铝及铝合金的调修解析

王立国 艾启文

【摘 要】在城市的发展中人口不断的增加，高铁、城市轨道铁路客车速度的不断提高，地铁是最佳出行交通运输工具。铝合金和碳纤维等材料组成的车体.由于其最大优点是工艺性好、重量轻、耐腐蚀、减少运行成本和维护成本。车体结构参数涉及范围广，工艺尺寸要求严格，并且随着多年的使用业已经成熟。本文主要针对铝合金焊接后产生的变形，如何控制铝合金车体焊接后产生的变形和矫正，通过典型车体部件的变形量控制过程，解决方法，改进方式阐述铝合金车体尺寸控制，保证车体结构的技术要求。

【关键词】铝；铝合金；焊接；变形；调修

引言：由于铝合金的特殊性能，本身热膨胀系数和导热系数大，铝及铝合金还具有优异的耐腐蚀性能和较高的强度，对热和光都具有良好的反射率，磨削时无火花和无磁性等特点。加上车体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，造成车体结构形状位置公差难以达到标准要求。所以，在实际应用中，解决这些问题成为了生产中的关键环节。而技术人才中有着丰富实际经验和岗位操作技能的技术工人是不可或缺的重要组成部分。

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，加上车体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，造成车体形位公差难以达到标准要求。在实际生产中，保证车体的技术要求成为关键步骤。

一、铝合金结构焊接特点

1、铝合金分类

A、可热处理合金该类合金是通过加工强化和固溶强化来获得所需要的强度。

B、不可热处理合金

材料的强度和硬度依靠合金成分和热处理（固溶处理和淬火+自然或人工时效处理生成的细小弥散强化）获得。

在铝合金地铁和高速客车上主要使用为6xxx系及7xxx系铝合金材料

2铝合金的物理、化学性能

通过表格可以看出，铝合金的线膨胀系数最大，是钢的1倍，比热大，是钢的2倍，密度小，晶型是面心立方，没有同素异构的转变，塑性好，无低温脆性转变，但强度比较低。

铝的导热系数很大，在相同的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度是高强钢的4-7倍。

3铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。所以，铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形个应力较大，因此，需要采取预防焊接变形的措施。

铝及铝合金的材料特点及焊接特点决定需要采用比较大的热入量的焊接规范进行焊接，从而导致铝合金结构焊接后变形量大，线性尺寸不易保证，焊后需要进行调修才能满足结构要求。

二、铝合金车体发展过程

铝合金车体具有重量轻、耐腐蚀、外观平整度好和易于制造美观车体而受到世界各城市交通公司和铁道运输部门的欢迎，截至目前，一线城市和大部分省会城市及部分计划单列市都进行地铁的建设，还有很多城市的地铁建设在审批中。

铝合金车体经历了板梁结构铝合金车体、板梁和型材混合结构铝合金车体、完全闭式型材结构铝合金车体3个发展过程。板梁结构铝合金车体由于焊接变形大，必须通过增加板厚来获得刚度，减重效果不明显，车体平整度不理想，因此，在铝合金车体的发展过程中，纯板梁结构铝合金车体的数量并不多。为了减轻车体自重，有的国家也曾采用板梁和型材混合结构，板梁部分采用电阻焊工艺，型材连接采用MIG焊工艺，这样可大量节约型材开模费，降低车体制造成本，但此工艺相对比较繁琐，刚度较差，除日本外，很少有其它发达国家采用。闭式型材结构或开闭式混合结构，是目前世界上采用最多的结构。其制造工艺简单，车体平整度、刚度均较好。

三、铝及铝合金结构焊后调修的方式

1、锤击法

锤击法是最简单快速的矫正或调修方法，一般实用于5mm以下的铝合金板材矫正，30mm以下的型材变形量在3mm以内使用这种方法。而且在调修时尽量使用橡胶锤或木锤，以免对母材产生伤害。

2、压力调修矫正法

压力矫正铝合金一般只适合用于板材的调修，铝合金板材对接结构可以采用压力调修。压力调修是采用外加压力的方式对铝合金焊接件的平度进行矫正，一般使用压力机或使用压铁，优点在于不需要对焊接件进行再次加热处理，缺点在于受设备及结构的影响局限性比较大，一般只使用于平板对接结构。另外压力过大对焊缝及焊接热影响区的内部组织影响较大，可能产生内部缺陷。内部出现显微裂纹等缺陷。

3、火焰调修矫正法

火焰调修是利用金属具有热胀冷缩性质，对焊后变形构件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120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，可能导致铝合金母材熔化，造成母材强度下降，产生不必要的影响。

铝合金火焰调修过程中的温度控制十分重要，一般使用丙烷或霞普气作为介质进行加氧气调修，火焰控制大、中、小火，根据板厚不同、变形量的大小不同进行调整火焰的大小，调修温度一般控制在120摄氏度以下，板厚大于25mm时可以达到180摄氏度左右，但不能超过200摄氏度，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的选择也十分重要。

火焰的走向一般为点、线、三角形、或锯齿型走向加热；点状加热适用于铝合金薄板调修，线状一般适用于普通焊缝加热调修，三角形适用于8-15mm的板材调修，而锯齿形适用于焊缝超过20mm的厚板调修，尤其在搅拌摩擦焊接后的變形调修，更适用。

四、以国内某铝合金地铁车侧墙弧形调修为例

1、检测地铁车体外弧形是向外凸还是向内凹，根据凸凹确定调修方案。

2、下面根据外凸的弧形设立调修方案：

2.1当检测弧形凸出4mm时，确定使用中火调修；门立柱处使用大火调修；

2.2确认凸起点在焊缝位置还是在型腔位置，当在焊缝位置时，使用直线型对焊缝进行加热，温度控制在100摄氏度即可；当在型腔位置时，使用点状加热，延凸起方向每隔100mm加热一点，一直延续到门立柱处。自然冷却即可达到技术要求的1.5mm以内。

2.3、当门立柱凸出时，以弧形中心为分界，下面500mm，上面700mm处加热，从下往上延门立柱外角顺序加热，在弧顶处加热大一些，温度110度左右，一次性可以收缩3-4mm，可以达到技术要求。

五、结论

经过上述的调修方式，最终满足工艺要求和尺寸公差。由于铝合金的特殊性，加热次数的增多，其强度会下降，最多只允许调修3次，为了保证焊接强度，避免调修或尽量减少调修次数，在组对铝合金车体时做出必要的反变形量，来抵消焊接变形，从而直接获得技术要求的形状，这一课题一直在工艺部门、一线员工的努力下在完成。

中国铝合金车体制造技术起步高、发展快，很多技术是在发达国家成熟技术上的再次飞跃，但铝合金制造技术是一个综合的技术，不是有先进的设备、成熟的理念就能实现一流的制造质量。随着国家‘一带一路的全球发展计划，地铁、高铁走出国门，已经不是梦想，中国创造必将闪耀世界。

参考文献：

[1] 王炎金，丁国华.铝合金车体制造关键技术研究.

[2] 王炎金，丁国华，王俊玖.铝合金车体制造技术在中国的发展现状和展望.焊接.

（作者单位：长春轨道客车股份有限公司铝车体车间）