轨道车辆铝合金车体扭曲变形焊接控制研究

唐冬前

摘 要 随着国民经济稳步增长，轨道公共交通车辆需求随之增加。近几年，轨道交通建设规模不断扩大，铝合金作为轨道车辆中的重要材料，其焊接质量直接关系到车辆的整体质量，其中焊接变形是影响铝合金焊后质量的重要评价参数素。在生产过程中，轨道车辆的车体长度、高度以及宽度，都会因为焊接热输入的不均匀，焊后冷却速度不一致导致尺寸变形，尤其以车体的扭曲变形控制最难。本文从车体结构、焊接工艺角度进行分析，研究车体扭曲变形控制方法。

关键词 轨道车辆;焊接应力;扭曲变形

引言

由于铝合金比强度非常好，再有防腐蚀性能、焊接性能良好，其在轨道车辆上的应用越来越普及。但是高热导率、高膨胀系数也给铝合金的焊接生产带来了困难，在箱体结构的焊接过程中，由于拘束应力的作用，导致轮廓尺寸比较难以保证。通过在结构设计过程中进行厚度补强、挤压型材等手段能起到很好的优化。但焊接的热收缩会使不同的板厚收缩不同，易在客室门、窗框等拐角位置释放残余应力，造成型材表面凸起或内凹。减小高频启闭车门对运行列车安全的影响显得尤为重要，必须保证客室门框的对角线误差，以及客室门位置车体的对角线误差，这对焊接变形控制提出了更高要求。

1 铝合金车体的组成

根据列车编组的数量不同，铝合金车体大致可以分为Tc车、M车、Mp车。其中Tc车是头车部分，M车、Mp车结构类似，本文以M车为讨论对象。车体由底架、侧墙单元、端墙、顶盖四大主要板块组成（见下图1.2.3.5所示）。底架是安装电器控制柜体、承受客室重量的主要结构，刚性、强度最大。顶盖用来承载空调、客室门、门驱，以及装配车内顶层附件。侧墙单元是连接顶盖和底架的部分，固定车门、安装侧窗。两端的端墙是密闭车体形成车体稳定箱体结构，连通两节车厢部分[1]。

2 车体组焊扭曲变形产生的主要原因

车体的四大板块都有承重、安装电器等功能，任何一个部分的失效问题都会影响列车的安全运行，所以在设计环节进行了大量结构计算和模拟分析，对有效部分进行厚度补强、型材加强，尤其是客室的四个门角采用的是锻造铝合金整体加工防止应力在拐角位置垂直相交。这种结构设计导致截面变化，刚度分布不均、受热不均匀、板厚不同散热不一致。在相对的两个客室门位置如果出现到相互之间的对角线差值超出某一约定范围，就出现了车体扭曲。是车门无法安装、闭合、客室渗水的根本原因。主要要表现为车体端部某一处角或其相对角尺寸明显偏大[2]。

3 焊接变形的控制方法

3.1 选取相对固定不变的基准面、检查液压工装拉紧情况

选取相对固定不变的枕梁加工平面为整个车体的装配基准面，采用拉紧装置将枕梁与地面基础工装进行刚性固定，保证底架两端的基准在水平方向的误差为零。底架吊装完成后，打开拉紧装置液压机，检查底架拉紧装置是否垂直、晃动，检查油管线路是否有漏油现象，逐一检查。观察压力表核实是否存在泄压现象，压力稳定的情况下可以保证底架与工装

3.2 正确的装配顺序，精准地预留焊接收缩余量

保证侧墙与顶盖、底架的外轮廓对接面装平，按工艺要求进行段焊点固。在车体结框架构结构搭建后，调整客室门对角线、高度、宽度，用撑杆对尺寸进行调节。结合段焊顺序、方向进行收缩量预留，对车体内侧及门框厚度位置进行段焊点固。然后检查相对客室门间的宽度、侧墙单元上侧窗位置的宽度。根据尺寸变化情况用拉紧带、撑杆对宽度进行调节，使组装的应力转移朝向长度方向的端墙侧，有利于应力从出口释放[3]。

3.3 采用高效焊接方法，合理焊接工艺

MIG自动焊目前被证明是一种高效、优质的焊接方法，广泛应用于轨道车辆行业，尤其是铝合金材料的焊接。集中的焊接热能使焊接速度可以达到80～100mm/min。在多层多道焊接过程中控制多道焊层间的焊接温度在60～120摄氏度之间。采用先焊长缝，再焊短缝的焊接顺序。长缝产生的焊接应力大，但可以先形成稳定的框架结构，利用结构自身的稳定性内外侧同时施焊，焊接产生的应力能够相互抵消一部分。同时选用沿车厢中心向两侧对称施焊方法。一方面车体长度方向产生的收缩应力减小，另一方面焊接应力同步焊接方向指向两端，利于应力释放。待长度方向的焊缝全部完成，重新复核车体各门框位置对角线，也采用从中间向两端调整顺序，最后封闭端墙，减小焊接残余应力。（如下图标示）

3.4 焊后变形的控制，整体冷却

车体结构焊接完成后，在刚性固定的约束下待整体温度降到室温再脱胎。焊接过程的不均匀加热是产生焊接变形的主要原因，焊后采用整体冷却，让厚度大且温度高的地方和整体结构保持温度连续冷却，相互制约平衡，利于焊接残余应力的均匀分布。避免在薄壁的板材表面形成急剧的表面变化形成内凹和外凸。

3.5 超差变形的修复，反撑变形较小的车体对角线

如果前述部分工艺措施在作业过程中没有执行到位，造成了车体扭曲变形。在后期的返修过程中可以对车体对角线小的一侧进行反撑，调整到比反撑后的对角线多出收缩余量值，按照正常焊接工艺进行返修，也能挽回一些扭曲造成的差值[4]。

4 结束语

综上所述，在对铝合金车体结构焊接过程中，出现焊接变形是很常见的，通过正确的装配顺序，精确地预留焊接收缩余量;采用高效焊接方法，合理焊接工艺、整体冷却等工艺措施，能够保证车体扭曲尺寸在控制范围以内。如果工艺执行不到位，也可以采用反撑小变形对角线进行二次切割补焊返修，减小扭曲变形。

参考文献

[1] 李吉春，马君.轨道车辆焊接制造工艺现状及趋势浅析[J].科技风，2019，（7）：143.

[2] 董彦妮，张振鹏.焊接技术在轨道交通车体中应用现状及发展趋势[J].科学技术创新，2019，（5）：173-174.

[3] 孙德伟，方斌.焊接技术在动车组铝合金车体焊接中的應用[J].中国新技术新产品，2019，（2）：61-62.

[4] 袁新杰.动车组铝合金框架结构的焊接[J].焊接技术，2010，39（7）： 25-27.