高速動(dòng)車(chē)組鋁合金側(cè)墻門(mén)立柱焊接變形的分析與控制

田玉吉 唐海鷹 王克臻

(青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司 山東 青島 266111)

軌道車(chē)輛的高速和輕量化的發(fā)展，使得鋁合金材料的應(yīng)用越來(lái)越多，作為車(chē)體主要大部件之一的側(cè)墻，對(duì)其門(mén)口區(qū)域的尺寸控制及焊縫質(zhì)量提出了更高的要求。鋁合金本身的熱導(dǎo)率高、膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)及焊接過(guò)程中熱應(yīng)力和相變應(yīng)力等因素的作用往往導(dǎo)致焊接變形，不但影響了結(jié)構(gòu)的外形尺寸及精度，增大了調(diào)修矯正難度，而且會(huì)誘發(fā)錯(cuò)邊、未熔合和裂紋等焊縫缺陷的產(chǎn)生，降低結(jié)構(gòu)的承載能力。下文將側(cè)墻門(mén)立柱的尺寸控制作為重點(diǎn)，針對(duì)側(cè)墻門(mén)立柱的焊接變形進(jìn)行分析討論。

1 鋁合金側(cè)墻門(mén)立柱的結(jié)構(gòu)介紹

圖1 側(cè)墻門(mén)立柱結(jié)構(gòu)示意圖

2 門(mén)立柱的焊接變形分析與控制

2.1 焊接變形的分析

側(cè)墻門(mén)立柱區(qū)域的焊縫主要有對(duì)接焊縫、對(duì)接清根焊縫和角焊縫，焊接區(qū)域小、焊縫數(shù)量多且密集是門(mén)立柱區(qū)域焊接的特點(diǎn)，為此將鋁合金側(cè)墻門(mén)立柱的組對(duì)及焊接作為重點(diǎn)控制工序，對(duì)打磨、組對(duì)、焊接過(guò)程進(jìn)行了嚴(yán)格的監(jiān)控，其生產(chǎn)流程如圖2所示。焊縫坡口角度和焊接接頭形式對(duì)焊接變形和焊縫質(zhì)量控制具有一定影響。文獻(xiàn)[1]指出：大長(zhǎng)焊縫焊接宜采用單邊V型、K型或雙邊U型坡口，使用盡可能小的坡口角度以減少焊縫截面積，可以有效地控制焊接變形和焊縫質(zhì)量。從焊縫坡口的設(shè)計(jì)角度來(lái)看，4HV的單邊坡口焊縫使得焊絲填充量減少，降低了熱輸入量，有效地減小了焊接變形。但從門(mén)立柱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)看，大門(mén)立柱側(cè)面的6個(gè)加強(qiáng)筋板的焊接對(duì)焊接變形起到了至關(guān)重要的作用。筋板兩側(cè)封閉的a4角焊縫、焊縫的立體空間分布及鋁合金本身的物理性質(zhì)，促使鋁合金焊縫及母材金屬的膨脹或收縮存在不同步和不平衡，使得焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力的局部應(yīng)變累積或多處應(yīng)變疊加而最終導(dǎo)致焊接變形，大門(mén)立柱向側(cè)墻方向傾斜2～3 mm(見(jiàn)圖3)。此外，焊接順序不合理、焊接方向錯(cuò)誤、焊接參數(shù)不正確等因素，在一定程度上加大了焊接變形的產(chǎn)生。焊接變形導(dǎo)致門(mén)立柱間距上、下部不一致，且超出公差范圍；門(mén)立柱相對(duì)側(cè)墻外表面A和相對(duì)于側(cè)墻下邊梁B面的垂直度不滿(mǎn)足技術(shù)要求，焊后的門(mén)立柱形狀發(fā)生改變，給調(diào)修帶來(lái)極大的難度或很難通過(guò)調(diào)修矯正，降低了生產(chǎn)效率，而且門(mén)立柱的焊接變形使得母材翹曲或局部坡口直線(xiàn)度偏差而導(dǎo)致錯(cuò)邊、未熔合和裂紋等焊縫缺欠出現(xiàn)，使焊縫質(zhì)量難以得到保證。

圖2 門(mén)立柱生產(chǎn)過(guò)程流程圖

圖3 定位工程改造前大門(mén)立柱焊后傾斜示意圖

2.2 焊接變形的控制

焊接變形的實(shí)質(zhì)是焊件局部受到不均勻加熱或冷卻時(shí)產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力，由焊接內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的金屬結(jié)構(gòu)的變形，可通過(guò)工裝剛性固定、優(yōu)化工藝規(guī)范、預(yù)置焊接反變形、增加尺寸放量等措施來(lái)控制焊接變形[2]。在對(duì)鋁合金側(cè)墻門(mén)立柱的焊接產(chǎn)生變形進(jìn)行分析后，提出通過(guò)改造工裝對(duì)門(mén)立柱組對(duì)預(yù)置反變形和優(yōu)化焊接工藝的控制措施。

(1)組對(duì)預(yù)置反變形

圖4 側(cè)墻剛性定位的工程結(jié)構(gòu)示意圖

(2)優(yōu)化焊接工藝

對(duì)鋁合金產(chǎn)品的焊接而言，焊接工藝通常包括：

圖5 側(cè)墻門(mén)立柱剛性定位的工程結(jié)構(gòu)示意圖

合適的預(yù)熱溫度、部件組對(duì)的合理點(diǎn)焊、焊縫接頭處的規(guī)范打磨與焊接接頭處的合理過(guò)渡、焊接工藝參數(shù)的正確使用、焊接順序的合理制定、焊后調(diào)修方法的合理使用等，每一個(gè)操作流程對(duì)保證產(chǎn)品尺寸和焊縫質(zhì)量都起到至關(guān)重要的作用。針對(duì)門(mén)立柱區(qū)域焊縫數(shù)量多，焊縫立體空間分布，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，技術(shù)要求高的特點(diǎn)，對(duì)門(mén)立柱區(qū)域的焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化。鋁合金本身的物理性質(zhì)，要求對(duì)于板厚不小于8 mm的母材，預(yù)熱溫度為80～120 ℃，推薦采取冷矯形和火焰矯形聯(lián)合的方法對(duì)變形焊件進(jìn)行矯形，調(diào)修溫度控制在175 ℃以下[4]。大、小門(mén)立柱區(qū)域的焊接采用同時(shí)定位段焊，段焊長(zhǎng)度為30～50 mm，大、小門(mén)立柱均采用自門(mén)口上方向下方的分段焊接，即大門(mén)立柱按照焊縫5HV-4HV-5HV的焊接順序，門(mén)口上方的5HV焊縫焊接完成后，對(duì)大、小門(mén)立柱的4HV焊縫采用分段對(duì)稱(chēng)跳焊同時(shí)焊接的方式，即按照1-2-3-4的焊接順序。門(mén)立柱與側(cè)墻的對(duì)接焊縫焊接完成后，定位段焊大門(mén)立柱側(cè)的6個(gè)加強(qiáng)筋板，先對(duì)門(mén)立柱側(cè)面的4個(gè)加強(qiáng)筋板進(jìn)行焊接，再對(duì)門(mén)口上方的2個(gè)加強(qiáng)筋板焊接，焊接順序如圖6所示。在對(duì)5HV焊縫分層焊接時(shí)注意將接頭錯(cuò)開(kāi)，避免缺陷過(guò)度集中；在對(duì)4HV焊縫焊接時(shí)將每段焊縫控制在400 mm以下[5]，避免焊縫收縮拉應(yīng)力疊加導(dǎo)致增大焊縫區(qū)域變形；在對(duì)筋板的a4角焊縫焊接時(shí)，按焊接工藝規(guī)程對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱；筋板區(qū)域焊縫的立體空間分布的特點(diǎn)，要求規(guī)范焊縫在相交處的焊接順序，避免交點(diǎn)處起收弧引起應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋、未熔合等焊接缺陷的產(chǎn)生。從焊接工藝優(yōu)化前后的對(duì)比來(lái)看，優(yōu)化后的焊接工藝使門(mén)立柱的焊接變形在一定程度上得到了控制，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)使焊縫質(zhì)量得到了保證。

圖6 側(cè)墻門(mén)立柱焊接順序示意圖

3 結(jié)論

(1)對(duì)大門(mén)立柱的定位工裝改造，組對(duì)預(yù)置反變形，使大門(mén)立柱的焊接變形得到有效控制，滿(mǎn)足了門(mén)口區(qū)域的尺寸技術(shù)要求，明顯提高了生產(chǎn)效率，取得了預(yù)期的效果。

(2)優(yōu)化后的焊接工藝，使門(mén)立柱的焊接變形在一定程度上得到控制，同時(shí)使焊縫質(zhì)量得到了有效控制和保證，為高速動(dòng)車(chē)組其他大部件的焊接提供了良好的借鑒。