铝合金车体底架框型结构的焊接变形控制

王磊 王德

摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进交通建设项目的增多。国内市场对动车组的需求愈来愈大，为了满足环保低碳、节省能源、低重量、高质量和安全性等要求，动车组开始使用质量轻、强度大、耐腐蚀性强、韧塑性好的铝合金作为车体结构。新型动车组的铝合金车体结构在原基础上进行了优化，但其底架结构在制造过程中，出现了局部焊接变形量大、装配尺寸不易控制的问题。本文就铝合金车体底架框型结构的焊接变形控制展开探讨。

关键词：铝合金车体；底架；框型结构；焊接变形；变形控制

引言

铝合金车体被普遍应用于高铁动车组中，但其底架框型结构在焊接过程中会产生较大变形，影响产品质量。对底架框型结构的焊接变形原因进行分析，提出焊接变形控制措施，并通过试验进行工艺效果验证。

1 底架组成结构

新型动车组车体为全铝合金焊接结构，车体底架组成作为重要的承载力部件，它继承了CRH3型车与CRH5型车底架结构的优点，主要由地板、边梁、端部缓冲梁及空气动力学前端等几部分组成。新型车体底架组成结构中，底架端部缓冲梁及空气动力学前端是连接车钩并承载车辆间力传递的重要部件。它的装配质量好坏直接影响到整车运行的安全性能，由于其结构复杂、组件较多、焊缝较多、焊接变形较大，因此，如何控制底架端部缓冲梁及空气动力学前端符合设计要求，降低焊接变形是底架组成制造工艺的关键。

2 焊接工艺流程

根据车体底架与空气动力学前端、缓冲梁安装尺寸要求，通过在工装上采用定位、压卡装置的调整，对空气动力学前端和缓冲梁的装配尺寸精度进行保证。工装在设计上要求定位装置能够对底架空气动力学前端和缓冲梁的中心线进行调整，以满足工装与车体底架工艺基准对组件位置尺寸要求。车体底架装配首先采用反装定位方式，主要解决底架一、二位端部组件焊接困难的问题。在装配缓冲梁前完成缓冲梁连接型材与地板的定位焊，以连接型材为定位基准调整缓冲梁与地板型材筋板的装配尺寸。在装配空气动力学前端、缓冲梁之前，首先对入胎底架中心与工装中心进行找正，以工装中心线为基准，检测空气动力学前端、缓冲梁与底架中心是否符合图样尺寸要求。根据车体底架与空气动力学前端、缓冲梁装配及焊接工艺特点，制定车体底架组成工艺流程为：底架入胎定位→安装空气动力学前端→安装缓冲梁→调整组件与底架中心线→安装连接型材→预制焊接变形→焊接各组件→调修底架→检测。

3 铝合金车体焊接变形

为了获得高质量的铝合金焊接接头，焊接铝合金时需要使用大功率、高能量的热源，因为铝合金的熔点比钢的熔点低，为660℃，而且铝合金的比热容比其他金属高，并且导热率是钢的5倍，在焊接过程中热量散失的非常迅速。而且铝合金的线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时体积收缩率为6.5%-6.6%，上述这些因素导致了铝合金焊接时焊接熔池附近温度场的分布梯度在空间上比焊接刚时更显著，因此铝合金焊接更易产生焊接变形。焊接变形按照焊接变形的趋势可以分为焊接扭曲与焊接收缩，焊缝冷却后，焊缝两侧工件的长度尺寸或宽度尺寸相对焊前变小的现象为焊接收缩。根据变形方向，沿焊缝长度方向的收缩叫纵向收缩，沿焊缝截面方向的收缩叫横向收缩。焊接扭曲是指焊缝两侧工件沿着焊缝中心线向着焊缝一侧弯曲或远离焊缝一侧弯曲，焊接扭曲可以分为纵向扭曲和横向扭曲。一般焊接变形都指的是在理想状态下的变形，并未考虑变形的不均匀性。由焊接速度、热输入量等不稳定因素引起的不均匀的焊接变形可以看作是多种焊接变形的叠加。动车组铝合金车体各大部件一般是由多块型材插接或对接正反面两次组焊而成，因此导致了铝合金车体焊接变形经多次累计，变形严重。

4 焊接变形控制

4.1焊前变形的控制

焊前变形控制是指从焊接结构的设计及材料选择等方面来防止焊接变形，焊前变形控制方法包括预留放长量法、反变形法、刚性固定法等。提出，在铝合金车体制造过程中，控制焊接变形的关键是在二次焊接前，预置一定的反变形量。根据试验结果，底架、侧墙等大部件的焊接反变形量预留值在15～20mm之间。

4.2关键尺寸控制

车体底架作为铝合金车体组成的重要组成部件，在组焊空气动力学前端、端部缓冲梁及其底架附件时需特别注意底架组成宽度尺寸、地板平面度，以及车钩面板的安装尺寸、垂直度等尺寸的准确性。为了控制底架空气动力学前端、端部缓冲梁的焊接变形，底架组成装配前首先检测缓冲梁和空气动力学前端组件质量，保证组件各处位置和形状尺寸达到图纸尺寸要求。在底架组焊制造工艺过程中，通过改进底架焊接工装定位、压卡结构和预制反变形，实现对底架与端部组件焊接变形的控制。端部缓冲梁及空气动力学前端定位，以端部连接型材为定位基准来控制底架与端部缓冲梁的装配尺寸。

4.3焊中变形的控制

在焊接过程中应选择合理的焊缝尺寸和形状，并且应选择合适的焊接顺序，同时在一定范围内降低焊接的热输入量，这些是焊接过程中影响焊接结构变形的关键因素。在底架地板和车顶等长大型材组焊的过程中，胡文浩等人改变了传统的焊接方式，通过先焊接中间两块铝合金型材，后同时焊接两侧的铝合金型材的方式，即从中间向两侧焊接的方式来减小焊接变形。搅拌摩擦焊接(FSW)是一种新型的连接技术，利用高速旋转的搅拌头与待焊工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化、再结晶，以此实现固相连接。在铝合金搅拌磨擦焊接的过程中，搅拌头可以对铝合金表面的氧化膜进行破碎，在焊接过程中没有材料熔化，因此可以避免传统焊接方式产生的热裂纹、液化裂纹及气孔等焊接缺陷，并且较小的热输入能够大大地降低材铝合金的焊接变形，因此搅拌摩擦焊接技术特别适用于铝合金长大型材间焊缝的焊接。

4.4焊接顺序调整及预制反变形

根据整体变形情况调整焊接顺序，并进行预制反变形，使框型结构的变形最小。因框型结构各组件以及组装尺寸相互关联，很难从反变形上进行较大调整，因此只能实现一定程度上的相对优化。

4.5调修工艺及检测

1. 调修处理前对焊接后的底架左、右边梁平面度进行检测，确定其调修部位和调修量。首先用水平尺检测边梁宽度方向平面度，根据检测结果和偏差数值，确定采用火焰调修还是机械调修。由于底架边梁结构强度较高，一般采用火焰调修方式，调修时对底架边梁超差部位焊缝进行火焰加热，加热温度控制在180℃以内，调修后的底架边梁在宽度方向内平面度不超过1mm。第二，对底架焊接后的缓冲梁与地板端部进行检测，其车钩面板与底架边梁平面垂直度≤1mm。满足了底架缓冲梁车钩面板焊接后端部地板整体垂直度设计要求。

结语

随着高铁行业在国内的蓬勃发展，动车组铝合金车体结构及稳定性日渐完善。铝合金车体结构设计理念与原有的钢车体结构设计理念大不相同，导致原有部分结构设计工艺的可执行性较差，而新型结构设计工艺亟需验证。目前已有的铝合金焊接工艺，以板材型材的平面结构研究为主，缺少对立体结构工艺性的研究，而且这种结构在焊接过程中会产生较大的变形，影响型材质量。在已有文献的指导下，进行焊接变形控制，对铝合金车体结构设计和应用有很大的指导意义。

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