中车唐山机车车辆有限公司 河北唐山 064000
摘要：高速动车组车体采用铝合金空心型材焊接而成，原有高速动车组车体铝合金型材均从日本进口，价格昂贵，为了促进高速动车组的国产化，现在全部采用国产铝合金型材。中国高速动车组的运营时速达到300km/h，高速运行中的车体，承受重大的受气流压力，要求铝合金型材的焊缝具有较好的质量，以保证车辆的安全运行。
关键词：动车组；铝合金车体；焊接难点；工艺措施；
动车组头车铝合金车体结构，通过对头车车体生产过程中出现的焊接难点问题进行分析，提出了切实可行的解决动车组头车铝合金车体焊接问题的方法和工艺措施，保证了动车组头车铝合金车体的焊接质量。
一、焊接缺陷产生的原因和危害
铝合金型材以其比强大、密度小等优势在高速动车组的车身制造方面得到较为广泛的应用。除车头的司机室为流线型的铝结构外，CRH2型动车组中间车的车体主要使用端墙、车顶、侧墙和底架几个部分焊接而成，因此铝合金焊接技术理所当然的成为了CRH2型动车组车身制造的核心。因为较大的传导系数，在焊接铝合金的过程中热量很容易向四周传开。此外，由于焊缝熔池的颜色与母材表面颜色相近，致使在焊接过程中难以区分，大大增加了焊接的难度。焊接后，在焊缝内部容易产生以下缺陷：未焊透、气孔、夹杂以及未熔合等；而在焊缝表面则容易产生裂纹、咬边、气孔、焊瘤等缺陷。上述缺陷可以和焊缝具有不同的质量等效。焊接缺陷会导致应力向局部集中，特别是在焊根或焊趾的高应力区出现缺陷时，这些疲劳危险部位的应力将进一步集中，从而根焊接接头的疲劳强度造成严重的影响。通常，焊趾是焊接件的疲劳裂缝最初形成的地方，进而导致穿透件壁厚的扩展，致使焊接件的最终失效。
二、焊接结构寿命的预测方法
一直以来，预测铁路车辆产品焊接结构疲劳寿命的方法，普遍采用的是：基于产品有限元分析，采用传统名义应力法，但是，受到实际负载复杂性和结构多样性的影响，与焊接接头对应的数据通常难以找到。另一方面，在进行有限元分析的过程中，区域内名义应力值在很大程度上受到焊接部位网格大小和网格划分方式的影响，这就在一定程度上导致采用名义应力法计算出的疲劳分析数据存在较大误差，结果可信度大大降低。网格不敏感的S-N曲线法已被美国ASME作为标准，这种方法的基础是断裂力学的基本原理，同时还结合了大量的疲劳试验。它是一种用于焊缝疲劳寿命计算的最新方法，它采用的是主S-N曲线和网络不敏感的结构应力模型。实践表明，该方法能对任意空间走向焊缝疲劳寿命进行相对准确的计算。
三、车体焊接难点及质量控制
动车组头车铝合金车体一位端采用55°倾斜角，外端墙采用薄板焊接结构，刚度较低，连接空气动力学前端与侧墙的短侧墙为中厚板焊接，导致车体结构在焊接过程中容易出现焊接变形，局部容易出现焊接质量问题。
1.侧墙与车顶封板焊接变形。动车组头车铝合金车体一位端封板，板厚为10mm，与3 mm厚的侧墙、2.8 mm厚的车顶型材进行焊接，焊缝形式由外侧3HV，内侧a3角焊缝组成。头车侧墙一位端设计有55°倾斜角用于司机室安装，由于封板直接与司机室紧密连接，其外形轮廓及平面度要求较高，首车试制过程中，出现了封板平面度超差严重的问题，其外形尺寸无法满足要求，利用火焰加热和机械锤击方法对封板进行调修，造成内侧薄板及角焊缝焊趾处多处开裂。局部裂纹达35 mm，最短裂纹也有8 mm左右，严重影响了焊接质量，制约了生产进度。为了解决封板焊接变形问题，对其原因及焊接工艺进行分析研究。（1）原因分析。1）焊接工艺及焊接参数匹配性不合理是造成封板焊接变形，调修后角焊缝及母材开裂的主要原因。2）使用火焰加热和机械锤击方法对封板进行大面积调修，是造成封板内侧角焊缝及母材开裂的直接原因。3）焊前装配质量不高，是造成封板焊后变形大的又一要素。（2）工艺措施及效果。1）优化焊接顺序采用分段退焊法焊接外侧3HV焊缝；再用分段跳焊法焊接内侧角焊缝，严格控制分段焊缝长度，每段长度控制在400 mm左右，同时控制焊接热输入，避免局部热量集中导致焊接变形过大。2）优化工艺参数调整焊接电流、电弧电压、优化焊接工艺参数的匹配性，控制焊前预热温度及道间温度，保证焊缝熔合的前提下适当提高焊接速度，减少热量集中。3）提高装配质量焊接封板内侧角焊缝时预制反变形，将封板内侧与侧墙紧贴严密，减小焊接填充量，降低焊接变形量，进而减少调修对焊缝及母材造成的影响。通过优化焊接工艺及装配方法，有效控制了封板的焊接质量及焊后变形量，减小焊后调修，控制封板焊接质量，提高生产效率。
2.短侧墙焊接。CRH3A头车车体一位端由短侧墙连接空气动力学前端与侧墙，短侧墙是头车车体最前端的承受空气动力学载荷的部件之一，并将空气动力学载荷和压力向车体侧墙等部件传递，因此，短侧墙与空气动力学前端及侧墙连接板之间焊缝的焊接质量对列车运行安全有着重要影响。短侧墙由18 mm铝合金中厚板与侧墙连接板焊接组成，焊接质量要求高，焊缝表面采用渗透（100%PT）检测。焊缝采用多层多道焊且立向上（PF）焊接，焊接收缩量大，易出现熔合不良及根部未焊透等焊接缺陷。为了解决短侧墙焊接缺陷问题，提高生产效率，通过分析焊接缺陷产生的原因，提出相应的工艺措施，以提高短侧墙焊接质量。（1）预制反变形空气动力学前端上部设置压铁，并预制10 mm焊接反变形量，（2）优化焊接顺序采用内外侧焊缝交替焊接，冷却后再进行盖面焊接，减少焊接热量集中。（3）优化焊接工艺保证短侧墙处10HY焊缝的焊接质量。焊前预热到120℃，打底层焊缝采用大电流快速焊接，保证焊缝根部充分焊透；填充焊缝时，焊枪角度略偏向于侧墙连接板一侧，保证焊缝侧壁完全熔合。通过以上工艺措施，有效解决了头车一位端短侧墙的焊接缺陷及变形问题，保证了短侧墙的焊接质量。
3.车体组成焊接变形控制。动车组头车铝合金车体组成的焊接特点是将底架、侧墙、车顶、端墙等各大部件部件经过组装焊接后，形成车体整体箱形结构，各部件焊接中产生变形量，到车体组成工序时尺寸公差累积，为了保证车体组成的外形轮廓和尺寸，减小车体组成焊后变形，减少调修工作量，需要在车体组成装焊过程中采取工艺措施，提高生产效率。由于铝合金导热性好，热膨胀系数大，焊后收缩变形较大，动车组头车铝合金车体部位焊接过程中易产生焊接变形：①两侧墙窗口距离变小，即车体宽度减小；②侧墙焊后容易变形，导致侧墙外轮廓弧度偏差；③车顶上部开有3个空调框切口，车顶刚度小，焊接后容易出现下塌，影响车厢内整体高度；④由于端墙板型材壁厚薄、端墙刚度小，车体组成焊接后端墙向内倾斜，端墙整体垂直度超差，且调修困难。为了保证车体组成焊接后的外形轮廓和整体尺寸，减小车体焊后变形，在车体组成装焊过程中采取取了以下工艺措施：在焊前进行装配时，预制反方向的变形量以抵消（补偿）焊接变形。利用支撑杆将左右侧墙向外侧支撑，增加车体宽度放量，如图1a所示；
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（a） （b）
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（c） （d）
用顶镐加支撑将车顶向上顶出6 mm高度余量，设置高度方向反变形量，如图1b所示；将端墙内部与侧墙连接处增加刚性支撑，预制焊前反变形，反变形量4 mm，如图1c所示；将车顶空调框切口部位，增加Z形固定支撑，提高车顶刚度，如图1d所示。通过以上工艺措施，有效解决了车体组成焊接后变形问题，保证了车体外轮廓弧度及尺寸，大大减少了调修工作量，提高了生产效率。
总之，分析动车组头车铝合金车体的焊接难点，探讨了焊接变形产生的原因，结合动车组头车铝合金车体实际生产提出了相应的工艺措施和解决方法，有效地控制了焊接变形及车体一位端空气动力学前端的焊接问题，确保了动车组头车铝合金车体的焊接质量，控制了车体焊接变形。
参考文献：
［1］王富．铝合金部件焊接变形的产生及控制．2018.
［2］赵艳萍，动车组头车铝合金车体焊接质量控制.2019.