中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266111
摘要：动车组作为铁路提速标志，铝合金车体结构及组焊均在不停地研究和工艺优化，本文也是承前启后，全面介绍动车组车体铝合金材质应用、铝合金车体结构及其车体铝合金焊接工艺，分析了铝合金焊接组织分布、组织缺陷和焊接组织的不稳定性；从金属学原理上进行深入浅出的分析研究，总结了车体调休工艺的存在的不足及后续车体变形的机理，提出来后续工艺研究方向，引入铝合金时效硬化理论及工艺改进方法。
关键词：动车组车体焊接；金相组织；调修；时效硬化
1、铝合金简介
铝合金以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金密度低，但比强度高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。铝合金分两大类：铸造铝合金，在铸态下使用；变形铝合金，能承受压力加工，力学性能高于铸态。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等。
2、动车组车体结构
2.1结构概况
时速250公里铝合金动车组的技术引进和自主研制开发工作以来，动车组车体为薄壁筒形的整体承载式轻量化结构，采用5083、6N01和7N01系列铝合金材料组焊而成。底架为为边梁承载的无中梁式拼焊结构拼焊结构，侧墙和车顶为超薄大型中空铝型材的拼焊结构；其中车下设备采用承载悬挂结构，牵枕缓使用高强度型材拼焊结构等。
2.2铝型材金相结构
铝型材试样金相分析形貌见图1，表面存在厚度不一的粗晶层，其中可观察到的最厚粗晶层约为390.8μm，紧挨着粗晶层的次表面晶粒细小并且呈等轴状，晶粒度为8.5级，试样表面为大约1mm氧化过渡层（说明成型工艺加热没有防氧化措施）；图2金相组织为α（Al）+弥散质点相+条状Mg2Si相+含Mn、Fe等元素的块状化合物相。
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图1 粗晶层50×
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图2 金相组织500×
3、铝合金焊接缺陷
铝型材在焊接过程中，由于材质和焊接工艺不当等因素，焊接接头会产生各种缺陷，主要有变形、裂纹气孔、夹渣和未焊透等。而裂纹是焊缝接头中最大的危害缺陷。裂纹按尺寸大小可分为宏观裂纹和显微裂纹，用肉眼可见的宏观裂纹，在一切产品中均不允许存在，而存在〈250微米的显微裂纹在现在焊接技术下是不可避免的，当焊接尺寸小于该材料的焊缝的临界尺寸时，通常是允许的，但这也是受疲劳载荷或存在应力腐蚀的工况下的焊缝裂纹缓慢扩展到临界尺寸，最终造成脆性破坏。
裂纹按形成温度范围分为热裂纹和冷裂纹两种。热裂纹常见出现在焊熔凝固温度至Ac3 以前和冷却到热影响区时产生一次性晶界腐蚀裂纹，当裂纹贯穿至表面时，裂纹表面呈氧化色；冷裂纹多发生在热影响区的熔合线及过热区的一种穿晶裂纹，危害性极大，其不一定在焊接时立即发生，会长时间逐渐出现，裂纹数量也会逐渐增多。
4、焊接金相组织结构、强度与断口特征
焊接接头的拉伸强度低于母材。预热和重熔可以同时降低电子束焊接接头的强度和塑性,尤其对接头的塑性影响更大。焊缝区和热影响区的硬度均低于母材,预热和重熔可以降低焊接接头的硬度。焊缝区组织主要为等轴晶（α）和树枝柱状晶（α+β）,熔合区组织主要为柱状晶过饱和相，并伴有在过热、过烧及晶粒长大得出现；预热和重熔使得焊缝区的晶粒组织变得粗大,产生空位、位错的数量和分布；焊接接头的拉伸断口断面上分布的韧窝尺寸较小,且韧窝的大小接近,未发生明显的塑性流动,呈现出铸态断口特征。
4.1焊缝区的重复显微组织
在显微镜下观察，焊缝凝固后的组织主要特征之一是形成柱状晶。其生长有明显的方向性，与散热最快的方向一致，即垂直于熔合线向焊缝中心发展。
4.2热影响区的显微组织
受焊接过程热循环（加热和冷却）的作用焊缝附近的热影响区相当于经历了“特殊的热处理”过程一样，其分为四个区域。
4.2.1.熔合区
即融合线附近焊缝金属到基体金属的过渡部分，温度处在固相线附近与液相线之间，金属处于局部熔化状肪，晶粒十分粗大，化学成分和组织机不均匀，冷却后的组织为过热组织，呈典型的魏氏组织。这段区域很窄（0.1-1mm）,金相观察实际上很难明显的区分出来，但该区对于焊接接头的强度、塑性都有很大影响，往往熔合线附近是裂纹和脆断的发源地。
4.2.2.过热区（粗晶粒区）
加热温度范围630℃为开始晶粒急剧长大温度，晶粒急剧长大，尤其在650℃以上时，晶粒急剧粗化，焊后空冷条件下呈粗大α组织，塑性、韧性降低，使接头处易出现裂纹。
4.2.3.正火区（细晶粒区）
即相变重结晶区，加热温度范围560～610之间，空冷后得到均匀细小的α+β相。
4.2.4.部分相变区
即不完全重结晶区，加热温度约510-550℃，由于析出α+β相，晶粒大小不均匀。
4.3焊缝区组织的不稳定性及焊接变形
由于四个相区组织形态各异，晶粒度大小的不均匀性，造成组织应力与热应力共存现象，在后续时效过程中应力释放，存在焊接变形的不确定多头因素，故而造成焊接车体变形，并在后续车下设备安装后及车辆运行过程中，车体变形的可能性继续进行，所以在动车组检修过程分解各件检修后，再各件恢复安装时，无法正常恢复安装，就其原因是车体变形（或铝合金各件）或长时间（自然时效）时效成型，再加上各件装配难以达到或者说是宏观原样恢复不到位造成（此问题不可控），故车体焊接变形的消除是我们研究的课题。
5、车体焊接变形工艺优化
5.1通过调修消除焊接变形
5.1.1调修工艺
从车体组焊工艺流程可以看出调修贯穿于整个枕梁组成的组焊各工序的全过程， 由此可见调修对于枕梁组成的组焊的重要性，铝合金调修的方法通常用加热法，火焰加热后使用水进行急冷作业，配以锤击或使用液压泵调修，调修过程中调修的方法和调修的温度要严格控制；这也是目前正在实施的工艺方法。
5.1.2调修工艺缺陷
调修工艺看，实际就是一种简单的加热淬火法；铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚；进一步造成合金组织不稳定。
5.2工艺优化
由于车体结构采用模块化无主梁组焊结构，即使车辆在高速运行过程中，产生蠕变叠加与焊接应力诱发，车体局部强度受到变形的挑战，在长时间的运营过程中，车体焊点部位出项自然时效硬化，即局部变形“硬化”。在动车检修的拆-装工序实施后，难以精确恢装，出现配件局部变形，造成新的应力点，出现新的变形源点，由于在运营颠簸过程中可部分消除，故可忽略，所以重点消除车体变形就为新造车体。
5.2.1时效强化原理
无论是焊接区组织应力，还是调修区组织应力都出现了铝合金组织的不稳定性，后续整车变形是在所难免，为此提出整车铝合金时效强化原理；时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围（如100～200℃）内发生，称人工时效。而自然时效会使焊接变形随机出现。
由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。 在时效热处理过程中，该合金组织有以下几个变化过程：
（1） 形成溶质原子偏聚区－G•P（Ⅰ）区。在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G•P（Ⅰ）区。G•P（Ⅰ）区与基体α保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。
（2）G•P区有序化－形成G•P（Ⅱ）区，随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G•P（Ⅱ）区。它与基体α仍保持共格关系，但尺寸较G•P（Ⅰ）区大。它可视为中间过渡相，常用θ”表示。它比G•P（Ⅰ）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，θ”相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。
5.2.2时效的强化工艺
在新造车体调修后增加人工时效工艺，可分几步完成：
（1）增加整车车体时效加热处理电炉设备。
（2）增加防变形工装，车体入炉前，将车体工装加固以防车体变形超标。
（3）将车体置入150±5℃，保温12小时，出炉空冷。
（4）冷却至室温卸除工装，打磨检测交车。
参考文献
[1]秦文照, 马志涛. 浅析CRH2型动车组高压设备箱的检修[J]. 铁道车辆, 2012, 50(7):41-42.
[2]杨红萍, 李翊, 高月欣,等. CRH2型动车组避雷器五级检修技术研究与分析[J]. 高速铁路技术, 2015(4):18-21.
作者简介
邱伟 (1989.07-)山东胶州人，专科，研究方向:动车组检修及运用技术，工作单位:中车青岛四方机车车辆股份公司。
张青俊（1988.07-）山东临沂人，专科，研究方向:动车组检修及运用技术，工作单位:中车青岛四方机车车辆股份公司。