轨道车辆铝合金MIG焊搭接接头应力及变形研究

王海 邱齐宇 郭玉宇 墨祥 张华

摘要：为了降低城市通勤压力，越来越多的地区，投入大量资源进行轨道车辆项目的规划、建设。铝合金作为一种复合型材料，其结构强度较高、可塑性较好、加工难度较低，因此成为现阶段主流的轨道车辆合金组件。考虑到轨道车辆的加工需求，目前往往采取熔化极惰性气体保护焊技术体系，对轨道车辆结构进行加工处理，旨在构建起科学、完善的焊接机制，有效防范铝合金焊接过程中的变形情况的出现，保证铝合金焊接成效。

关键词：轨道车辆；铝合金；MIG焊接

1 铝合金MIG焊接工艺参数分析

对铝合金MIG焊接工艺参数的梳理以及分析，有助于制造企业以及工作人员在思维层面形成正确的认知，把握技术手段的主要参数，为后续应力有限元分析以及变形仿真结果的掌控奠定坚实基础。

1.1 铝合金焊接特点

从过往经验来看，铝合金在焊接的过程中，极易出现氧化的情况，生产氧化铝等杂质，由于氧化铝熔点较好，性状不稳定，去除难度较高，因此如果没有采取必要的焊接技术工艺进行应对处理，势必增加铝合金焊接过程中母材的熔化以及融合，对整个焊接工作的成效造成妨害。从相关研究结构公布的数据来看，铝合金的线性膨胀系数约为碳素钢的两倍以上，在高温下，铝合金形变量较大，所以在实际的焊接过程中，要求相关企业以及工作人员，做好必要的预防工作，以此避免铝合金在焊接过程中，出现裂缝，影响铝合金焊接件的整体性。

1.2 铝合金MIG焊接工艺参数

MIG焊接作为一种新型焊接工艺，将外加气体作为焊接电弧的作用介质，通过必要的技术手段，对金属熔滴、焊接熔池以及焊接区高温金属进行科学化处理应对，是目前完备高效的焊接技术。在实际焊接过程中，借助于直流CV焊接电源或者脉冲焊接带能源，使用技术较为成熟，焊接效果稳定可靠的推拉式焊枪，对焊接母材进行处理。与传统的焊接技术相比，MIG焊接工艺可以实现对所有类型金属的焊接，尤其适合对铝合金、铜合金以及不锈钢等金属的焊接处理，在整个焊接过程中，基本上不会产生氧化铝等残渣，焊接效果较好。同时MIG焊接使用的焊接耗材整体成本偏低，在实际生产过程中，有着更强的实用性。但是必须清楚地认识到MIG焊接使用的氩气作为介质，尽管其为惰性气体，不会与焊接母材等相关材料发生化学反应，但是在焊接过程中，仍需要组织人员对焊接母材、焊接焊丝的表面进行清洁处理，确保表面区域的油污、铁锈被及时清除，以免影响最终的焊接效果。

2 铝合金MIG焊搭接头应力有限元分析

2.1 铝合金MIG焊接应力分析准备工作

为更好地分析、掌握铝合金在MIG焊接过程中，焊接搭头的应力分布以及变化情况，选取研究一定规格的铝合金作为研究对象，通过对焊搭接头相关数据的汇总，开展有限元分析，实现对应力的全面掌控。在这一思路的指导下，选择现阶段轨道交通项目施工过程中，较为常用的6005A-T6型号铝合金作为研究对象，根据MIG焊接工艺的参数要求，对焊丝的参数、类别进行了必要的细化，同时将氩气作为保护气体，在研究活动开展之初，为了保证研究结果的真实性、可靠性，工作人员提前对焊接母材的表面进行了清洁处理，使用砂轮机对焊接母材进行了必要的打磨，并在此基础上，使用丙酮进行擦拭，并在20摄氏度的温度下，进行焊接部位的干燥处理。考虑到整个研究活动的真实性、有效性，工作人员需要对焊接温度、焊接参数的盈利开展必要的测定工作，对相关数据信息进行掌握。在实际操作过程中，工作人员使用K型热点偶测温设备对焊接过程中的焊接温度进行测定，基于研究结果准确性以及易操作性的考量，工作人员需要使用砂纸对铝合金粘结焊接位置进行打磨处理，同时电偶粘贴固定的位置，应当保持在焊接缝中心区域的10毫米、26.3毫米以及50.3毫米的距离上，并对这三个点的位置进行测温处理。这种温度测定方式的准确性较高，很好地满足了铝合金MIG焊接过程中，温度测定的相关要求，实现温度变化趋势的科学呈现。为了准确获取，铝合金MIG焊接过程中，焊接搭头区域应力的变化情况，在整个研究过程中，需充分认识到，焊接母材以及焊丝由于存在不均匀加热情况的存在以及工装夹的约束作用，在焊接区域会出现一定的应力残余，应力残余的存在，导致铝合金焊接区域发生形变。为了准确测定焊接区域残存应力的大小，工作人员可以采用盲孔法应力测试仪对残存应力进行数值分析。

2.2 铝合金MIG焊搭接头有限元分析途径

铝合金MIG焊搭接头有限元分析的过程中，为确保分析成效，工作人员往往借助于计算机等设备，根据铝合金母材的实际尺寸，建立几何模型，并对模型开展网格划分，为有限元分析奠定坚实基础。具体来看，在焊接工作完成后，根据焊接搭头的实际尺寸，创建与铝合金板材大小一致的几何模型。

通过几何模型的构建，便捷了有限元计算工作开展的难度，实现了各项数据计算以及分析的准确性。从过往经验来看，在有限元分析的过程中，几何模型越真实、网格尺寸越精密，计算精度越大，越符合实际的使用需求。为了确保有限元分析，与实际的铝合金焊接相衔接，在实际的有限元分析过程中，工作人员需要结合实际，对网格进行细化处理。通过这种方式，为后续力学模型的构建以及应力分析奠定坚实基础。在有限元应力模型构建的过程中，可以采用解耦法以及热机耦合算法等多种手段，通过必要的数学模型以及算法，将焊接过程中，焊搭区域的应力变化，以更为直观的方式呈现出来，便于开展后续的研究工作，通过这种手段，为应力的消除提供方向性引导。在这一思路的指导下，工作人员可以采用d{β}=[D]d{α}-{C}d T计算公式，对整个铝合金MIG焊接过程中，应力变化情况进行分析计算。其中d{β}表示焊接过程中，铝合金的应力增加量，[D]表示焊接区域，弹性常数，{C}表示焊接过程中，焊接区域的温度变化。通过这种方式，建立起完善的有限元分析模型，工作人员能够较短的时间内，掌握焊接区域应力的分布情况，为后续参与应力的处理以及变形的应对提供了方向性引导，增强了相关工作的针对性、有效性。

3 铝合金MIG焊搭接头变形仿真结果分析

铝合金MIG焊搭接头变形情况的分析，需要借助于仿真分析的方式，采取切实手段，掌握铝合金MIG焊搭接头变形的特性，掌握焊接过程中的变形情况，分析焊接变形趋势，为焊搭接头变形地应对、处理提供方向性引导。

为实现铝合金MIG焊搭接头变形的科学分析，工作人员在研究过程中，可以借助于有限元分析的研究场景，有针对性地根据变形仿真结果的分析情况，制定研究方案，打造变形仿真研究机制。在这一思路的指导下，工作人员需要做好铝合金焊接温度场的模拟以及对比工作，焊接过程中，需要将获取的温度数据，进行获取以及分析，借助于计算机等设备，进行焊接区域等温线的设置，通过等温线的绘制，帮助工作人员，科学掌握焊接区域的温度变化以及分布情况，考虑到焊接过程中，温度与形变之间的关系，并且在焊接过程中，温度变化较为显著，因此在铝合金焊接温度环境模拟过程中，需要持续关注焊接区域的温度变化，当温度变化较为稳定时，停止数据的提取。

4 结语

轨道车辆在铝合金MIG焊搭接头应力处理以及变形控制，对于整个轨道车辆生产制备工作成效的提升有着极大的裨益。在有限元分析以及仿真分析的框架下，制造加工企业以及相关工作人员能够掌握铝合金MIG焊搭接头应力以及变形情况，为后续应对方案的制定以及相关技术的应用提供方向性引导。

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