铁路机车铝合金制件焊接变形原因及控制预防

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　　摘 要：铁路机车技术持续发展要求匹配的生产高质量产品，以部件连接方式的焊接环节为例，作为相关产品生产重要一环，既需要高超的焊接工艺，也要求满足对焊接变形的控制处理。因而本文以铁路机车铝合金结构制件作为研究对象，从相关因素解析转化出对铝合金结构制件焊接中的变形原因的分析，然后按照由原因推导出结果的基本原理，提出几点针对铁路机车铝合金制件常见焊接变形控制建议。
　　关键词：钢结构制件;焊接;变形
　　在铁路机车铝合金结构制件常规化的连接方式中多以焊接作为主要的连接方式，由于它会受到不同类型的应力、环境、焊接温度、焊接工艺、材料性质等相关因素影响，导致发生因焊接而产生的变形问题，不仅影响焊接效果，也会因焊接质量问题而产生安全问题，加上铁路机车本身“牵一发而动全身”的构造特点必然会造成很大危害。所以本文结合生产与应用需求对主题展开具体探讨。
　　一、铁路机车铝合金制件的常见焊接变形原因
　　铁路机车铝合金制件在焊接实践中受到材料性质、结构设计、焊接工艺等相关因素影响，其影响结果以铝合金焊接后的整体变形与局部变形为主。下面对具体内容进行说明。
　　以材料性质因素影响为例，铝合金的物质特性本身存在物化性能相对活泼的特点，焊接接口软化会降低其强度系数，线膨胀系数较大最易诱发变形。因此，铝合金因其焊接中的金属加工性能，必定由于母材内构造中的化学成分，即金属元素活性变化而产生对焊接性的影响，当存在对应性差的情况下就会引发焊接变形。以结构设计为例，铝合金制件作为焊接构件必然受到构件本身拘束度与外在拘束的影响，当前在铁路机车铝合金焊接实践中焊接构件的复杂程度越来越高，因而导致铝合金制件拘束变化也趋于复杂化，提高了焊接变形发生的可能性。以焊接工艺为例，材料本身易氧化的特征要求以大功率密度的焊接工艺为基，焊接方法差异化与焊接本身工艺实践过程存在加热与冷却过程，因而在遵循热胀冷缩的基本原理的前提下，焊接部位温度差异会焊接应力，而这也是引发焊接变形的主要因素。比如，焊接应力在高温部位表现为膨胀拉伸应力，因此在焊缝与收缩应力之间的较近部位就会因力之分布与相互作用而引发塑性变形。而在相对温度较低的部位则表现为收缩应力，当焊接实践中温度持续变化表现在冷却过程中时，焊接应用力与焊接变形同时发生。温度持平于环境温度时，来自于横向、纵向、厚度方向的残余应力会引发钢结构制件在不同方向发生对应类型的变形，从而造成差异化的变形类型，如横向、纵向、扭转、波浪、挠曲，以及角变形等。
　　因此，从相关影响因素解析可以归纳出导致焊接变形的主要原因来自于焊接实践中所产生的受热不均，与结构设计本身产生的刚性与拘束度，以及不同种类焊缝在焊接条件下的金属收缩，还有作为金属本身的铝合金内部组织变化等。
　　二、铁路机车铝合金制件的变形控制建议
　　下面结合对铁路机车铝合金制件常见焊接变形相关因素解析与原因分析，从焊接-应力、工艺-机制、技术-预控三个方面提出几点针对焊接变形的控制建议。
　　（一）科学设计焊缝，对应控制应力
　　通过对铝合金制件焊接实践分析发现应力是客观存在的，因而在焊接应力导致的焊接变形问题，需要采用设计策略使焊缝对称性设计得到增强，同时增加其平滑度;对于宽度与厚度差异方面的问题，建议选取坡度过渡办法使截面突变得到预防，减少应力集中发生的可能性;另一方面，焊缝集中与焊点相交造成的应力集中或形成的应力场则需要在划分主焊缝与次焊缝，然后按照主连续、次断开构造法加以解决。至于残余应力造成的焊接变形问题，需要“对症下药”，包括小焊缝数量控制、焊接拘束度控制、焊接顺序控制、焊接方向控制、焊接接头刚度控制，以及按照焊接经验采用锤击法增加塑性应力消解残余应力等。
　　（二）优化工艺流程，系统运行评估机制
　　铁路机车类型不同对铝合金制件的类型需求不同，其工艺流程也会存在差异。因而为了避免因焊接工艺直接或间接造成的焊接变形。一方面，需要对工艺流程进行优化，比如在流程相对固定的情况下，采用标签法，使验收人员与焊接人员及评估人员均能够精准的确定制件的一致性。另一方面，需要根据工艺各环节设计与数据采集、技术要求相对应的评估方案，以焊接施工为例，就可以将焊接分流到每一个环节，焊接前的工艺技术确认、焊接现场的临场监督与指导、焊接完成后的效果确认、焊接不到位的及时处理等。要求工艺设计与评估机制高度匹配，提升焊接质量控制。
　　（三）引入现代技术，预控焊接变形
　　在一般的仪器与设备应用方面，利用卡尺夹具、红外线等先进的测量仪器与设备，为焊接施工人员提供能够满足焊接施工技术标准要求的实时指导;或者按照制件特点，尽可能减少焊接差异与技术应用对应性差产生的焊接变形。当前可以应用焊接有限元理论，利用有限元模拟软件进行焊接前模拟，进行焊接变形预测，从而提炼出控制焊接变形的数据、工艺优化措施。随着工4.0技术的运用，针对大型的构件焊接如机车顶盖等焊接技术要求较高的焊接实践需求，建议引入焊接机器人，包括小型的焊接机器人与固定位置的机械手臂焊接等。
　　三、结语
　　总而言之，铁路机车铝合金制件焊接效用的提升，有赖于对其焊接施工实践中存在的焊接变形问题的基础研究。当前除应用一般的变形控制措施之外，建议积极推进对铝合金结构制件常见焊接问题的专业化处理，根据对材料属性、工艺流程设计、焊接类型选择、焊接技术实践、焊接检验机制等相关因素分析，借助现代仪器设备从预测控制层面扩大研究与应用范圍，以此为铁路机车铝合金制件焊接变形控制提供高效处理措施，最终降低安全隐患发生的可能性。
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　　作者简介：卢磊（1979-），男，汉族，山东栖霞人，本科，电焊工高级技师。
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