國家軌道交通實(shí)驗(yàn)室 李鋒平

軌道交通焊接工藝發(fā)展趨勢及前景

國家軌道交通實(shí)驗(yàn)室 李鋒平

地鐵是當(dāng)前國內(nèi)最為常見的軌道交通工具。軌道交通工具大大提高了交通的運(yùn)輸效率。重視軌道交通事業(yè)的發(fā)展是非常必要的。本文從不銹鋼車體結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)出發(fā)，以我國著名軌道交通焊接專家王天勇研發(fā)試制不銹鋼車體焊接撓度控制項目為參考（此攻關(guān)難題為中國軌道交通行業(yè)至少可以創(chuàng)造200億元人民幣的產(chǎn)值，減少的不良品損耗超過10億元人民幣），對焊接變形的原因及控制方法做了簡要介紹，同時結(jié)合已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通二次骨架平衡穩(wěn)定系統(tǒng)（專利著作權(quán)人：王天勇）為實(shí)際參數(shù)，提出了軌道交通車輛用鋁合金焊接工藝的應(yīng)用策略。

軌道交通；鋁合金；焊接工藝

1 不銹鋼車體結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)

不銹鋼車體主要由底架、側(cè)墻、端墻、頂蓋及司機(jī)室組成，采用板梁組成薄板筒體結(jié)構(gòu)整體承載。歐洲標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼客車車體骨架的生產(chǎn)主要采用MAG電弧焊方式，制造難度極大，車體采用薄壁筒形整體承載全焊接不銹鋼結(jié)構(gòu)，骨架采用1.5-2mm不銹鋼薄板，車體主結(jié)構(gòu)材料采用高強(qiáng)度超低碳奧氏體不銹鋼和奧氏體鐵素體雙相不銹鋼，即要控制板的厚度，減輕重量達(dá)到環(huán)保節(jié)能的要求，又要防止焊后變形，保證安全穩(wěn)定性。這是該領(lǐng)域公認(rèn)的焊接難題。該項目主要有以下難點(diǎn)：⑴薄板造成橈度難以控制；⑵無涂裝車體的特性使得墻板原材料外漏，焊接缺陷一覽無余；⑶車體斷面尺寸精度影響到各部件安裝的精度及穩(wěn)定性。在研發(fā)過程中，引用王天勇先生建立了拓?fù)浠鶞?zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，提出車體焊接反變形概念，精確地計算出反變形值區(qū)間。通過預(yù)制撓度、優(yōu)化骨架焊接強(qiáng)度和工藝參數(shù)等措施，使得車體相關(guān)尺寸得到有效控制，達(dá)到了設(shè)計及工藝要求。

2 焊接變形的原因及控制方法

2.1 焊接變形的影響因素

焊接變形可以分為兩種，一種是瞬態(tài)熱變形，這種變形是發(fā)生在焊接熱過程中的，另一種是殘余變形，這種變形則是發(fā)生在室溫條件下的。焊接變形深受很多因素的影響，比如像材料、結(jié)構(gòu)和工藝這3個方面受其影響居多。

2．1．1 材料因素的影響

材料方面，除開焊接材料可以影響焊接變形，母材同樣可以影響。而且，材料的熱物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)都將嚴(yán)重影響焊接變形的產(chǎn)生過程有。同時材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，焊接變形隨著彈性模量的增大而隨之減少。而較高的屈服極限會引起較高的殘余應(yīng)力，焊接結(jié)構(gòu)存儲的變形能量也會因此而增大，從而可能促使脆性斷裂。

2．1．2 結(jié)構(gòu)因素的影響

影響焊接變形的最關(guān)鍵，最復(fù)雜的因素是焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計。其焊接變形的總體原則是隨拘束度與焊接殘余應(yīng)力的增加而相應(yīng)減少。一般情況下在焊接過程中占據(jù)主導(dǎo)地位的是復(fù)雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用，隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加，結(jié)構(gòu)本身在焊接過程中的拘束度變化情況也隨之增加，由此給焊接變形分析與控制造成一定的難度。因此，為了減小焊接變形，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時針對結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強(qiáng)筋的位置數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化十分重要。

2．1．3 工藝因素的影響

焊接變形深受焊接工藝很多方面的影響，例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構(gòu)件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應(yīng)用等。其中在各種工藝因素中最為顯著的是焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊?。多層焊以及焊接工藝參?shù)也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中，總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)，利用特殊的工藝規(guī)范和措施，達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力和變形，改善殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的目的。

2.2 焊接變形的控制

2．2．1 設(shè)計措施

（1）合理地選擇焊接的尺寸和形式：焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大，因此，在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下，設(shè)計時應(yīng)盡量采用較小的焊縫尺寸。（2）盡可能減少不必要的焊縫：在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，適當(dāng)?shù)匕才沤畎宓奈恢?，力求焊縫數(shù)量少，從而減小焊接變形。（3）合理地安排焊縫位置：在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這對于減少梁、柱等類型結(jié)構(gòu)的撓曲變形有良好的效果。

2．2．2 工藝措施

工藝措施是指在焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中所采用的一系列措施，將其分為焊前預(yù)防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。

（1）焊前預(yù)防措施，主要包括預(yù)防變形、預(yù)拉伸法和剛性固定組裝法。第一，預(yù)變性法或稱反變形法是在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量（反變形量），使構(gòu)件恢復(fù)到設(shè)計要求的幾何形狀和尺寸。第二，預(yù)拉伸法多用于薄板平面構(gòu)件，焊接時在薄板有預(yù)張力或有預(yù)先熱膨脹量的情況下進(jìn)行的。焊后，可有效地降低焊接殘余應(yīng)力，控制焊接變形。第三，剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件盡可能地固定，可有效地控制待焊構(gòu)件的角變形與彎曲變形等。（2）焊接過程控制措施，主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力和變形的產(chǎn)生影響較大，在采用不同的焊接順序時，可以改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，尤其在多道焊中，作用更加明顯。（3）焊后矯正措施。當(dāng)構(gòu)件焊接后，只能通過矯正措施來減小或消除已發(fā)生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機(jī)械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。 此外，還有利用機(jī)械力或沖擊能等進(jìn)行焊接變形矯正，包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。

3 軌道交通車輛用鋁合金焊接工藝的應(yīng)用策略

當(dāng)前軌道交通車輛的主要原材料是鋁合金。軌道交通車輛因鋁合金的投入使用，其重量得到大大的減輕，車輛運(yùn)行的速度也因此得到提高。軌道交通車輛生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)--鋁合金焊接技術(shù)應(yīng)給予高度重視，尤其是相關(guān)工藝的技術(shù)研究和應(yīng)用研究方面，務(wù)必給予高度重視，這是非常必要的。

3.1 重視鋁合金焊接工藝的創(chuàng)新

國內(nèi)鋁合金焊接工藝在實(shí)踐中常會暴露出一些問題，作為軌道交通車輛生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)鼓勵廣大生產(chǎn)一線的職工重視技術(shù)創(chuàng)新。國外的鋁合金焊接技術(shù)相對比較發(fā)達(dá)，向國外優(yōu)秀的鋁合金點(diǎn)焊工學(xué)習(xí)對技術(shù)的提升是非常有效。另一方面，在企業(yè)內(nèi)部或行業(yè)內(nèi)部開展技術(shù)競賽，通過競技的方式促進(jìn)點(diǎn)焊技術(shù)的不斷提升。

3.2 重視鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前比較先進(jìn)的焊接技術(shù)即是鋁合金激光焊接技術(shù)。能量密度高、熱量小是該技術(shù)具備的2個特點(diǎn)，因此焊件的變形和裂紋因該技術(shù)的使用而在焊接過程中不會產(chǎn)生。此外，一些細(xì)微的焊件因該種技術(shù)冷卻速度快而有較好的焊接效果。如今，只有鋁合金激光焊接技術(shù)能夠適應(yīng)現(xiàn)代社對軌道交通車輛的堅固性、穩(wěn)定性、美觀性的要求，但并不成熟的激光焊接技術(shù)工藝還需要克服一些技術(shù)難點(diǎn)。

3.3 重視鋁合金焊接設(shè)備的開發(fā)研究

鋁合金焊接的關(guān)鍵因素即是焊接設(shè)備。焊接的質(zhì)量和效率深受焊接設(shè)備的功率、焊束的能量密度、焊接速度等等因素的影響。此外，工人的工作環(huán)境也直接受焊接設(shè)備的先進(jìn)性的影響。因此，要想提高鋁合金焊接工藝的水平，開發(fā)性能高、效率高、安全系數(shù)高的自動化焊接設(shè)備是關(guān)鍵。

3.4 不斷改善焊接工人的作業(yè)環(huán)境

人是任何工藝水平提升的基礎(chǔ)。因而，安全舒適的工作環(huán)境對于焊接工人來說是非常必要的。然后實(shí)際操作時，高溫環(huán)境時常出現(xiàn)在焊接過程中，伴隨著焊接時大量化學(xué)材料的使用，這將嚴(yán)重影響工人的身體。因而，污染性高的焊接工藝在軌道交通車輛生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免使用。鋁合金技術(shù)應(yīng)用的重要標(biāo)準(zhǔn)就是重視工人作業(yè)環(huán)境的改善，這是非常必要的。

4 總結(jié)

軌道車輛車體在焊接過程中具有焊接變形難以控制的特點(diǎn)，通過對軌道車輛鋁合金車體焊接變形以及應(yīng)用的分析研究，這不僅拓寬了焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍，還推動了我國焊接行業(yè)與世界接軌。

李鋒平（1965—），男，教授級高工，軌道交通焊接領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>