动车铝合金车体关键尺寸焊接变形控制
研究
摘要:铝合金材料具有良好的物理特性和力学性能，其焊接接头的力学性能，抗裂性及抗应力腐蚀性能，适用于制造轻轨车辆，在轨道车辆部件中的有着广泛
的应用。

本文通过在焊接前将反变形量、工艺放量以及合理的焊接顺序进行施加，能够将焊接变形进行良好控制，从焊前、焊中和焊后三个不同的控制变形的实施
阶段概述了焊接变形的控制研究。

关键词：铝合金车体；关键尺寸；焊接变形控制
1.引言
随着铁路运输事业的不断发展，高速度、轻量化已经成为现代铁路车辆制造
的要素之一，而最有效的办法就是通过减轻车体自重来实现高速度。

通过使用不
锈钢和铝合金材料可以有效地减轻车体自身的重量，但是由于不锈钢的点焊密封
性较差，因此通过使用不锈钢材料减轻车体自身重量具有一定的局限性，而铝合
金材料由于全密闭焊接，在世界范围内，使用铝合金材料生产制造动车组是城市
轨道车辆和铁路运输事业发展的必然趋势。

现有的动车组铝合金车体制造工艺是由长大铝合金型材插接或对接组焊而成。

而铝合金材料的物理、化学性质导致了铝合金在焊接时极易发生焊接变形，影响
焊接质量和车体的形状尺寸，因此控制铝合金车体焊接变形具有非常重要的意义。

与其他的交通方式相比高速动车组运行稳定、安全，而且运行速度快，其长期处
于高速运行状态。

其中铝合金车体质量则对车体的安全性能具有直接的影响。

所
以铝合金车体质量需要严格控制，尤其是重点部位的质量。

2.焊接变形扭曲分析
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。

3.铝合金车体焊接变形分析
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。

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。

铝合金车体底架结构为框架式，其由枕梁、端中梁、边梁、横梁以及地板等组成。

由于铝合金有其特性，像熔点低、导热系数以及热膨胀系数较大，焊接非常容易造成变形。

铝合金底架在生产过程中需要经过底架预组、底架框架零件安装以及地板铺装等。

底架结构焊接变形大，而且尺寸较难控制，其中底架尺寸的控制非常困难。

动车组底架的生产需要经过底架边梁焊接、端部缓冲梁与底架焊接、底架附件安装焊接及底架整体加工等工序为整个底架的制造过程。

底架的焊接量是铝合金车体整个工序中最大的，其结构非常复杂，而且涉及非常多的焊接形式，焊缝非常密集。

焊接的过程对底架宽度、地板平面度、边梁平行度以及车钩面板垂直度变化等有着非常大的影响，这样焊接的变形就更难进行控制。

4.铝合金车体焊接变形控制
4.1铝合金车体宽度尺寸控制
对于动车组宽度尺寸变化而言，其主要由地板间的4V连接焊缝以及地板与
边梁搭接的a5角焊缝焊接引起，其中4V连接焊缝所造成的横向收缩变形最为严重。

当进行底架的制作时其两侧边梁的压卡需要从一位端到两位端每隔15dm进
行一个约束的设置，这样压卡均匀。

底架边梁与地板角焊缝焊接也会存在一定的
收缩量，所以制定中间区域宽度方向的放量在三到四毫米之间，其两端宽度放量
在四到五毫米之间，这样能够满足焊接的横向收缩变形。

4.2底架边梁地板系列尺寸控制
底架边梁平行度及地板平面度控制，在边梁放入工装之后，横向必须用压卡
将边梁与定位基准压实，这样可以使底架边梁不产生倾斜，不使旁弯变形。

地板
边梁正装焊接时边梁的四个方向都要进行约束，而反装焊接时边梁3个方向都要
进行约束的施加，这可以通过压卡进行。

压卡的添加也使得边梁自由度得到控制，这样其不会随意变形。

板的焊接变形，在地板与边梁进行焊接时由于连接缝致使地板平面变形，而
这可通过一些措施来减弱。

首先是在焊接顺序上采取从中间向两侧进行焊接，这
样应力可以从中间向两侧释放。

然后是地板、边梁焊接工艺的优化，这可通过降
低地板、边梁之间的点固段焊数量。

而点固焊接可将之前的十五段段焊给为六段
均匀段焊，这可以降低边梁对地板的约束力，从而降低地板连接焊缝焊后的焊接
应力，继而缓解了部分焊接应力造成的焊接形变。

此外，为抵消焊接应力造成的
地板焊接变形可在地板边梁反装焊接工序与端部缓冲梁焊接工序对地板进行预制
反变形。

这样既满足了地板本身的平面度要求，又将端部缓冲梁焊接造成的地板
变形进行抵销。

另外，小纵梁、大橫梁的焊接变形控制可以先将其刚性固定，然后将焊接工
艺进行规范优化。

再有，地板铺装过程的焊接变形控制也需要进行刚性固定，需
要将框架进行刚性固定，然后缓冲梁预制反变形。

4.3铝合金车体综合焊接变形控制
焊接变形控制按照控制铝合金车体焊接变形阶段的不同，一般可在焊前、焊中和焊后三个阶段控制焊接变形。

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。

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15~20 mm 之间。

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，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。

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。

焊后变形的控制当铝合金车体组焊完成后，一般采用火焰调修和机械调修两种方式来减小焊接变形。

采用火焰调修的方式调修整车的内高(2480+8/-6 mm)的尺寸，首先用顶针将内高超差的部分顶起至2650 mm，然后对超差不分。

5.结束语
制定合理有效的组焊工装并在焊接之前进行反变形的预先制定，进行焊接顺序的制定，然后施加工艺放量。

将焊接点的数量进行优化，这样可以有效解决底架焊接变形的问题，从而使动车底架的生产质量得到保证。

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