王立國(guó) 艾啟文

【摘 要】在城市的發(fā)展中人口不斷的增加，高鐵、城市軌道鐵路客車(chē)速度的不斷提高，地鐵是最佳出行交通運(yùn)輸工具。鋁合金和碳纖維等材料組成的車(chē)體.由于其最大優(yōu)點(diǎn)是工藝性好、重量輕、耐腐蝕、減少運(yùn)行成本和維護(hù)成本。車(chē)體結(jié)構(gòu)參數(shù)涉及范圍廣，工藝尺寸要求嚴(yán)格，并且隨著多年的使用業(yè)已經(jīng)成熟。本文主要針對(duì)鋁合金焊接后產(chǎn)生的變形，如何控制鋁合金車(chē)體焊接后產(chǎn)生的變形和矯正，通過(guò)典型車(chē)體部件的變形量控制過(guò)程，解決方法，改進(jìn)方式闡述鋁合金車(chē)體尺寸控制，保證車(chē)體結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求。

【關(guān)鍵詞】鋁；鋁合金；焊接；變形；調(diào)修

引言：由于鋁合金的特殊性能，本身熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)大，鋁及鋁合金還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的強(qiáng)度，對(duì)熱和光都具有良好的反射率，磨削時(shí)無(wú)火花和無(wú)磁性等特點(diǎn)。加上車(chē)體結(jié)構(gòu)有閉式空型材機(jī)構(gòu)及開(kāi)式板梁型結(jié)構(gòu)，使得焊后幾何尺寸發(fā)生變化，造成車(chē)體結(jié)構(gòu)形狀位置公差難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，解決這些問(wèn)題成為了生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而技術(shù)人才中有著豐富實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和崗位操作技能的技術(shù)工人是不可或缺的重要組成部分。

然而在這些鋁合金車(chē)體項(xiàng)目在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鋁合金本身焊接新的特點(diǎn)，加上車(chē)體結(jié)構(gòu)有閉式空型材機(jī)構(gòu)及開(kāi)式板梁型結(jié)構(gòu)，使得焊后幾何尺寸發(fā)生變化，造成車(chē)體形位公差難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，保證車(chē)體的技術(shù)要求成為關(guān)鍵步驟。

一、鋁合金結(jié)構(gòu)焊接特點(diǎn)

1、鋁合金分類(lèi)

A、可熱處理合金該類(lèi)合金是通過(guò)加工強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化來(lái)獲得所需要的強(qiáng)度。

B、不可熱處理合金

材料的強(qiáng)度和硬度依靠合金成分和熱處理（固溶處理和淬火+自然或人工時(shí)效處理生成的細(xì)小彌散強(qiáng)化）獲得。

在鋁合金地鐵和高速客車(chē)上主要使用為6xxx系及7xxx系鋁合金材料

2鋁合金的物理、化學(xué)性能

通過(guò)表格可以看出，鋁合金的線膨脹系數(shù)最大，是鋼的1倍，比熱大，是鋼的2倍，密度小，晶型是面心立方，沒(méi)有同素異構(gòu)的轉(zhuǎn)變，塑性好，無(wú)低溫脆性轉(zhuǎn)變，但強(qiáng)度比較低。

鋁的導(dǎo)熱系數(shù)很大，在相同的工藝條件下，鋁熔合區(qū)的冷卻速度是高強(qiáng)鋼的4-7倍。

3鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。所以，鋁凝固時(shí)的體積收縮率較大，焊件的變形個(gè)應(yīng)力較大，因此，需要采取預(yù)防焊接變形的措施。

鋁及鋁合金的材料特點(diǎn)及焊接特點(diǎn)決定需要采用比較大的熱入量的焊接規(guī)范進(jìn)行焊接，從而導(dǎo)致鋁合金結(jié)構(gòu)焊接后變形量大，線性尺寸不易保證，焊后需要進(jìn)行調(diào)修才能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求。

二、鋁合金車(chē)體發(fā)展過(guò)程

鋁合金車(chē)體具有重量輕、耐腐蝕、外觀平整度好和易于制造美觀車(chē)體而受到世界各城市交通公司和鐵道運(yùn)輸部門(mén)的歡迎，截至目前，一線城市和大部分省會(huì)城市及部分計(jì)劃單列市都進(jìn)行地鐵的建設(shè)，還有很多城市的地鐵建設(shè)在審批中。

鋁合金車(chē)體經(jīng)歷了板梁結(jié)構(gòu)鋁合金車(chē)體、板梁和型材混合結(jié)構(gòu)鋁合金車(chē)體、完全閉式型材結(jié)構(gòu)鋁合金車(chē)體3個(gè)發(fā)展過(guò)程。板梁結(jié)構(gòu)鋁合金車(chē)體由于焊接變形大，必須通過(guò)增加板厚來(lái)獲得剛度，減重效果不明顯，車(chē)體平整度不理想，因此，在鋁合金車(chē)體的發(fā)展過(guò)程中，純板梁結(jié)構(gòu)鋁合金車(chē)體的數(shù)量并不多。為了減輕車(chē)體自重，有的國(guó)家也曾采用板梁和型材混合結(jié)構(gòu)，板梁部分采用電阻焊工藝，型材連接采用MIG焊工藝，這樣可大量節(jié)約型材開(kāi)模費(fèi)，降低車(chē)體制造成本，但此工藝相對(duì)比較繁瑣，剛度較差，除日本外，很少有其它發(fā)達(dá)國(guó)家采用。閉式型材結(jié)構(gòu)或開(kāi)閉式混合結(jié)構(gòu)，是目前世界上采用最多的結(jié)構(gòu)。其制造工藝簡(jiǎn)單，車(chē)體平整度、剛度均較好。

三、鋁及鋁合金結(jié)構(gòu)焊后調(diào)修的方式

1、錘擊法

錘擊法是最簡(jiǎn)單快速的矯正或調(diào)修方法，一般實(shí)用于5mm以下的鋁合金板材矯正，30mm以下的型材變形量在3mm以?xún)?nèi)使用這種方法。而且在調(diào)修時(shí)盡量使用橡膠錘或木錘，以免對(duì)母材產(chǎn)生傷害。

2、壓力調(diào)修矯正法

壓力矯正鋁合金一般只適合用于板材的調(diào)修，鋁合金板材對(duì)接結(jié)構(gòu)可以采用壓力調(diào)修。壓力調(diào)修是采用外加壓力的方式對(duì)鋁合金焊接件的平度進(jìn)行矯正，一般使用壓力機(jī)或使用壓鐵，優(yōu)點(diǎn)在于不需要對(duì)焊接件進(jìn)行再次加熱處理，缺點(diǎn)在于受設(shè)備及結(jié)構(gòu)的影響局限性比較大，一般只使用于平板對(duì)接結(jié)構(gòu)。另外壓力過(guò)大對(duì)焊縫及焊接熱影響區(qū)的內(nèi)部組織影響較大，可能產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。內(nèi)部出現(xiàn)顯微裂紋等缺陷。

3、火焰調(diào)修矯正法

火焰調(diào)修是利用金屬具有熱脹冷縮性質(zhì)，對(duì)焊后變形構(gòu)件進(jìn)行反變形的一種方法。影響火焰調(diào)修效果的因素主要是火焰熱量和火焰加熱位置。一般來(lái)說(shuō)，熱量越大，矯正能力越強(qiáng)，但熱量過(guò)大會(huì)造成結(jié)構(gòu)性能的下降，對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，火焰調(diào)修溫度控制在120攝氏度左右，這個(gè)溫度對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的硬度跟強(qiáng)度都不會(huì)產(chǎn)生太大影響。溫度超過(guò)200攝氏度，焊接結(jié)構(gòu)的硬度明顯降低，拉伸斷裂處隨加熱溫度的升高方向移動(dòng)，可能導(dǎo)致鋁合金母材熔化，造成母材強(qiáng)度下降，產(chǎn)生不必要的影響。

鋁合金火焰調(diào)修過(guò)程中的溫度控制十分重要，一般使用丙烷或霞普氣作為介質(zhì)進(jìn)行加氧氣調(diào)修，火焰控制大、中、小火，根據(jù)板厚不同、變形量的大小不同進(jìn)行調(diào)整火焰的大小，調(diào)修溫度一般控制在120攝氏度以下，板厚大于25mm時(shí)可以達(dá)到180攝氏度左右，但不能超過(guò)200攝氏度，對(duì)于變形量比較大的結(jié)構(gòu)，溫度會(huì)適當(dāng)提高，對(duì)于操作者的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)要求很高，烤槍走向及火焰高度的選擇也十分重要。

火焰的走向一般為點(diǎn)、線、三角形、或鋸齒型走向加熱；點(diǎn)狀加熱適用于鋁合金薄板調(diào)修，線狀一般適用于普通焊縫加熱調(diào)修，三角形適用于8-15mm的板材調(diào)修，而鋸齒形適用于焊縫超過(guò)20mm的厚板調(diào)修，尤其在攪拌摩擦焊接后的變形調(diào)修，更適用。

四、以國(guó)內(nèi)某鋁合金地鐵車(chē)側(cè)墻弧形調(diào)修為例

1、檢測(cè)地鐵車(chē)體外弧形是向外凸還是向內(nèi)凹，根據(jù)凸凹確定調(diào)修方案。

2、下面根據(jù)外凸的弧形設(shè)立調(diào)修方案：

2.1當(dāng)檢測(cè)弧形凸出4mm時(shí)，確定使用中火調(diào)修；門(mén)立柱處使用大火調(diào)修；

2.2確認(rèn)凸起點(diǎn)在焊縫位置還是在型腔位置，當(dāng)在焊縫位置時(shí)，使用直線型對(duì)焊縫進(jìn)行加熱，溫度控制在100攝氏度即可；當(dāng)在型腔位置時(shí)，使用點(diǎn)狀加熱，延凸起方向每隔100mm加熱一點(diǎn)，一直延續(xù)到門(mén)立柱處。自然冷卻即可達(dá)到技術(shù)要求的1.5mm以?xún)?nèi)。

2.3、當(dāng)門(mén)立柱凸出時(shí)，以弧形中心為分界，下面500mm，上面700mm處加熱，從下往上延門(mén)立柱外角順序加熱，在弧頂處加熱大一些，溫度110度左右，一次性可以收縮3-4mm，可以達(dá)到技術(shù)要求。

五、結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述的調(diào)修方式，最終滿(mǎn)足工藝要求和尺寸公差。由于鋁合金的特殊性，加熱次數(shù)的增多，其強(qiáng)度會(huì)下降，最多只允許調(diào)修3次，為了保證焊接強(qiáng)度，避免調(diào)修或盡量減少調(diào)修次數(shù)，在組對(duì)鋁合金車(chē)體時(shí)做出必要的反變形量，來(lái)抵消焊接變形，從而直接獲得技術(shù)要求的形狀，這一課題一直在工藝部門(mén)、一線員工的努力下在完成。

中國(guó)鋁合金車(chē)體制造技術(shù)起步高、發(fā)展快，很多技術(shù)是在發(fā)達(dá)國(guó)家成熟技術(shù)上的再次飛躍，但鋁合金制造技術(shù)是一個(gè)綜合的技術(shù)，不是有先進(jìn)的設(shè)備、成熟的理念就能實(shí)現(xiàn)一流的制造質(zhì)量。隨著國(guó)家‘一帶一路的全球發(fā)展計(jì)劃，地鐵、高鐵走出國(guó)門(mén)，已經(jīng)不是夢(mèng)想，中國(guó)創(chuàng)造必將閃耀世界。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王炎金，丁國(guó)華.鋁合金車(chē)體制造關(guān)鍵技術(shù)研究.

[2] 王炎金，丁國(guó)華，王俊玖.鋁合金車(chē)體制造技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望.焊接.

（作者單位：長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司鋁車(chē)體車(chē)間）