高速动车组铝合金牵引梁焊接变形控制

高速动车组铝合金牵引梁焊接变形控制

郭丙全 柏广亮

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266311

摘要：随着高速铁路的快速发展，动车组的运行速度和载荷要求也越来越高，在这一背景下，对牵引梁的焊接质量和变形控制提出了更高的要求。而铝合金作为牵引梁的主要材料，具有重量轻、强度高、耐腐蚀的优点，但其焊接变形问题却成为制约其应用的重要因素。基于此，本文旨在对高速动车组铝合金牵引梁焊接变形控制进行深入研究，以期为高速动车组铝合金牵引梁的焊接变形控制提供新的思路和方法，从而提高列车的运行安全性和乘坐舒适性。

关键词：高速动车组；铝合金牵引梁；焊接变形控制

引言：铝合金技术因其具有密度小、成型性良好的特性，目前被广泛用于各种焊接结构。但是由于铝合金线膨胀系数比钢大，所以在焊接过程中易发生形变，尤其对于高速动车组中的牵引梁来说，其产生形变不仅影响产品质量，同时对于高速动车组也是一个不小的隐患。因此，如何控制高速动车组铝合金牵引梁焊接变形已然成为亟待解决的重要问题。

一、高速动车组铝合金牵引梁焊接变形控制的必要性

对于高速动车组来说，牵引梁是其重要的承载机构，承受着列车的牵引和制动力，所以牵引梁是高速动车组稳定和安全的重要组成部件。而焊接时铝合金牵引梁制造过程中的环节，因其铝合金特性，焊接变形避不可免，但是如果不去控制形变，牵引梁的尺寸和形状发生改变，牵引梁本身具有的特质也会随之消失，最终出现梁体破裂、疲劳断裂等情况，甚至高速动车组也会出现一系列的安全隐患和事故。因此，对于控制高速动车组铝合金牵引梁焊接变形不仅是制造要求，更是保障高速动车平稳运行的必然要求。另外，高速动车组作为交通工具的代表，其外观质量关系到乘客对列车的第一印象，如果因焊接变形导致牵引梁的表面出现凹凸和瑕疵，使车体的外观不平整，则会大幅度减低列车的品质感，影响乘客对列车的满意度和信任度，这对于高速动车来说容易降低自身品牌影响。除此之外，高速动车不同于普通列车，乘客一般对其乘坐的舒适性要求较高，而如果出现焊接变形情况，比如牵引梁尺寸和应力分布出现问题，影响其与其他部件连接以及车体的刚度，将容易导致车辆在运行过程中产生噪音、震动或者不稳定情况，对于乘客来说，这无疑是极差的乘坐体验。因此，控制高速动车组铝合金牵引梁变形是非常必要的，只有控制焊接变形，才能确保高速动车组的正常运行，为乘客带来良好的乘坐体验。[1]

二、高速动车组铝合金牵引梁焊接变形控制措施

（一）进行开口方向反变形控制

开口方向反变形控制是通过在焊接过程中施加适当的约束力，使焊接接头发生相反方向的变形，因为一般情况下，开口方向的变化趋势是向内收缩，而通过反变形控制是为抵消焊接时产生的变化，避免变形和应力对牵引梁的强度、刚度以及几何形状产生负面影响。具体来说，为进行开口方向的反变形控制，尤其对于高速动车组铝合金牵引梁的焊接来说，可以采用TIG（氩弧焊）或者MIG（气体保护焊）的焊接方法，因为这些焊接方法具有焊缝形状规整以及焊接速度快的特点，大幅度减少焊接热量对基材的影响。另外，还应合理控制焊接参数，焊接参数主要包括电流、电压、焊接速度，这些参数在经过调整之后，其热能效应会下降，这样一来，热影响区的大小会减少，从而减小变形的产生。一般来说，也可以适当降低电压和电流，让热能始终保持在焊缝区域，避免使其扩散，以避免开口方向持续向内收缩。[2]除了以上两个方式以外，还可以采用预应力方法和局部加热方法来控制开口方向反变形。预应力主要通过施加拉伸或弯曲力来实现，也就是说，在焊接过程中，由于预应力的存在，焊接结构在受到焊接热量引起的变形力时会产生相应的弹性变形，以抵消焊接过程中所产生的变形张力，但需要注意的是，应合理控制预应力的大小和方向，避免预应力过大，铝合金牵引梁出现反方向变形。而局部加热方法的主要原理是为改善热应力分布，通过电阻加热、电感加热和激光加热等方法，对焊接区域进行精准加热，这样可以避免铝合金的大范围形变。同时，在精准的温度控制下，可以实现开口方向的反变形控制。这些方法并不是一劳永逸的开口方向反变形控制的最终途径，而是需要根据实际情况进行合适方式的选择，这样才能够实现最佳的反变形效果。

（二）进行长度方向反变形控制

铝合金牵引梁的长度方向变化是呈上翘趋势，即横向变形，这种变化趋势严重不仅影响牵引梁的性能和使用安全性，而且还会影响装配精度。由此，为进行长度方向的反变形控制，可以在焊接工装上不同位置设置垫铁来预置反变形的角度，垫铁是特殊形状的金属部，调整其位置和角度可以预置铝合金牵引梁的反变形角度。所以，在焊接过程中，可以将垫铁固定在工装上，并与铝合金牵引梁紧密接触，然后根据铝合金牵引梁的具体结构和焊接工艺的具体需求，确定垫铁的数量和位置。一般多数情况下，可以在铝合金牵引梁的两端和中间位置设置垫铁，然后再根据焊接过程中所产生的变形情况进行调整和控制。也可以在焊接区域两侧设置对称的垫铁，使其与铝合金材料接触面形成一个对称的倾斜角度，这样一来，焊接过程中焊接热量作用于铝合金材料时，由于两侧垫铁的接触面倾斜方向相反，焊接区域的变形也会相互抵消，进一步减小长度方向上的改变。除了设置垫铁之外，也可以在焊接区域的两侧设置压板来控制长度方向的变形，压板的作用和垫铁原理基本相同，但是作用力截然相反，压板的作用是施加压力来抵消焊接区域的变形，具体操作位，在两端安置好压板之后，然后调节压板的压力，使焊接区域的长度方向变形趋于平衡，从而实现长度方向反变形控制。

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（三）进行扭曲反变形控制

高速动车铝合金牵引梁焊接变形之所以会出现扭曲，主要是由于焊缝分布不对称所造成。所以，为进行扭曲变形控制，首先就是要选择合适的焊接工艺，比较适合扭曲变形控制的焊接工艺当以脉冲焊接技术为主，此技术能够控制焊接电流和电压的变化，进而减少焊接热输入，从根本上降低焊接变形的发生，除了变革焊接工艺之外，还应采用预热和后热处理的方式，提高焊接区域温度，使焊接变形减小。其次，扭曲变形本质上是不规律的运动，为此，可以采用适当的夹具和辅助支撑，所以在焊接过程中，可以利用夹件控制工件的形状和位置，利用辅助支撑在工件的受热区域提供额外的支撑，以最大程度防止扭曲变形。再次，在焊接过程中，还可使用局部加热和冷却的方法来控制扭曲形变，也就是说，可以在加热之后立刻进行冷却，这样可以使其温度变化降至最低，焊接变形也相应开始减小。最后，在焊接完成后，利用物理手段进行校正和修复，也就是焊后矫正，通过机械固定之后，利用热处理将变形的工件按照设计要求进行等比例恢复，这样一来，可以使焊接过程中所产生的扭曲和变形恢复至原状。

结束语：

综上所述，反变形控制作为高速动车铝合金牵引梁焊接变形的重要管控手段，不仅可以控制牵引梁的变形，而且还有效降低了调修工作强度，解决了开口方向变形、长度方向变形以及扭曲变形三大重点变形难题。同时，本次研究虽然有一定成果，但是也意识到本次研究还存在一定局限性，主要是由于时间和资源的限制，本次研究主要进行小尺度实践。因此，未来后续研究将进一步扩大研究范围，进行更全面且更深入的实验，以此为铝合金牵引梁焊接结构变形控制提供更加有益的参考和指导。最后，也希望本次研究可以为相关领域的应用提供一定依据，也相信随着进一步的研究和实践，可以进一步完善和提升焊接变形控制的效果，为高速动车组的安全和可靠运行做出更大的贡献。

参考文献：

[1] 沈旭奎,苏强,史英礼. 铝合金车体全型材底架前端结构设计研究[J]. 现代城市轨道交通,2023(4):36-39.

[2] 卢勇,黎澍,申天亮. 地铁铝合金车体牵引梁裂纹原因分析及修复[J]. 机电工程技术,2022,51(12):301-305.

[3] 邓清洪. 20mm厚6082-T6铝合金牵引梁高速搅拌摩擦焊工艺研究[J]. 金属加工（热加工）,2022(2):7-10.