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摘要：随着高速铁路客车的飞速发展，对铝合金车体的制造质量提出了更高的要求。因铝合金车体主要结构为焊接结构，而焊接产生的残余应力又直接决定焊缝的疲劳强度、焊接结构的稳定性等影响车体质量的关键因素，本文从铝合金材料的焊接特点着手，对焊接残余应力的产生原因、控制手段和消除方法进行了研究。
關键词：铝合金车体；焊接残余应力；控制措施；消除方法
前言
铝合金是现今工业生产中应用最为普遍的一种有色金属材料，其本身具有重量轻、抗低温、耐腐蚀、无磁性、弹性小等独特性能，凭借这些优良的性能，铝合金材料成为高速动车组车体制造材料的首选，但由于铝合金的热传导率高、焊接残余应力大、焊接变形大难以提高焊接质量而成为制造中的困难。本文根据公司生产实践简单分析介绍了铝合金材料焊接残余应力产生的原因、控制手段及纠正预防措施。
1、焊接残余应力
焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力，它随时间而变化；焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力。焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。铝合金材料因热传导率大，焊接后产生的残余应力相对较大，直接影响了焊接结构的稳定性以及焊缝的疲劳强度，进而影响车体制造的质量。
2、焊接残余应力的控制措施
焊接以后留下一定的残余应力是不可避免的，但是可以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。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：
2.1 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。如果在可能的情况下，将连续焊改成分段焊，并适当地改变焊接方向，以使局部焊缝造成的应力适当减小或相互抵消，以达到减少残余应力的目的。图1所示为平板拼接焊的焊接顺序，制定适合的焊接顺序能够很大程度上减少焊接残余应力提高焊接质量。
2.2 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。
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。
铝合金焊接生产中，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。
2.3 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，在高速动车组头车边梁的焊接生产中，控制焊接应力是比较重要的工作。因为头车边梁为U型梁补强板结构（见图2）在焊接补强板和边梁之间的焊缝时很容易引起焊接变形，导致整个结构扭曲，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。我们将两根边梁固定在一起，在边梁两侧同时进行焊接，这样补强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。
3、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。
3.1 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。
3.2 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枪对焊缝进行锤击。风枪应垂直于焊缝，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、结束语
铝合金材料的热传导率高，如何减少、控制焊接残余应力成为铝合金车体制造中重要课题。本文仅从理论上对铝合金焊接残余应力产生的原因进行了简单分析，并根据公司实际生产状况对如何减少、预防铝合金材料的焊接残余应力提出自己的一点见解，希望能在公司铝合金车体生产实践中得到进一步的验证和改进。
参考文献：
[1]中国机械工程学会焊接学会编《焊接手册》第1卷《焊接方法及设备》.机械工业出版社，1992年11月
[2]姜焕中编《电弧焊及电渣焊》.机械工业出版社，1995年10月
關键词：铝合金车体；焊接残余应力；控制措施；消除方法
前言
铝合金是现今工业生产中应用最为普遍的一种有色金属材料，其本身具有重量轻、抗低温、耐腐蚀、无磁性、弹性小等独特性能，凭借这些优良的性能，铝合金材料成为高速动车组车体制造材料的首选，但由于铝合金的热传导率高、焊接残余应力大、焊接变形大难以提高焊接质量而成为制造中的困难。本文根据公司生产实践简单分析介绍了铝合金材料焊接残余应力产生的原因、控制手段及纠正预防措施。
1、焊接残余应力
焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力，它随时间而变化；焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力。焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。铝合金材料因热传导率大，焊接后产生的残余应力相对较大，直接影响了焊接结构的稳定性以及焊缝的疲劳强度，进而影响车体制造的质量。
2、焊接残余应力的控制措施
焊接以后留下一定的残余应力是不可避免的，但是可以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。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：
2.1 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。如果在可能的情况下，将连续焊改成分段焊，并适当地改变焊接方向，以使局部焊缝造成的应力适当减小或相互抵消，以达到减少残余应力的目的。图1所示为平板拼接焊的焊接顺序，制定适合的焊接顺序能够很大程度上减少焊接残余应力提高焊接质量。
2.2 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。
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。
铝合金焊接生产中，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。
2.3 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，在高速动车组头车边梁的焊接生产中，控制焊接应力是比较重要的工作。因为头车边梁为U型梁补强板结构（见图2）在焊接补强板和边梁之间的焊缝时很容易引起焊接变形，导致整个结构扭曲，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。我们将两根边梁固定在一起，在边梁两侧同时进行焊接，这样补强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。
3、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。
3.1 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。
3.2 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枪对焊缝进行锤击。风枪应垂直于焊缝，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、结束语
铝合金材料的热传导率高，如何减少、控制焊接残余应力成为铝合金车体制造中重要课题。本文仅从理论上对铝合金焊接残余应力产生的原因进行了简单分析，并根据公司实际生产状况对如何减少、预防铝合金材料的焊接残余应力提出自己的一点见解，希望能在公司铝合金车体生产实践中得到进一步的验证和改进。
参考文献：
[1]中国机械工程学会焊接学会编《焊接手册》第1卷《焊接方法及设备》.机械工业出版社，1992年11月
[2]姜焕中编《电弧焊及电渣焊》.机械工业出版社，1995年10月