铁路客车铝合金焊接工艺应力控制

点赞:13426 浏览:56965 近期更新时间:2024-02-17 作者:网友分享原创网站原创

摘 要:车体轻量化是铁路客车造业的发展趋势,采用铝合金材料是减轻车体自重的有效措施.本文介绍了铝合金焊接的特点、铝合金材料焊接易产生的缺陷及防止对策.简单归纳了焊接生产中控制焊接应力的常用措施.

关 键 词:客车车体铝合金铝合金焊接焊接应力

1序言

轻量、高速、安全、节能、舒适、长寿命是铁路车辆现代化的标志.而实现列车的高速化关键在于解决列车的轻量化和密封性问题.轻量化对于减少列车牵引力和制动力,减少能量消耗,减少轮轨磨损,提高列车运行速度至关重要.密封性直接影响列车的运行性能和旅客列车的舒适性.采用铝合金材料是减轻车体自重的有效措施[1-2].其中5000系为铝镁合金,焊接性好;6000系为铝镁硅合金,焊接性好,焊接强度较高;7000系为铝锌合金,由于锌的加入,焊接性变坏,焊接强度也降低.根据JIS标准铁路客车车体主要使用5000系中的5083铝合金、6000系中6N01铝合金、7000系中7N01铝合金.

2铝合金的材料特性和焊接特点

2.1铝合金材料特性

铝以化合物的形式占地壳的8%,是地球上贮量最丰富的金属,重量轻,比重约是钢的三分之一.铝合金是纯铝中加入合金元素如镁、锰、硅、铜、锌获得不同性能的金属材料,是车辆轻量化的首选材料;表面有一层致密的氧化膜(熔点为2050℃),耐腐蚀性强;熔点低660℃),而钢的熔点约为1535℃;导热、导电性好,约是钢的5倍;热膨胀系数大,约是钢的2倍[3].

2.2铝合金焊接特点[3-4]

铝合金由于其特殊的材料性能,所以有其自身的焊接特点.

1)极易氧化

铝与氧亲和力极大,任何温度下都会氧化,在母材表面生成氧化铝(Al2O3)薄膜,其厚度约为0.1~02μm,熔点高,组织致密,保护着母材表面.焊接时该氧化膜妨碍母材熔化和熔合,易出现未焊透缺陷;氧化膜密度大,不易浮出熔池表面,容易在焊缝中形成夹渣缺陷.

2)铝的热导率和比热大,导热快

尽管铝合金的熔点远比钢低,但是铝合金的铝的热导率、比热容都很大,在焊接过程中大量的热能被迅速传导到机体金属内部,为了获得高质量的焊接接头,必须采用能量集中、功率大的热源.

3)线膨胀系数大

铝合金的线膨胀系数约为钢的2倍,凝固时体积收缩率达6.5%~6.6%,因此易产生焊接变形.防止变形的有效措施除了选择合理的工艺参数和焊接顺序外,采用适宜的焊接工装也是非常重要的,焊接薄板时尤其如此.

4)容易产生气孔

焊接接头中的气孔是铝合金焊接时极易产生的缺陷,尤其是防锈铝合金的焊接.氢是铝合金焊接时产生气孔的主要原因.氢主要来源于弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分,其中焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分,对焊接气孔的产生,占突出的地位.

5)合金元素蒸发和烧损

某些铝合金含有低沸点的合金元素(如Mg、Zn等),这些元素在高温下容易蒸发烧损,从而改变焊缝金属的化学成分,降低焊接接头的性能.

6)无色泽变化,给焊接操作带来困难

铝合金焊接时由固态转变为液态时,没有明显的颜色变化,因此在焊接过程中给操作者带来不少困难.

3铝合金材料焊接应力及防止对策

焊接以后留下一定的残余应力是不可避免的,铝合金材料和铝合金焊接的自身特点,焊接后应力更为严重,通过恰当的工艺措施给予一定程度的控制和调节,使应力值尽可能减小,分布尽可能合理,一直是焊接工艺师研究的课题.

焊接应力是由于焊后收缩受到制约造成的,制约越严重,内应力也就越大.因此,控制内应力的方法虽有多种,但其基本原则只是一个,就是缓和对焊缝收缩的制约.通常采用的工艺措施有以下几种:

3.1、采用合理的焊接次序

所谓合理的焊接次序,主要是应该尽量使焊缝能比较自由的收缩,特别是那些收缩比较大,残余应力比较大的焊缝.

图1是拼接工字梁的情况.这时应事先留出一段翼板一腹板角焊缝3,先焊接受力最大的翼板对接焊缝l,然后再焊接腹板对接焊缝2,最后焊满角焊缝3.这种焊接次序可以使翼板的对接焊缝预先受压应力,而腹板对接缝受拉应力.角焊缝留在最后焊可以保证腹板有一定的收缩余地,同时也有利于在翼板对接焊时采取反变形措施以防止角变形.试验证明,这样焊成的梁其疲劳强度比先焊腹板的梁高出30%.

3.2、预热法

焊接温差越大,残余应力越大,同时从组织转变来说,冷却越快组织应力也越大.预热可以达到减小温差和减慢冷却速度的目的,从而减小焊接应力.

焊件是否需要预热,主要是根据钢材的化学成分,厚度和结构刚度等方面来考虑.而预热温度的选择则主要是根据钢材的化学成分.

一般说钢材含合金元素越多,越容易形成淬硬组织;而合金元素含量越多的钢材,就越需要预热,同时预热温度也要偏高.

钢板越厚越要求预热.因为钢板越厚散热越快,则冷却越快,就越需要预热来减慢冷却速度.所以对一些含合金元素较低的钢种不需要预热,但具有一定厚度时就要增加一道预热工序.

刚度越大的结构,越需要预热.因为结构的刚度越大,焊缝收缩所受到的制约也越大,应力就越严重,所以需要通过预热来降低焊接应力.

转向架焊接生产中,较常用的预热方法是氧—乙炔焰预热.在国外(日本)的转向架生产企业,也普遍采用此类方法.在正式焊接前对焊接件进行预热,主要的预热部位为重要结构的焊缝周围,通常在焊缝的背部进行.这种方式即有预热的作用,还起到了焊接反变形作用.

3.3、同步收缩法

焊缝(确切地说是有效区段)的收缩受到旁边冷金属的牵制而形成拉应力,也就是说,有效区段旁边的较冷的金属不允许它收缩而形成较大的应力,如果我们采取适当的工艺措施,使能允许它或者部分地允许它收缩,就可以免除或者部分地免除残余焊接应力.同步收缩法就是基于这个原理所采取的工艺措施.下面用实例介绍,在地铁感应板的焊接生产中,控制焊接应力是比较重要的工作.因为感应板为梁结构(见图2)在焊接复合板和角钢之间的通长焊缝时很容易引起焊接变形,导致整个感应板扭曲,并产生焊接应力.这时就有必要采取同步收缩法,减轻这样的焊接变形.我们同时在感应板两侧同时进行焊接,这样感应板两侧的焊缝同时加热,同时冷却,就达到了同步收缩的目的.


4.消除焊接应力的方法

消除焊接应力的方法主要有热处理法,机械法和振动法等.

4.1、热处理法

主要是指焊后进行退火处理.焊件是否需要热处理主要应考虑钢板的化学成分、钢板厚度、结构刚性和使用条件等方面.消除应力退火分整体退火和局部退火.目前转向架焊接生产中主要采用的就是整体退火法.

但值得注意的是,退火法对消除焊接变形是无能为力的,甚至相反,退火不当还会增加工件的变形,因为在高温时材料容易变形,所以要求采取顶防措施,如放置平稳和增加垫块等方法.

4.2、机械法

以上讲到的热处理法只能消除应力,而对消除焊接变形无能为力,甚至热处理不当时反而产生新的变形,而机械法消除应力则往往也同时减少了变形.如对焊缝及近缝区施加外力,这种机械消除应力方法就能达到上述的效果.

机械法其中一种常见形式“锤击法”,是基于使有效区产生塑性变形的机械消除应力的方法,所谓“锤击法”就是用小锤或装有圆头的风对焊缝进行锤击.风应垂直于焊缝,同时风力不要过大.

机械消除应力法还有另一种形式,就是对焊接结构实行有控制的过载,也就是使构件承受比正常工作状态下大的载荷,使构件产生局部的屈服,以降低焊接应力.施加的过载量越大,效果也就越好,如加的过载使整体达到屈服,残余应力也就全部消除.对于那些不能采用热处理方法来消除应力的工件,过载法是比较好的一种方法.

4.3、振动法

振动法是通过低频振动来消除应力的.振动法不会降低材料的屈服极限、抗拉强度.它还具有设备简单,能量消耗少,操作方便,需要时间短,不破坏工件表面状况以及不产生公害等优点,但目前国内机车行业采用的还较少.

5.结束语

焊接是从实践中发展起来的一门科学,经历了多年生产经验的积累;焊接受影响因素较多,一些工艺参数的变化将会导致焊接要素的不确定,因此焊接构件采用哪种方法控制应力,应进行具体分析.根据分布情况、产品用途、生产条件等状况,选择适用的一种或多种相结合的控制措施,各扬其长、各得其所,从而达到既保证安全可靠又经济适用的目的.

铁路客车铝合金焊接工艺应力控制参考属性评定
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