朱佃坤

（山東鑫亞工業(yè)股份有限公司，山東 聊城 252000）

鋁合金倉儲箱是近年來產(chǎn)生的運輸設(shè)備，其規(guī)格和形狀基本上都有了固定的規(guī)范，因此，在進行焊接工藝操作時，要充分考慮焊接的先后順序。從總體設(shè)計上，包括側(cè)墻總成和底板系統(tǒng)，都經(jīng)過了拼裝焊接而得到。由于側(cè)壁板的設(shè)計流程比較煩瑣，是利用鋁合金的空心材料加壓焊接而成，需要在多次更新優(yōu)化步驟下，使其能夠滿足生產(chǎn)要求[1]。在數(shù)字化手段逐漸成熟的勢態(tài)下，世界各地對于焊接方法的選擇越來越多樣化，按工作原理分為四種方式。其中對于固定點位的焊接，主要采用閃電焊接，在電阻加熱的方式下，使得接觸點中會產(chǎn)生閃光，使得材料表面全部熔化，通過深度范圍內(nèi)置壓力焊接。對現(xiàn)場聯(lián)合焊接情況，會采用氣壓焊接的方式，是指在氣體燃料的熱能產(chǎn)生時，將制備材料熔化到塑性狀態(tài)，再進行鍛頂壓力焊接[2]。

1 鋁合金倉儲箱側(cè)墻焊接難點分析

1.1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)更新頻繁難以明確合理焊接參數(shù)

一般來講對鋁合金的倉儲箱設(shè)計，為滿足運輸配送的基本要求，側(cè)墻的壁厚度不會超過1.4mm，而與之相連的上下梁切斷的厚度會在6mm 以上，從而形成搭接的接頭形式。由于倉儲箱呈現(xiàn)裝配拼接的結(jié)構(gòu)，在進行側(cè)墻板設(shè)計時主要是保證平整度，需要其與上橫梁的設(shè)計為搭接接頭，可以為T字形接頭，與下橫梁的接頭也為搭接形式。內(nèi)部和外部的材料要均勻的焊滿，較薄的一側(cè)板墻焊腳尺寸不得超過2.4mm，厚板墻的焊腳尺寸不低于3.5mm[3]。

根據(jù)這樣的不等后的接頭樣式，在焊接過程中極容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的操作，影響后期的側(cè)墻板融合不佳問題，較薄的地方會燒穿。常規(guī)條件下鋁合金倉儲箱側(cè)墻的生產(chǎn)線，采用專機焊接進行工藝設(shè)定，通過MIG 專機焊接方法，對側(cè)墻板進行邊梁的焊接和補焊等工作。

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，在采用專機焊接的側(cè)墻工藝上，制作流程可以劃分為三個階段：第一是對裝配的側(cè)墻進行參數(shù)設(shè)定，測量出其與外墻板的距離，以及側(cè)墻的板角尺寸和連接尺寸[4]。第二是在樣板間進行拼焊和對接，將鋁合金材料內(nèi)表面進行斷續(xù)焊接，使其能夠與上下邊梁進行融合連接。第三是檢查焊接不穩(wěn)的缺口，進行多次的補焊和清理，一側(cè)焊接完后要翻轉(zhuǎn)側(cè)墻。對另一側(cè)進行焊接，將側(cè)墻板相鄰處之間形成嵌入式對接接頭。但由于倉儲箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不斷更新?lián)Q代，使用的材料厚度會發(fā)生變化，從而難以明確具體的焊接參數(shù)和順序，造成倉儲箱側(cè)墻的成品尺寸與實際需求不符，無法滿足圖紙的精度要求。

1.2 鋁合金材料導(dǎo)熱效率高致使接頭應(yīng)力復(fù)雜

以鋁合金材質(zhì)進行倉儲箱的打造，在側(cè)墻焊接過程中會形成不均勻的承載能力，產(chǎn)生大小不一的焊縫，按照成品的接收標準來看，需要在焊接接頭質(zhì)量等級中最低滿足D 級。焊接后要求為：側(cè)墻板的整合平整度要小于3.5mm，對角線誤差在±1.5mm 內(nèi)，整體側(cè)墻不會發(fā)生扭曲和變形。在此類情況下進行側(cè)板墻焊接，需要在焊接的內(nèi)部進行不斷變換，在可能產(chǎn)生焊縫的地方進行反復(fù)的焊接操作[5]。

在側(cè)墻和連接柱的中間加入對接頭后，便可采用有限元分析的方法，當(dāng)出現(xiàn)滿載狀況時進入緊急轉(zhuǎn)彎焊接，即使發(fā)生了變形后的對連接頭，仍存在有一定拉應(yīng)力。而反復(fù)的焊接過程，雖然可以加強側(cè)板墻的自身承載力，但較薄弱的接口部位容易產(chǎn)生燒穿問題，主要是焊接的溫度過大，而板材選料的過程較為單一，而較厚板材處為迎合較薄地點的焊接程度，又容易出現(xiàn)自然融合的缺陷問題，具體情況如圖1 所示。

圖1 側(cè)墻燒穿與未熔合狀態(tài)示意圖

根據(jù)圖1 中內(nèi)容所示，在進行焊接工藝選擇時，會受到鋁合金材料自身的性質(zhì)影響，由于其導(dǎo)熱的效率過大，在線性膨脹系數(shù)統(tǒng)一的情況下，過多地進行焊接操作，會造成焊接線能量過高，致使較薄側(cè)板墻的焊腳出現(xiàn)燒穿問題。當(dāng)產(chǎn)生問題后，以實際情況進行分析和測定，以電網(wǎng)的波動情況入手，焊接過程中會呈現(xiàn)出不同的問題，導(dǎo)致焊接后的側(cè)板墻接頭應(yīng)力復(fù)雜，不能在統(tǒng)一標準下進行應(yīng)用[6]。受焊接工藝不穩(wěn)定因素影響，在鋁合金倉儲箱側(cè)墻焊接中存在多個難點問題，使得制作的效率和工藝水平不能大幅度提升，需要花費大量的時間進行補救和整形，為此設(shè)計鋁合金倉儲箱側(cè)墻焊接工藝的優(yōu)化方法。

2 鋁合金倉儲箱側(cè)墻焊接工藝優(yōu)化方法

2.1 有限元網(wǎng)格劃分焊接參數(shù)

通過模型內(nèi)的有限元網(wǎng)格模塊，對焊接過程中鋁合金材料的物理屬性進行跟蹤和定位，使其在統(tǒng)一的溫度變化內(nèi)，能夠促進焊接縫隙和母材的屬性相一致。選擇初始側(cè)墻的制作規(guī)格，設(shè)定平板尺寸為600mm×600mm×52mm，在各部分組件劃分后精細化焊縫的對接[7]。

由于整個焊接過程包含了多條焊道，在制定焊接工藝參數(shù)時，需要考慮多種因素，才能夠保證焊接階段不出現(xiàn)損傷情況，避免返工和重焊的問題。各個焊道的層間溫度控制在190℃-260℃范圍內(nèi)，保證焊接接頭的尺寸不超過平板數(shù)字，分別對需要應(yīng)用的焊道參數(shù)進行設(shè)置，具體如表1 所示。

表1 鋁合金倉儲箱側(cè)墻焊接工藝參數(shù)

根據(jù)表中內(nèi)容所示，此次對焊接參數(shù)的設(shè)定取電壓和電流，以及焊接速度三個標準。焊道的劃分以有限元模型直接獲取，隨著電壓取值的升高，其對應(yīng)電流也會隨之增加，而在兩者均增加的情況下，焊接速度才會提升，因此三者呈現(xiàn)出正相關(guān)狀態(tài)[8]。而以焊道劃分為標準進行讀取，根據(jù)字母的排列順序?qū)?yīng)焊道先后位置，其中在越遠的位置焊道中，三個影響因素的參數(shù)標準數(shù)值越大。依據(jù)劃分好的焊接參數(shù)，制定焊槍的運動軌跡，進行焊接工藝的優(yōu)化設(shè)計。

2.2 規(guī)劃焊槍運動軌跡

完成特定影響參數(shù)設(shè)定后，在有限元模型內(nèi)模擬側(cè)墻焊接的過程，直接按照內(nèi)生熱源的方式，將整體倉儲箱側(cè)墻加熱到預(yù)設(shè)的溫度上進行熱處理，再對其他處理區(qū)域進行局部冷卻操作[9]。

而冷卻過程中會存在流速介質(zhì)，會對焊接的殘余應(yīng)力產(chǎn)生很大的消除抵制，需要考慮消除殘余應(yīng)力的放大，進行分階段的焊接操作。

以ABAQUS 生死單元為技術(shù)要點，對溫度場和應(yīng)力場進行耦合對峙，以同步時間內(nèi)的振幅曲線變化，獲取焊接熱源的移動規(guī)律，將熱量密度作為因變量進行計算，表達式如下：

公式中：熱量密度用z 來表示；焊接電弧的熱效率用X來表示，取值范圍在0.2≤X≤0.6 內(nèi)；電弧的電壓用c 來表示；對應(yīng)的焊接電流用v 來表示；焊接過程產(chǎn)生的焊縫截面面積用b 來表示；整體焊接速度用n 來表示。根據(jù)牛頓的冷卻定律，若假設(shè)在冷卻過程中沒有冷卻分流介質(zhì)，那么冷卻的區(qū)域內(nèi)能夠保證熱量系數(shù)不變，通常直接選擇與室溫相近的溫度作為模擬邊界[10]。

對鋁合金倉儲箱側(cè)墻的焊接過程，在保證焊槍的運動軌跡不出現(xiàn)偏差的基礎(chǔ)上，直接利用有限元模型進行焊接參數(shù)設(shè)置。至此在分析鋁合金倉儲箱側(cè)墻的焊接難點基礎(chǔ)上，通過有限元網(wǎng)絡(luò)劃分焊接參數(shù)，重新規(guī)劃焊槍的運動軌跡，完成側(cè)墻焊接工藝的優(yōu)化方法設(shè)計。

3 實驗測試與分析

為驗證此次設(shè)計的優(yōu)化方法具有實際應(yīng)用效果，能夠在鋁合金倉儲箱側(cè)墻焊接過程中，保證墻板焊接接頭的質(zhì)量，以此提高焊接效率，采用實驗測試的方法進行論證。以動車運載車廂為測試條件，其整組車體均為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，在左右兩側(cè)分別存在兩組側(cè)墻，一個是外端墻，另一個是內(nèi)端墻。兩者通過短側(cè)墻的焊接與左右側(cè)墻進行組合，形成箱型結(jié)構(gòu)，其中兩組側(cè)墻的厚度均為6mm，焊縫形式為外側(cè)6HV。按照以上設(shè)定進行動車車組的試制，保證粉干能夠與底板進行精密連接，并且外形輪廓要具備較高的平整度。

在試制過程中出現(xiàn)了平面度超標問題，得到的側(cè)墻尺寸不能滿足運輸要求，內(nèi)側(cè)墻板與焊腳處產(chǎn)生多處開裂，局部裂紋最大達到了42mm，最小也有12mm。將選擇的測試對象所有信息，上傳至MATLAB 測試平臺中，直接對首次制備過程進行參數(shù)分析，主要原因為焊接工藝與參數(shù)不匹配，在后續(xù)調(diào)節(jié)焊腳和焊縫時才會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

對上述制備條件和情況，能夠滿足此次實驗的要求，選擇兩組傳統(tǒng)優(yōu)化方法最為對照，與本文優(yōu)化方法進行對比，完成對該動車倉儲箱焊接工藝的優(yōu)化，使其能夠滿足精度要求。通過三組優(yōu)化方法進行測試，原有優(yōu)化方法的具體措施和流程，不額外進行闡述，直接對本文方法的工藝流程進行設(shè)定，如下：

（1）調(diào)整焊接順序：首先采用分段法對外側(cè)的3HV 焊縫，進行退焊焊接；其次利用跳焊的方式進行內(nèi)角焊縫焊接；最后對焊縫的長度控制需保證一致。

（2）匹配焊接參數(shù)：將焊接電流和電弧電壓，控制在對應(yīng)的標準焊接速度下，以焊鉗預(yù)熱的方式匹配焊道溫度，保證在焊縫融合的基礎(chǔ)上，較少熱量的集中匯集。

（3）統(tǒng)一裝配組件：對內(nèi)側(cè)板進行焊接時，同時考慮封板和側(cè)墻的緊密程度，減小接口處的焊接填充量，以此降低側(cè)板的變形量。

按照上述的步驟設(shè)定，以設(shè)置好的焊接參數(shù)進行動車組倉儲箱的側(cè)墻制備模擬，直接在平臺中引入模型制備軟件，具體模擬圖和實際成品效果，如圖2 所示。根據(jù)圖中內(nèi)容所示，本文設(shè)計的優(yōu)化方法能夠?qū)?cè)墻板進行圖像轉(zhuǎn)換，在對應(yīng)的問題發(fā)生點位上進行模擬，完成對倉儲箱側(cè)墻板的圖紙刻畫。以實物圖顯示結(jié)果可知，本文方法能夠?qū)附庸に囘M行優(yōu)化，在制備過程中基本沒有出現(xiàn)裂縫問題，且焊腳與焊腳之間的連接也非常流暢，具有實際應(yīng)用意義。

圖2 倉儲箱側(cè)墻制備過程

為進一步驗證本文方法的有效性，對三組優(yōu)化方法的工藝制備過程進行測試，以實際實物均能滿足運輸標準為基礎(chǔ)，對比不同的工藝優(yōu)化方法下，制備過程的返工次數(shù)。當(dāng)焊接接頭的應(yīng)力強度不足260MPA 時，會進行返工，其他條件均以原有設(shè)定為標準，以10 天的制備工期，具體測試結(jié)果如表2 所示。

表2 不同焊接工藝優(yōu)化方法下返工次數(shù)對比（次）

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在本文方法應(yīng)用下，基本上沒有出現(xiàn)返工的情況，而兩組傳統(tǒng)優(yōu)化方法下，均產(chǎn)生了數(shù)次返工，最多返工次數(shù)為5 次，若在給定的制備周期內(nèi)多次返工，會影響后續(xù)的焊接效率，延長側(cè)墻的制備周期，影響倉儲箱的成品組裝。綜合實驗結(jié)果來看：本次設(shè)計的優(yōu)化方法，能夠快速對涉及參數(shù)進行分析和匹配，選擇最合適的工藝順序進行焊接，保證接頭的返工次數(shù)降到最小，具有實際應(yīng)用效果。

結(jié)束語

本文以分析鋁合金倉儲箱側(cè)墻焊接難點為基礎(chǔ)，對焊接工藝進行優(yōu)化設(shè)計，通過有限元模型中的網(wǎng)格單位，進行多組參數(shù)劃分，完成對側(cè)墻焊接順序與工藝匹配，以此制定焊槍的運動軌跡，完成鋁合金倉儲箱側(cè)墻的焊接工藝優(yōu)化方法設(shè)計。實驗結(jié)果表明：以動車組鋁合金倉儲機身為測試對象，對其設(shè)定的成品參數(shù)進行制備，在本文方法下能夠產(chǎn)生較高的焊接精度，在側(cè)墻和焊腳之間基本沒有產(chǎn)生焊縫，且在按照設(shè)定的制備工期進行焊接時，沒有出現(xiàn)返工問題，具有實際應(yīng)用效果。

但由于本人時間有限，在研究過程中對測試環(huán)節(jié)的對比方面較為單一，所得結(jié)果具有一定偏差性，仍存在少許不足之處。后續(xù)研究過程中會針對此方面進行重新模擬，為倉儲箱的側(cè)墻焊接提供更科學(xué)的理論支持，保證焊接工藝的精度和效率。