铁路机车铝合金制件焊接变形原因及控制预防

郭喜春

(哈尔滨铁道职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

焊接方式是铁路机车铝合金结构之间常规化的连接方式，通过精致的焊接工艺，可以将许多部件有效的连接在一起。但是在焊接的过程中，由于焊接过程会产生高温，因此焊接部件会受到不同类型的应力、环境、焊接温度以及材质属性等因素的影响，从而出现一些影响焊接质量的问题。质量问题的产生则会对零部件的连接造成一定的安全隐患，直接投入使用将会带来很大的危害。以部件连接方式的焊接环节作为例，在焊接过程中不仅仅需要高超焊接工艺，同时还需要产品满足对焊接变形的控制处理，从而在技术和材质两方面都具有充足的操作空间，以达到施工目的。

1 焊接变形分类

在焊接过程中，由于操作的特殊性，出现变形的原因有很多种，其中，母材材质质量不达标则会出现严重的问题；填充材料与母材之间的黏合度不够，则会产生很大的变形；焊接方法不娴熟以及使用方法不正确、顺序不正确，操作上的失误也会造成变形现象的产生；焊接过程中没有根据相关操作标准进行焊接，焊接参数不正确等，这些最基本内容上出现了错误也就会导致焊接出现变形现象，或者出现一些很难处理的问题。

2 铝合金制件的焊接变形

铝合金制件的焊接变形按照最常见的变形方式可以分为纵向变形、横向变形、弯曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形等。此外还有一种按照焊接结构的区分，可以根据变形的具体情况以及比例分为局部变形和整体变形。局部变形就是指在焊接作业中，制件的某一部分出现了变形，局部变形中主要有角变形和波浪变形，此种变形模式受到的力较小，因此变形程度对结构的影响也较小，在后期的处理中也比较容易操作，修复性较强。焊接结构的整体变形则指的是整体发生了尺寸和形状等方面的变形，这种变形程度较大，因此在后期处理的过程中难以操作，整体变形包括了纵向、横向、弯曲、扭曲变形等。

2.1 纵向变形

纵向变形主要指的是焊接部件在焊接过程中出现了纵向缩短的变形，由于焊缝的不断调节，因此焊接部件的收缩量也会随着焊缝的增加而增加。此外由于铝合金材料本身具备较大的线膨胀系数，焊接会造成很大的膨胀收缩，作业之后焊缝纵向收缩量较大。进行多层焊接时，第一层是最初焊接的，后面的焊接也会对其产生一定的影响，因此第一层所引起的收缩量最大，第一层的焊件在焊接时，具备的刚性较小，因此难以把控。为了减少焊件的收缩量，在进行焊接式需要将焊件固定在夹具下，此方法可以有效地减少焊件的变形程度。

2.2 横向变形

横向变形则是部件在焊接的过程中出现了横向缩短现象。焊接过程中会出现不均匀的加热，从而导致焊缝和母材的受热部分在发生变形的同时会受到其他部位的抑制。横向变形和纵向变形的原因基本相似，只是在结果上有纵向和横向之分。横向变形的程度主要与板厚有关，此外还与坡口角度有关，板厚增加、坡角度大都会造成横向收缩量的增大，在实际焊接过程中，对某对接焊缝进行焊接时会由于焊接次序和方向上存在不同，产生不同程度的横向焊接变形。

2.3 弯曲变形

弯曲变形现象主要出现在梁、柱、管道等零部件中，弯曲变形造成的损伤较大。在衡量弯曲变形的程度中，挠度的数值是一个十分有效的衡量标准，挠度越大，弯曲变形的程度也就越大。

2.4 角变形

在进行铁路机车铝合金制件的堆焊或者对接时，铝板的厚度是十分关键的部分，如果铝板较薄，那么可以视为温度分布比较均匀，角变形也就不易产生。但是铝板较厚时，温度的传导受阻，则会出现两面温度不一致，其中温度较高的一面则受热膨胀程度较大，另一面膨胀程度较小，此时会产生明显的横向压缩塑性变形。在冷却时也会由于厚度太大，两个面的冷却效果差距太大，容易出现收缩不均匀现象，出现焊接一面收缩大，另一面收缩小的现象[1]。

2.5 波浪变形

薄板焊接结构中经常会出现波浪变形现象，波浪的出现可以解释为由于薄板结构焊接时纵向和横向的压应力使得薄板失去了稳定出现波浪形的变形，此种变形程度较大，并且明显。

2.6 扭曲变形

扭曲变形是一种复杂的变形模式，产生的原因也较多，焊接时部件的位置和尺寸与设计出现不符、形状不规范等都会造成扭曲变形产生。

3 铁路机车铝合金制件的焊接变形原因

铁路机车铝合金制件在焊接过程中由于影响因素过多，极易发生变形，其中包括了材料性质、结构设计、焊接工艺等[2]。

3.1 材料性质因素

在材料本身的性质方面，铝合金材质存在物化性能很活泼的特点，焊接过程中焊接接口的软化会降低产品本身的强度系数，此外铝合金制件的线膨胀系数较大，所以更容易出现变形的现象。因此在进行铝合金制件焊接时，由其母材内部结构中存在的一些特殊化学成分产生的影响，会给焊接过程带来一些质量问题。

3.2 结构设计

在进行结构设计时，由于铝合金制件本身材质的原因，在作为焊接构件时会受到本身和外在多方面的拘束。当前随着铁路机车内部零件的连接方式越来越复杂，铝合金制件拘束变化也趋向于复杂化，在焊接过程中也就会受到更多的影响，变形等焊接问题也就更容易出现。

3.3 焊接工艺

焊接工艺是焊接过程中最重要的一部分，优秀的焊接工艺可以提升焊接效果。此外由于铝合金表面易氧化，在操作时要求以大功率密度的焊接工艺为基础进行。焊接方法的不同以及焊接工艺本身在焊接中存在加热与冷却过程，存在很多影响焊接效果的因素，焊接部分会受到热胀冷缩基本原理的控制，焊接部位会产生焊接应力，从而导致焊接变形。温度不同的地方所产生的应力也有很大的区别，焊接应力在高温部位所表现的力为膨胀拉伸应力，在焊接部位周边都会受到影响。在温度较低的部位，所产生的则是收缩应力，也会造成力的分布不均，当焊接过程中温度变化一直处于冷却过程时，焊接应用力与焊接变形会同时发生，焊接效果极差。当温度与周围环境的温度差不多时，铝结构的制件依然存在多个方向的残余应力，导致铝结构内部会产生不同方向的变形，哪一方应力较大相应的变形程度也就更大[3]。

4 铁路机车铝合金制件的变形控制措施

4.1 完善工艺流程和系统运行机制

铁路机车类型有很多种，在生产过程中对铝合金制件的要求也会不同，因此在操作的过程中使用的工艺流程也会有所不同。首先需要从焊接的工艺流程入手，对工艺流程进行优化完善，可以使用标签法使得验收人员和焊接人员以及评估人员能够对制件实行统一的处理。此外还需要根据工艺各环节的设计数据收集、技术要求等方面的评估方案，对焊接工作进行整体的评估，焊接施工可以分流到每一个细致的环节，进行更细致的管理与控制，每一个环节的评估机制和工艺设计需要具有较高的匹配度，从而提升焊接质量控制。

4.2 引入先进技术

在焊接仪器和设备方面，可以合理利用先进的设备增加焊接效果，例如卡尺夹具、红外线等设备，从而提高焊接工作的基础设施条件。当前还可以进行焊接变形的预控，主要是使用有限元理论，此理论可以进行操作前模拟，从而预知一些问题和隐患，提前得到焊接的数据，做好充分准备去应付变形。

4.3 优化设计

在焊接中的应力是客观存在的，因此在对铝合金制件进行焊接时，可以从设计策略方面入手，减少变形问题的产生，增加其平滑度，增强焊接效果。此外，焊缝的集中和焊点的相交也会造成应力集中，此时需要对其进行划分，按照主次方法断开。残余应力所造成的焊接变形则需要根据实际情况分析，对不同的变形加以相应的处理，包括对小焊缝数量的控制、焊接顺序、焊接约束度等，再结合以往的经验采用锤击法，利用锤击法增加制件本身的塑性应力，抵消掉残余应力减少变形[4]。

5 结语

铁路机车铝合金制件焊接是一项十分重要的工作，为了有效提升焊接效果，技术人员需要对焊接中出现的变形进行分析，根据产生的原因选择合适的变形控制措施。此外，技术人员还需要对材料属性、工艺流程、焊接设备等进行优化，借助当前的先进仪器进行变形预测，从而做到提前控制，减少变形现象的产生。