A型铝合金地铁车顶制造工艺及焊接变形控制研究

A型铝合金地铁车顶制造工艺及焊接变形控制研究

许诺

中国中车集团大连机车车辆有限公司  辽宁大连  116000

摘 要：国内重大工程地铁车身为大口径空心薄壁挤出铝合金型材，因其快速的散热和剧烈的焊接变形，使得其在加工过程中面临着极高的焊接难度和难以控制的难题。本文在对本工程顶棚焊接工艺进行深入研究的基础上，针对其焊接变形机制，通过对焊接工艺参数进行优选，设定逆变形量，调节工量，并对其进行多次实地试验和优化，形成了一套较为科学的工艺方案，实现了本课题列车顶棚焊后尺寸的可控，并对其进行了高效的加工。

关键词：地铁；车顶；铝合金；焊接变形

随着我国城市轨道交通的迅猛发展，铁路客运向高质量、轻量化、高速度方向发展。由于铝合金具有轻量化、耐腐蚀、易挤出成型等特点，已逐渐被广泛应用于铁路车体结构中。目前，地铁车身的生产以焊接为主，车身底盘、侧板、车顶等重要部件一般都是由多个与车身长度相等的大空心薄壁挤塑铝合金型材拼接而成，这些板材的焊缝都是均匀的、垂直的，容易进行自动化焊接。然而，因其高达5倍的导热和2倍的线性膨胀系数，使其在焊接过程中产生巨大的变形，从而造成车身各尺寸超差，焊缝强度及抗疲劳能力差，是造成车身失效甚至报废的主要原因之一。

1.铝合金构件焊接应力与变形机理分析

在未考虑外界约束的情况下，其力学行为的内在机制为：在未考虑外界约束的情况下，焊缝内部存在着非均匀的热效应，导致焊缝内部的非对称热力效应，导致焊缝附近的金属熔体进入熔池，而邻近的高温区由于周边材质的约束，发生非均匀的压塑变形。在此阶段，已经发生了压塑变形的这一区域（例如，焊缝两边）由于外界环境的限制，无法实现完全的自由伸缩，并在一定程度上再次发生了拉伸和卸荷。同时，在凝固过程中，金属在冷却收缩过程中也会发生相应的应力和形变。

2.铝合金车顶结构特点及工艺分析

2.1车顶结构特点

采用 A型车辆，列车为4动2拖6辆编组的形式，车身由欧系大截面薄壁空心挤压铝合金材料制成，整体铝合金车身，具有强度高、重量轻等优点。列车顶棚采用欧洲标准 ENAW-6005A-T6标准焊接5个全槽铝合金。该焊接方式为 MIG，高纯度氩气为99.999%(Ar)，焊条为ER5356，直径1.2 mm，焊缝符合EN15085要求。该焊缝呈 V型，其钝边缘为1毫米，带有永久保护层。该顶棚构造见图3，该顶棚结构主要包括顶棚面板及顶面焊缝（空调安装底座，废排构成，密封槽）。

工程对列车顶棚焊接后的尺寸有以下几个方面的要求：（1）车顶长度及公差：最大尺寸为21300*3毫米，最大尺寸为21600*13毫米（中型尺寸）；（2）车顶宽度及公差：21613毫米；（3）车顶弦高：151毫米+2毫米；（4）两侧空调安装座滑槽中心宽度公差：±2毫米；（5）车顶外轮廓度与卡样板间隙≤6 mm;（6）车顶同一空调各安装座平面度偏差≤4 mm。

2.2工艺分析

采用国内知名企业的龙门式全自动焊接机械臂进行列车顶棚焊接。采用超短脉冲 MIG焊能有效地减少焊接变形，并能有效地减少焊缝中的孔洞，减少对裂纹的敏感程度，并能进一步细化焊缝组织，从而达到比其他 MIG焊高的连接系数、缩小连接区域的宽度、改善连接品质的目的。

列车顶棚板的组焊采取“正组后反向组”的方法，前侧按1*、3#焊缝、2#、4焊缝进行焊接，从车身一侧到两侧对称进行，背面也是如此。很明显，焊接后的缩窄和侧向变形是导致本工程焊接后大变形和大尺度偏差的重要因素。在列车顶棚焊接中，虽然通过模具的刚性与模具的挤压，可以实现一定程度的预变形，但这种预变形为弹-塑复合，在释放模具后，预先的预变形将会出现回弹，所以需要为其留出足够的反向变形空间；此外，通过对焊缝进行合理的焊接，实现对焊缝变形的有效调控，使其最大程度地减小变形。

3.工艺改进及反变形的应用

为解决上述超差问题，本课题在随后的车篷上进行了技术改造，通过焊前防治与焊接工艺调控相结合的技术措施，通过调节料流大小及逆应变设定两个角度来改善焊前防治。

3.1增加车顶型材长度工艺放量

按照取点方法，对工程第二排车身各个车身的焊接前后长度进行了测定，工程车身焊接后全长的收缩量为11.4-17 mm,5号车身顶部的焊后尺寸已经趋于上限值。因此，如果把过程量调节到19毫米，就可以确保焊接后的车顶长度满足规范的需要。

3.2预制反变形

采用“正面施焊，背面施焊”的方法，在模具刚性固定的情况下，顶棚背面二次焊与刚性挤压所造成的拉伸应力要比前面一次焊所留下的要大得多，所以其焊缝的变形要比前面的大得多。经实地反复试验和优选，设定了5-7 mm的变形范围，采用三个可转动的把手对反组合焊接模具的位置进行了保护。通过试验，焊接后弦高150毫米、宽2162毫米，焊接后的焊接质量满足规范。

3.3焊接过程控制

选择合适的焊接工艺条件；焊接过程中，焊接电流和速率对线能量的大小有重要的作用，从而实现对焊缝变形的有效调控。对集电弓架进行焊接时，因为集电弓架的板厚为6毫米，比车篷轮廓的厚度（4 mm）要大，因此需要使用更大的焊接电流，在焊接时，可以将焊接速率控制在±5%以内，以减少线能量。在完成焊接后，应在工件冷却到常温之前，将上部受电弓的固定靠模取下，使其能够充分发挥出其应有的性能。

结束语：

综上所述，结合国内一座城市轨道交通用列车铝合金顶棚的生产实践，对其进行了技术改造，并进行了实际应用。第一通过对列车顶棚轮廓线的控制，使其达到19 mm以上，既能保证列车顶棚的尺寸及焊接质量，又能降低车身总组加工过程中的装配困难，从而提升其制造效率。第二采用5-7 mm的逆变形，在列车顶部反向组焊过程中预先设定5-7 mm的逆变形，使列车顶棚的弦高度及外形符合交检的标准，从而降低了调整的工作量，提高了生产率。第三通过对焊接工艺的适当调节，解决前面板构件装配中存在的下滑和波浪变形等难题，实现对构件装配的精确控制，并对其他大尺寸构件的装配具有参考价值。

参考文献

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