高速动车组铝合金侧墙门立柱焊接变形的分析与控制

田玉吉 唐海鹰 王克臻

(青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司 山东 青岛 266111)

轨道车辆的高速和轻量化的发展，使得铝合金材料的应用越来越多，作为车体主要大部件之一的侧墙，对其门口区域的尺寸控制及焊缝质量提出了更高的要求。铝合金本身的热导率高、膨胀系数大的特点及焊接过程中热应力和相变应力等因素的作用往往导致焊接变形，不但影响了结构的外形尺寸及精度，增大了调修矫正难度，而且会诱发错边、未熔合和裂纹等焊缝缺陷的产生，降低结构的承载能力。下文将侧墙门立柱的尺寸控制作为重点，针对侧墙门立柱的焊接变形进行分析讨论。

1 铝合金侧墙门立柱的结构介绍

图1 侧墙门立柱结构示意图

2 门立柱的焊接变形分析与控制

2.1 焊接变形的分析

侧墙门立柱区域的焊缝主要有对接焊缝、对接清根焊缝和角焊缝，焊接区域小、焊缝数量多且密集是门立柱区域焊接的特点，为此将铝合金侧墙门立柱的组对及焊接作为重点控制工序，对打磨、组对、焊接过程进行了严格的监控，其生产流程如图2所示。焊缝坡口角度和焊接接头形式对焊接变形和焊缝质量控制具有一定影响。文献[1]指出：大长焊缝焊接宜采用单边V型、K型或双边U型坡口，使用尽可能小的坡口角度以减少焊缝截面积，可以有效地控制焊接变形和焊缝质量。从焊缝坡口的设计角度来看，4HV的单边坡口焊缝使得焊丝填充量减少，降低了热输入量，有效地减小了焊接变形。但从门立柱的设计结构来看，大门立柱侧面的6个加强筋板的焊接对焊接变形起到了至关重要的作用。筋板两侧封闭的a4角焊缝、焊缝的立体空间分布及铝合金本身的物理性质，促使铝合金焊缝及母材金属的膨胀或收缩存在不同步和不平衡，使得焊缝区域残余应力的局部应变累积或多处应变叠加而最终导致焊接变形，大门立柱向侧墙方向倾斜2～3 mm(见图3)。此外，焊接顺序不合理、焊接方向错误、焊接参数不正确等因素，在一定程度上加大了焊接变形的产生。焊接变形导致门立柱间距上、下部不一致，且超出公差范围；门立柱相对侧墙外表面A和相对于侧墙下边梁B面的垂直度不满足技术要求，焊后的门立柱形状发生改变，给调修带来极大的难度或很难通过调修矫正，降低了生产效率，而且门立柱的焊接变形使得母材翘曲或局部坡口直线度偏差而导致错边、未熔合和裂纹等焊缝缺欠出现，使焊缝质量难以得到保证。

图2 门立柱生产过程流程图

图3 定位工程改造前大门立柱焊后倾斜示意图

2.2 焊接变形的控制

焊接变形的实质是焊件局部受到不均匀加热或冷却时产生焊接内应力，由焊接内应力导致的金属结构的变形，可通过工装刚性固定、优化工艺规范、预置焊接反变形、增加尺寸放量等措施来控制焊接变形[2]。在对铝合金侧墙门立柱的焊接产生变形进行分析后，提出通过改造工装对门立柱组对预置反变形和优化焊接工艺的控制措施。

(1)组对预置反变形

图4 侧墙刚性定位的工程结构示意图

(2)优化焊接工艺

对铝合金产品的焊接而言，焊接工艺通常包括：

图5 侧墙门立柱刚性定位的工程结构示意图

合适的预热温度、部件组对的合理点焊、焊缝接头处的规范打磨与焊接接头处的合理过渡、焊接工艺参数的正确使用、焊接顺序的合理制定、焊后调修方法的合理使用等，每一个操作流程对保证产品尺寸和焊缝质量都起到至关重要的作用。针对门立柱区域焊缝数量多，焊缝立体空间分布，结构设计复杂，技术要求高的特点，对门立柱区域的焊接工艺进行优化。铝合金本身的物理性质，要求对于板厚不小于8 mm的母材，预热温度为80～120 ℃，推荐采取冷矫形和火焰矫形联合的方法对变形焊件进行矫形，调修温度控制在175 ℃以下[4]。大、小门立柱区域的焊接采用同时定位段焊，段焊长度为30～50 mm，大、小门立柱均采用自门口上方向下方的分段焊接，即大门立柱按照焊缝5HV-4HV-5HV的焊接顺序，门口上方的5HV焊缝焊接完成后，对大、小门立柱的4HV焊缝采用分段对称跳焊同时焊接的方式，即按照1-2-3-4的焊接顺序。门立柱与侧墙的对接焊缝焊接完成后，定位段焊大门立柱侧的6个加强筋板，先对门立柱侧面的4个加强筋板进行焊接，再对门口上方的2个加强筋板焊接，焊接顺序如图6所示。在对5HV焊缝分层焊接时注意将接头错开，避免缺陷过度集中；在对4HV焊缝焊接时将每段焊缝控制在400 mm以下[5]，避免焊缝收缩拉应力叠加导致增大焊缝区域变形；在对筋板的a4角焊缝焊接时，按焊接工艺规程对焊接区域进行预热；筋板区域焊缝的立体空间分布的特点，要求规范焊缝在相交处的焊接顺序，避免交点处起收弧引起应力集中，进而导致裂纹、未熔合等焊接缺陷的产生。从焊接工艺优化前后的对比来看，优化后的焊接工艺使门立柱的焊接变形在一定程度上得到了控制，提高了生产效率，同时使焊缝质量得到了保证。

图6 侧墙门立柱焊接顺序示意图

3 结论

(1)对大门立柱的定位工装改造，组对预置反变形，使大门立柱的焊接变形得到有效控制，满足了门口区域的尺寸技术要求，明显提高了生产效率，取得了预期的效果。

(2)优化后的焊接工艺，使门立柱的焊接变形在一定程度上得到控制，同时使焊缝质量得到了有效控制和保证，为高速动车组其他大部件的焊接提供了良好的借鉴。