铝合金车体焊接变形原因及控制措施

董净泉

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062）

0 引言

铝是现代工业生产中应用最为广泛的一种有色金属，铝合金凭借其密度小、抗腐蚀性强、焊接性好、加工成型好等优势，在轨道车辆制造中得到广泛利用。目前，我国轨道车辆的车体构成主要是通过挤压铝型材料生产车体型材，如底架、侧墙、车顶等车体大部件都是利用与车体等长的数块挤压铝型材料焊接而成，且焊缝为纵向长直平行的规则焊缝，易于实现自动焊接。由于铝合金材料的导热性是普通钢铁的5 倍，膨胀系数是普通钢铁的3 倍，导致在焊接作业时容易出现较大的变形[1]。为此，铝合金车体焊接的变形控制成为焊接作业中的一大难题，考虑到有多种焊接方式，而影响焊接变形的因素较多，对如何加强铝合金车体焊接变形的控制进行研究具有重要意义。

1 铝合金车体变形

铝合金车体的构成材料种类众多，因此焊接作业过程中所形成的高温环境极易造成车体变形。实际上，在铝合金车体的制造过程中各车体间的窄条相互接触，如果其中一方出现变形则必然会影响另一方[2]。同时，由于不同型材和焊点间的距离不一，导致焊接作业中所接收到的热量不同，从而致使变形大的材料挤压变形小的材料，进而造成铝合金型材的整体变形。此外，在结束焊接作业后会经过后期的冷却阶段，根据热胀冷缩原理，铝合金型材在冷却过程中会产生一定的收缩与形变。受车体构成材料差异影响，导致冷却阶段不同材料间的收缩程度不一，这会导致变形的情况。因此，进行铝合金车体焊接作业时，必须对车体变形情况加以控制，从而保证制造出的车体尺寸参数与设计尺寸不存在较大误差，确保符合车体生产质量标准要求。

2 铝合金车体焊接变形的主要原因

造成铝合金车体频繁出现焊接变形且难以实现有效控制主要有以下3 个原因。

（1）与一般钢铁相比，铝合金的熔点较低，约540～640 ℃[3]。但铝的溶解热和比热却要比常见金属要高出很多，且铝的导热性是普通钢铁的5 倍。因此，对于铝合金材料的焊接而言，需要在短时间内提供大量的热才能实现有效焊接。同时，铝的膨胀系数是普通钢铁的3 倍，在焊接作业中对于温度和时间的控制要求更加严格。这也是造成铝合金车体焊接变形频繁出现且难以控制的关键因素。

（2）由于型材成型技术及车体制造成本等原因，铝合金车体的制造过程中通常使用宽450 mm 的铝合金，因此需要利用多块型材进行插接组焊，从而形成车体中的大型部件模块[4]。因为铝合金车体焊接作业中采用的焊接方式较多、焊接累计次数多，以及焊接程度较大等作业特性，导致焊接操作难度极大，加之对焊接变形进行有效控制的手段不足，因而易出现焊接变形的情况。

（3）铝合金车体在进行二次焊接时，受到的收缩应力与刚性压紧应力的叠加要远大于一次焊接所造成的焊接余应力，所以二次焊接变形程度要明显大于一次焊接变形。

3 焊接变形控制的具体措施

针对铝合金车体焊接变形的有效控制措施，应从尽量减小变形程度和降低焊接残余应力入手，具体控制措施可分为焊前、随焊和焊后3 个阶段。

3.1 焊前

焊前变形控制措施主要涉及焊件结构设计、材料选择等方面，包含预先成型、焊件支撑的选择、焊件固定方式、焊接顺序及作业规范等。首先，应改善接头设计，采用刚度较好的型材进行插对接，并通过合理调整焊接顺序、简化焊接流程，以提高焊接效率、降低焊接次数。其次，在焊接作业前可利用如下措施：

（1）对焊接板进行数值计算和预拉伸试验，通过预拉伸手段实现对焊接板纵向残余应力的有效控制，从而减小焊接板平面变形和纵向挠曲变形的程度。常见的预拉伸法有机械拉伸与加热拉伸两种。

（2）单块铝合金车体型材通常为大型蜂窝铝型材，纵向和横向均具有较大刚度，但当利用插接点焊对两块型材进行焊接时，型材插口处的横向刚度会大幅减弱，从而导致在插口两侧形成横向变形，因此对这种变形进行控制的关键在于对插口处横向收缩的抑制。以铝合金车体侧墙变形为例，因二次焊接变形比一次焊接变形大，可以通过挠度预设置工装、预制变形工装等预制反变形手段实现对焊接变形量的有效控制。反变形法或预变形法适用于车体的二级焊接变形控制，反变形法或刚性固定组装法主要适用于对大部件铝合金型材的焊接变形控制。

（3）预先利用刚性胎具或夹具固定焊接板。在铝合金车体制造过程中，通常采用刚性固定组装法横向固定车体的方式规避车体的横向变形。但这种方式有明显的弊端，单纯借助横向压紧抑制变形完全不够，当完全松开刚性固定工装后必然会出现变形的反弹情况。特别是针对要进行的二次焊接作业，不仅不能有效控制车体变形，甚至会加剧变形的程度。为此，在焊接作业前应加强对预留反变形量的关注，对型材内外两侧焊缝进行先后焊接时，当完成一次焊接后，一定要在预留反变形量后再进行剩余部位的焊接。通常情况下底架或侧墙这类车体大部件预留的反变形量应控制在15～20 mm。

3.2 随焊

随焊变形控制措施主要是指在焊接作业过程中采用的变形控制措施，包括：

（1）完善焊接方法，降低热传导。当前，随着MIG（Metal Inert-Gas welding，熔化极惰性气体保护焊）技术的成熟与成本的降低，MIG 技术成为最常见的焊接方法，MIG 自动焊、双丝脉冲MIG 焊技术在轨道车辆车体焊接中得到普遍应用。但MIG技术在焊接过程中会产生大量的热量，从而导致焊接变形。为此，在采用MIG 技术时需要尽量减少焊接热输入，从而有效避免焊接时产生较大变形与残余应力。

（2）改善焊接工艺参数，尽可能降低传输到焊接板上的热量。定制焊接工艺参数时，重点需要考虑的参数有焊接位置、焊接母材、保护气体及焊接接头形式选择等。

（3）采用冷却法等手段，限制或缩小焊接过程中的受热面积，控制焊接温度。

（4）合理改进焊接顺序，减少焊接作业对焊接板的影响，降低变形。必须依照预先制定的焊接顺序进行焊接作业，焊接方向由内向外、由中间向两边，且最大限度实现焊缝的无约束收缩。通常情况下，可先对对接焊缝进行焊接；同时进行长焊缝的对角焊接，以实现多处焊缝变形的相互抵消；对于多道多层焊缝，可采用分段退焊或分段跳焊的方式，尽量分散焊接产生的热量。

（5）引进焊接变形小、焊接应力低的新型焊接方法。与MIG技术相比，FSW（Friction Stir Welding，搅拌摩擦）焊技术具有热量传输小的明显优势。它是通过焊接点母材的软化塑性变形再结晶而实现焊接的一种压力焊，能够得到与母材性能接近的焊接头，从而降低焊接头对整体物理和化学性能的影响。FSW 焊基本上能够实现所有系列铝合金材料的焊接，在焊接过程中能够自动破碎产生的表面氧化膜，且不会出现材料熔化情况，有效弥补传统焊接方式中液化裂纹、气孔及热裂纹等缺陷[5]。而更小的热量输入也在极大程度上实现了对焊接变形的有效控制，适用于铝合金车体的长直焊缝焊接，能够显著提升焊接质量。但FSW 对于焊接原材料、自动焊接设备以及工装有较高的要求。考虑到国产铝合金型材在焊接强度和基础性能方面仍有不足，虽然时效工艺能提升型材的基体强度，但焊接强度较低，对其使用性能会造成较大影响。这不仅无法完全满足我国轨道车辆铝合金车体对大型铝合金型材的需要，同时也限制了FSW 技术在铝合金车体焊接中的应用。

（6）随焊变形控制措施可与焊前变形控制措施共同使用，在铝合金车体地板与边梁长焊缝的焊接中，可在焊前制定点固工艺，以20 m 长焊缝为例，采用段焊方式，要求长度在100 mm，间隔500 mm，并于1.5 m 处放置1 t 的压铁。在三段焊完成之后，吊起压铁再运送至前1.5 m 处放下，继续进行三段焊接。如此往复，即可有效控制焊接过程中出现的上翘变形。

3.3 焊后

铝合金车体的焊后变形控制措施主要是对焊后残余应力的消除以及一定的校正处理，具体方法有3 种，分别是机械调修法、火焰调修法、热冷综合调修法。经过焊前和随焊变形控制后仍存有残余应力的，则必须在对变形部位矫正后再利用火焰或冷调修两种工艺对变形进行消除。

冷调修法主要是利用压力机或锤击与变形方向相反的方向进行矫形。考虑到铝合金型材的特性，如果选择冷调修法会导致型材损伤，同时因铝合金车体自动焊接后大部件的变形程度一般较轻，可单独采用火焰调修法进行矫形，并且火焰调修法还具有操作简单、成本低廉的优势。

由于温度对铝合金型材性能的影响较大，所以在调修过程中必须严格控制额外的热输入，不仅需要保证热点、热线及热边具有充足的热输入，以确保成功矫形，还要确保将温度和时间控制还合理的范围之内，以避免焊接成品强度有所下降。此外，大量的热输入还会导致焊接接头甚至基材的组织性能有所降低，为此还要严格把控热调修过程中的加热温度。结合铝合金的热处理特点，加热温度控制在175 ℃以下的矫形效果较好，热调修后铝合金型材的组织及力学性能均无明显变化。对于较大的焊接变形，可以采用多次热调修法进行处理，避免因一次热输入量过大而造成材料的性能下降。此外，也可以通过热冷综合调修法对已变形的焊件进行矫形处理。

4 结论

轨道车辆铝合金车体制造过程中，焊接变形控制是重要组成部分，有必要通过系统、深入的研究为实际生产活动提供精确指导。深入研究轨道车辆铝合金车体焊接变形的要点，分析造成焊接变形的主要因素，结合铝合金车体组焊工艺提出如下控制要点：通过利用低热输入焊接方式，尽可能地减少焊接变形；通过合理选择焊接调修工艺，矫正焊接变形，保证焊缝质量；通过合理选择焊前控制方法、定向释放应力，控制焊接变形；通过调整焊接顺序及引入优化焊接新技术，规避焊接变形。这样能够攻克铝合金车体焊接变形控制技术难题，为车体制造提供质量保障。