源很多，有电弧焊气氛中的氢，铝板、焊丝表面氧化膜吸附空气中的水分等。实践证明，即使氩气按GB/T4842标准要求，纯度达到99.99%以上，但当水分含量达到20ppm时，也会出现大量的致密气孔，当空气相对湿度超过80%时，如果不采取加热等措施，焊缝就会明显出现气孔。同时，采用小电流慢速焊，加大焊缝冷却时间，并利用焊丝电弧进行熔池搅动，可以较好的帮助气体排出熔池。

(3)焊缝变形和形成裂纹倾向大。铝的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍，易产生较大的焊接变形的内应力，对刚性较大的结构将促使热裂纹的产生。

(4)铝的导热系数大(纯铝0.538卡/Cm.s.℃)。约为钢的4倍，因此，焊接铝和铝合金时，比焊钢要消耗更多的热量。

(5)合金元素的蒸发的烧损。铝合金中含有低沸点的元素(如镁、锌、锰等)，在高温电弧作用下，极易蒸发烧损，从而改变焊缝金属的化学成分，使焊缝性能下降。

(6)高温强度和塑性低。高温时铝的强度和塑性很低，破坏了焊缝金属的成形，有时还容易造成焊缝金属塌落和焊穿现象。

(7)无色彩变化。铝及铝合金从固态转为液态时，无明显的颜色变化，使操作者难以掌握加热温度。

二、常见铝合金结构焊后调修方式

2.1 机械矫正 机械矫正是根据焊件的结构形状、尺寸大小、变形程度、使用锤击、压、拉等机械作用力，对焊接变形进行矫正.机械矫正的基本原理是将焊接变形后尺寸缩短的部分用机械外力加以延伸，并使之与尺寸较长的部分相适应，恢复到所要求的形状。

2.2 火焰调修 火焰调修是利用金属具有热胀冷缩性质，对焊后变形构建进行反变形的一种方法。影响火焰调修效果的因素主要是火焰热量和火焰加热位置。一般来说，热量越大，矫正能力越强，但热量过大会造成结构性能的下降，对于铝合金来说，火焰调修温度控制在175摄氏度左右，这个温度对焊接结构的硬度跟强度都不会产生太大影响。温度超过200摄氏度，焊接结构的硬度明显降低，拉伸断裂处随加热温度的升高方向移动。

火焰调修是目前铝合金机构焊接焊后调修中应用广泛的一种调修方式。是基于德国铝合金焊接调修成熟的工艺技术上，结合实际工艺特点指点的一套铝合金焊接后的火焰调修技术工艺参数。调修过程中的温度控制十分重要，我厂通常采用氧-乙炔焰进行调修。烤枪火焰与工件角度一般在75度到80度之间，调修温度一般控制在150摄氏度到180摄氏度之间，但对于变形量比较大的结构，温度会适当提高，对于操作者的经验，技术要求很高，烤枪走向及火焰高度也十分重要。

三、武汉5号线车顶调修

3.1 车顶易出现状况 由于车顶全长21M，整车没有基础平台，一位端、二位端各有一处800mm长的通风口，焊接后由于中间位置没有支撑，使得车顶通风口处由于焊接变形使得内高低于公差8mm，并且极难矫正，常用方法效果甚微，若火焰调修温度过大还会影响整块车顶强度。武汉五号线车顶合成由焊接机械手焊接，使得焊后变形大，使得整车内高急剧下降，焊缝特殊按正常火焰调修内高无明显效果；

3.2 制作制作车顶正装反变形 车顶正装小件焊接前需要车顶两端各下拉40mm预制反变形挠度，由于正装工装较低下拉力较大，预制挠度要使用手拉葫芦，手拉葫芦为钢链拉动形式钢链分布在整个车顶上，拉动时钢链移动易划伤车顶园顶板和车顶边梁挡水板。根据圆顶板结构和受力情况制作保护垫板，防止车顶下拉时手拉葫芦钢链对车顶板产生划伤，同时在通风口处增加两个千斤顶，将通风口处向上顶起15mm的反变形，然后进行焊接车顶小件。

3.3 调修方案 由于车顶变形问题比较特殊，所以采用两种调修方法为一体。

具体操作步骤如下：

1.焊接车顶小件时由于焊接应力较大，会使车顶中间通风口处下榻，焊接完成后要对下榻处进行一次火焰调修，调修方法为，对中间车顶板两段焊缝进行火焰调修，温度控制在170度左右，方向向一位端、二位端进行调修。知道公差尺寸为标准公差尺寸+5为准。

2.火焰调修时火焰采用蓝细火焰，乙炔放出量减小氧气放出量加大，火焰呈现蓝细状态，由于火焰细温度集中扩散能力小，调修时避免了焊缝两侧车顶板鼓包现象，调修时速度控制不要太快也不要太慢，反复练习几次。

3.遇到变形较大的位置要降低运行速度，在火焰加热焊缝时降低火焰运行速度，由于焊缝为立筋式结构焊缝厚度大，降低运行速度使加热温度完全渗透，上下温度均匀保持在150-180℃。

4.带温度为室温时，用3米长的平尺进行8点测量，中间位置由于内高回弹，要进行二次火焰调修，从而保证了车顶内高公差在384(-3+5)mm范围之内。

5.采用线型加热法，对焊缝边缘棱线位置加热，温度控制在150摄氏度以下，调修方向为，由变形处向一位端烤修：①先加热中间板焊缝处；②再加热两侧型材棱边处；③最后加热型材外棱线处。

6.待车顶自然冷却后，与样板进行比对，经确定尺寸后，依次进行逐次调修，可视实际情况决定调修次数，通常需要3次反复火焰烤修操作。

四、结束语

经过上述的调修方式，最终满足工艺要求和尺寸公差。使用了新的调修方法解决了武汉五号线整车内高低的问题，有效的控制了车顶车顶尺寸，同时大大提高了产品的质量.同时也为后续车型生产打下良好的基础。