铝合金仓储箱侧墙焊接难点分析及焊接工艺优化研究

朱佃坤

（山东鑫亚工业股份有限公司，山东 聊城 252000）

铝合金仓储箱是近年来产生的运输设备，其规格和形状基本上都有了固定的规范，因此，在进行焊接工艺操作时，要充分考虑焊接的先后顺序。从总体设计上，包括侧墙总成和底板系统，都经过了拼装焊接而得到。由于侧壁板的设计流程比较烦琐，是利用铝合金的空心材料加压焊接而成，需要在多次更新优化步骤下，使其能够满足生产要求[1]。在数字化手段逐渐成熟的势态下，世界各地对于焊接方法的选择越来越多样化，按工作原理分为四种方式。其中对于固定点位的焊接，主要采用闪电焊接，在电阻加热的方式下，使得接触点中会产生闪光，使得材料表面全部熔化，通过深度范围内置压力焊接。对现场联合焊接情况，会采用气压焊接的方式，是指在气体燃料的热能产生时，将制备材料熔化到塑性状态，再进行锻顶压力焊接[2]。

1 铝合金仓储箱侧墙焊接难点分析

1.1 侧墙结构更新频繁难以明确合理焊接参数

一般来讲对铝合金的仓储箱设计，为满足运输配送的基本要求，侧墙的壁厚度不会超过1.4mm，而与之相连的上下梁切断的厚度会在6mm 以上，从而形成搭接的接头形式。由于仓储箱呈现装配拼接的结构，在进行侧墙板设计时主要是保证平整度，需要其与上横梁的设计为搭接接头，可以为T字形接头，与下横梁的接头也为搭接形式。内部和外部的材料要均匀的焊满，较薄的一侧板墙焊脚尺寸不得超过2.4mm，厚板墙的焊脚尺寸不低于3.5mm[3]。

根据这样的不等后的接头样式，在焊接过程中极容易出现不稳定的操作，影响后期的侧墙板融合不佳问题，较薄的地方会烧穿。常规条件下铝合金仓储箱侧墙的生产线，采用专机焊接进行工艺设定，通过MIG 专机焊接方法，对侧墙板进行边梁的焊接和补焊等工作。

根据图中内容所示，在采用专机焊接的侧墙工艺上，制作流程可以划分为三个阶段：第一是对装配的侧墙进行参数设定，测量出其与外墙板的距离，以及侧墙的板角尺寸和连接尺寸[4]。第二是在样板间进行拼焊和对接，将铝合金材料内表面进行断续焊接，使其能够与上下边梁进行融合连接。第三是检查焊接不稳的缺口，进行多次的补焊和清理，一侧焊接完后要翻转侧墙。对另一侧进行焊接，将侧墙板相邻处之间形成嵌入式对接接头。但由于仓储箱产品结构的不断更新换代，使用的材料厚度会发生变化，从而难以明确具体的焊接参数和顺序，造成仓储箱侧墙的成品尺寸与实际需求不符，无法满足图纸的精度要求。

1.2 铝合金材料导热效率高致使接头应力复杂

以铝合金材质进行仓储箱的打造，在侧墙焊接过程中会形成不均匀的承载能力，产生大小不一的焊缝，按照成品的接收标准来看，需要在焊接接头质量等级中最低满足D 级。焊接后要求为：侧墙板的整合平整度要小于3.5mm，对角线误差在±1.5mm 内，整体侧墙不会发生扭曲和变形。在此类情况下进行侧板墙焊接，需要在焊接的内部进行不断变换，在可能产生焊缝的地方进行反复的焊接操作[5]。

在侧墙和连接柱的中间加入对接头后，便可采用有限元分析的方法，当出现满载状况时进入紧急转弯焊接，即使发生了变形后的对连接头，仍存在有一定拉应力。而反复的焊接过程，虽然可以加强侧板墙的自身承载力，但较薄弱的接口部位容易产生烧穿问题，主要是焊接的温度过大，而板材选料的过程较为单一，而较厚板材处为迎合较薄地点的焊接程度，又容易出现自然融合的缺陷问题，具体情况如图1 所示。

图1 侧墙烧穿与未熔合状态示意图

根据图1 中内容所示，在进行焊接工艺选择时，会受到铝合金材料自身的性质影响，由于其导热的效率过大，在线性膨胀系数统一的情况下，过多地进行焊接操作，会造成焊接线能量过高，致使较薄侧板墙的焊脚出现烧穿问题。当产生问题后，以实际情况进行分析和测定，以电网的波动情况入手，焊接过程中会呈现出不同的问题，导致焊接后的侧板墙接头应力复杂，不能在统一标准下进行应用[6]。受焊接工艺不稳定因素影响，在铝合金仓储箱侧墙焊接中存在多个难点问题，使得制作的效率和工艺水平不能大幅度提升，需要花费大量的时间进行补救和整形，为此设计铝合金仓储箱侧墙焊接工艺的优化方法。

2 铝合金仓储箱侧墙焊接工艺优化方法

2.1 有限元网格划分焊接参数

通过模型内的有限元网格模块，对焊接过程中铝合金材料的物理属性进行跟踪和定位，使其在统一的温度变化内，能够促进焊接缝隙和母材的属性相一致。选择初始侧墙的制作规格，设定平板尺寸为600mm×600mm×52mm，在各部分组件划分后精细化焊缝的对接[7]。

由于整个焊接过程包含了多条焊道，在制定焊接工艺参数时，需要考虑多种因素，才能够保证焊接阶段不出现损伤情况，避免返工和重焊的问题。各个焊道的层间温度控制在190℃-260℃范围内，保证焊接接头的尺寸不超过平板数字，分别对需要应用的焊道参数进行设置，具体如表1 所示。

表1 铝合金仓储箱侧墙焊接工艺参数

根据表中内容所示，此次对焊接参数的设定取电压和电流，以及焊接速度三个标准。焊道的划分以有限元模型直接获取，随着电压取值的升高，其对应电流也会随之增加，而在两者均增加的情况下，焊接速度才会提升，因此三者呈现出正相关状态[8]。而以焊道划分为标准进行读取，根据字母的排列顺序对应焊道先后位置，其中在越远的位置焊道中，三个影响因素的参数标准数值越大。依据划分好的焊接参数，制定焊枪的运动轨迹，进行焊接工艺的优化设计。

2.2 规划焊枪运动轨迹

完成特定影响参数设定后，在有限元模型内模拟侧墙焊接的过程，直接按照内生热源的方式，将整体仓储箱侧墙加热到预设的温度上进行热处理，再对其他处理区域进行局部冷却操作[9]。

而冷却过程中会存在流速介质，会对焊接的残余应力产生很大的消除抵制，需要考虑消除残余应力的放大，进行分阶段的焊接操作。

以ABAQUS 生死单元为技术要点，对温度场和应力场进行耦合对峙，以同步时间内的振幅曲线变化，获取焊接热源的移动规律，将热量密度作为因变量进行计算，表达式如下：

公式中：热量密度用z 来表示；焊接电弧的热效率用X来表示，取值范围在0.2≤X≤0.6 内；电弧的电压用c 来表示；对应的焊接电流用v 来表示；焊接过程产生的焊缝截面面积用b 来表示；整体焊接速度用n 来表示。根据牛顿的冷却定律，若假设在冷却过程中没有冷却分流介质，那么冷却的区域内能够保证热量系数不变，通常直接选择与室温相近的温度作为模拟边界[10]。

对铝合金仓储箱侧墙的焊接过程，在保证焊枪的运动轨迹不出现偏差的基础上，直接利用有限元模型进行焊接参数设置。至此在分析铝合金仓储箱侧墙的焊接难点基础上，通过有限元网络划分焊接参数，重新规划焊枪的运动轨迹，完成侧墙焊接工艺的优化方法设计。

3 实验测试与分析

为验证此次设计的优化方法具有实际应用效果，能够在铝合金仓储箱侧墙焊接过程中，保证墙板焊接接头的质量，以此提高焊接效率，采用实验测试的方法进行论证。以动车运载车厢为测试条件，其整组车体均为铝合金焊接结构，在左右两侧分别存在两组侧墙，一个是外端墙，另一个是内端墙。两者通过短侧墙的焊接与左右侧墙进行组合，形成箱型结构，其中两组侧墙的厚度均为6mm，焊缝形式为外侧6HV。按照以上设定进行动车车组的试制，保证粉干能够与底板进行精密连接，并且外形轮廓要具备较高的平整度。

在试制过程中出现了平面度超标问题，得到的侧墙尺寸不能满足运输要求，内侧墙板与焊脚处产生多处开裂，局部裂纹最大达到了42mm，最小也有12mm。将选择的测试对象所有信息，上传至MATLAB 测试平台中，直接对首次制备过程进行参数分析，主要原因为焊接工艺与参数不匹配，在后续调节焊脚和焊缝时才会出现开裂现象。

对上述制备条件和情况，能够满足此次实验的要求，选择两组传统优化方法最为对照，与本文优化方法进行对比，完成对该动车仓储箱焊接工艺的优化，使其能够满足精度要求。通过三组优化方法进行测试，原有优化方法的具体措施和流程，不额外进行阐述，直接对本文方法的工艺流程进行设定，如下：

（1）调整焊接顺序：首先采用分段法对外侧的3HV 焊缝，进行退焊焊接；其次利用跳焊的方式进行内角焊缝焊接；最后对焊缝的长度控制需保证一致。

（2）匹配焊接参数：将焊接电流和电弧电压，控制在对应的标准焊接速度下，以焊钳预热的方式匹配焊道温度，保证在焊缝融合的基础上，较少热量的集中汇集。

（3）统一装配组件：对内侧板进行焊接时，同时考虑封板和侧墙的紧密程度，减小接口处的焊接填充量，以此降低侧板的变形量。

按照上述的步骤设定，以设置好的焊接参数进行动车组仓储箱的侧墙制备模拟，直接在平台中引入模型制备软件，具体模拟图和实际成品效果，如图2 所示。根据图中内容所示，本文设计的优化方法能够将侧墙板进行图像转换，在对应的问题发生点位上进行模拟，完成对仓储箱侧墙板的图纸刻画。以实物图显示结果可知，本文方法能够对焊接工艺进行优化，在制备过程中基本没有出现裂缝问题，且焊脚与焊脚之间的连接也非常流畅，具有实际应用意义。

图2 仓储箱侧墙制备过程

为进一步验证本文方法的有效性，对三组优化方法的工艺制备过程进行测试，以实际实物均能满足运输标准为基础，对比不同的工艺优化方法下，制备过程的返工次数。当焊接接头的应力强度不足260MPA 时，会进行返工，其他条件均以原有设定为标准，以10 天的制备工期，具体测试结果如表2 所示。

表2 不同焊接工艺优化方法下返工次数对比（次）

根据表中内容所示，在本文方法应用下，基本上没有出现返工的情况，而两组传统优化方法下，均产生了数次返工，最多返工次数为5 次，若在给定的制备周期内多次返工，会影响后续的焊接效率，延长侧墙的制备周期，影响仓储箱的成品组装。综合实验结果来看：本次设计的优化方法，能够快速对涉及参数进行分析和匹配，选择最合适的工艺顺序进行焊接，保证接头的返工次数降到最小，具有实际应用效果。

结束语

本文以分析铝合金仓储箱侧墙焊接难点为基础，对焊接工艺进行优化设计，通过有限元模型中的网格单位，进行多组参数划分，完成对侧墙焊接顺序与工艺匹配，以此制定焊枪的运动轨迹，完成铝合金仓储箱侧墙的焊接工艺优化方法设计。实验结果表明：以动车组铝合金仓储机身为测试对象，对其设定的成品参数进行制备，在本文方法下能够产生较高的焊接精度，在侧墙和焊脚之间基本没有产生焊缝，且在按照设定的制备工期进行焊接时，没有出现返工问题，具有实际应用效果。

但由于本人时间有限，在研究过程中对测试环节的对比方面较为单一，所得结果具有一定偏差性，仍存在少许不足之处。后续研究过程中会针对此方面进行重新模拟，为仓储箱的侧墙焊接提供更科学的理论支持，保证焊接工艺的精度和效率。