CN106181220A - 一种铝合金焊后火焰调修工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金焊后火焰调修工艺，采用热模拟试验机模拟铝合金火焰调修热循环过程，综合显微硬度、拉伸力学性能、微观组织以及疲劳寿命，确定铝合金焊后火焰调修参数；同时基于热弹塑性有限元法模拟火焰调修过程，建立火焰调修变形量与加热温度、加热宽度、高温停留时间的关系。针对高速列车铝合金车体关键部件实际焊后变形制定最佳的火焰调修工艺。该方法可以实现数字化火焰调修，替代传统的人工经验型火焰调修作业，同时可以准确、全面地评估高速列车铝合金车体关键部件的焊后火焰调修过程，确保铝合金车体关键部件在实际运行中的安全性，在高速列车铝合金车体生产中具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于铝合金车体制造领域，具体地说，涉及一种铝合金焊后火焰调修工艺。
背景技术
车辆轻型化是高速列车的一个重要发展方向。铝合金以其优良的挤压性能、良好的可焊性等特点逐渐成为高速列车制造的首选材料，为了减重提速，需要采用轻体薄板铝合金材料。国内的高速列车生产企业在引进消化吸收国外先进技术的同时，通过自主创新逐渐解决了铝合金大型中空型材的生产加工技术后，大量的采用铝合金大型中空型材生产铝合金车体。高速列车铝合金车体关键部件如底架、侧墙、车顶等一般采用数块与车体等长的大幅面中空挤压铝型材插接组焊而成，焊缝均为规则的纵向长直平行焊缝，易于实现自动焊接。但由于铝合金的导热性好，线膨胀系数高，尽管在焊接过程中采用刚性固定法、反变形法以及焊接工艺优化等措施，焊后仍然产生较大的焊接变形，影响结构的尺寸精度和后续的装配，往往需要焊后调修减小变形量。
火焰调修是目前铝合金车体关键零部件焊后调修最常用的一种方式，由于无法制定精确的火焰调修工艺规程，至今高速列车车体生产中该项任务主要依靠老技术工人的实践经验来完成。但是在实际火焰调修中，工艺文件中只给出下火最高温度与检测方法，具体怎样矫形，矫形量多少等没有具体明确，火焰调修温度和次数对材料静载及动载性能的影响没有明确的鉴定，火焰调修后结构的安全性没有严格评定。
中国专利CN103624478A公开了一种铝合金车体地板火焰调修工艺，包括以下步骤：1)用样板对车体底板焊缝区域进行检测；2)在检测不合格处标出调休区域；3)分别用120℃和150℃的测温蜡笔在调修区域画出线条；4)将调修火焰调成中性火焰，蓝火长10-15mm，用蓝火焰调成中性火焰，蓝火长10-15mm，用蓝火焰尖端对焊缝进行加热，加热速度控制在50-90cm/min，加热温度控制在120℃-150℃；5)加热完成后，冷却车体地板至室温；6)对车体地板进行检测：若检测合格，调修结束，若检测不合格，重复步骤2)-4)，直至车体地板调修合格。但该方法事先确定一个火焰调修温度范围，依靠人工经验制定调修工艺，调修效果通过样板检测进行确定，火焰调修对车体结构的使用性能没有评估。
姜澜等在《材料热处理学报》(2003(2)：59-61)上发表的“火焰矫形对高速列车用铝合金焊接接头组织和性能的影响”中，采用火焰加热的方法研究不同加热温度对焊接接头拉伸强度、硬度及微观组织结构的影响。但是火焰加热试样表面，通过热传导沿厚度方向传递，很难保证沿厚度方向的温度均匀性，对研究结果产生很大的不确定性；另外，论文没有对铝合金的动载性能进行评估。
综上所述，现有的高速列车铝合金车体关键部件焊后火焰调修工艺的制定均基于人工经验，采用火焰加热的方法评估加热温度对铝合金材料力学性能和组织的影响存在很大的缺陷。在火焰调修的工艺参数中，加热温度，矫形次数、高温停留时间等均会影响铝合金的微观组织和力学性能，因此迫切需要一种高速列车铝合金车体关键部件焊后火焰调修工艺。
鉴于以上原因，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供了一种铝合金焊后火焰调修工艺，该工艺可以准确、全面地评价铝合金焊后火焰调修工艺、调修效果及结构的使用安全性，实现数字化火焰调修替代人工经验型火焰调修作业。
本发明采用技术方案的基本构思是：一种铝合金焊后火焰调修工艺，包括如下步骤：
(1)制备铝合金拉伸试样；
(2)将试样安装到热模拟试验机上，设定多个不同的最高加热温度分别模拟火焰调修的热循环过程，加热完后采用水冷至室温；得到多个经过不同的最高加热温度加热并冷却后的试样，每个试样对应一个最高加热温度；
(3)针对经过步骤(2)得到的多个试样，将试样表面研磨，测量试样中心位置的显微硬度，建立显微硬度和热循环温度之间的关系；
(4)针对经过步骤(2)得到的多个试样，将试样在拉伸试验机上进行拉伸试验，测定在不同温度的热循环后试样力学性能，分别建立力学性能与热循环温度之间的关系；
(5)针对经过步骤(2)得到的多个试样，截取试样中心位置的材料，分析热循环后的微观组织；
(6)结合上述试样的显微硬度、力学性能和微观组织，确定铝合金的火焰调修参数中的最高加热温度应不高于步骤(2)中设定的多个不同的最高加热温度中的某一最高加热温度Tn；
(7)采用热弹塑性有限元法模拟火焰调修的变形量，建立变形量与火焰调修参数的关系，根据变形量预定火焰调修参数；
(8)加工疲劳试样，根据步骤(7)预定的火焰调修参数进行热循环试验，并对疲劳试样进行疲劳试验，评估铝合金焊后火焰调修的安全性；
(9)若评估安全性合格，调修结束，将步骤(7)中的预定火焰调修参数作为确定的火焰调修参数；
若评估安全性不合格，选择步骤(6)中低于确定的最高加热温度Tn的另一最高加热温度Tm及其对应的试样，重复步骤(7)-(9)，直至铝合金火焰调修合格。
进一步的，步骤(1)中的试样的尺寸同时满足热模拟试验机和拉伸试验机的要求，所述的试样为铝合金母材和\或焊缝连接处的铝合金。
其中，试验的尺寸的大小根据不用的热模拟试验机和拉伸试验机的型号具体而定。
进一步的，步骤(2)中热模拟试验条件采用不同的加热温度、加热速度和加热宽度。
进一步的，步骤(2)中热循环为按照火焰调修的温度曲线设定的，以不同的最高温度进行的多次热循环，热循环的最高温度为100℃-500℃。
进一步的，步骤(4)中的力学性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和弹性模量。
进一步的，步骤(7)中火焰调修参数包括加热温度、加热速度和加热宽度。
进一步的，步骤(7)中调修参数还包括高温停留时间。
进一步的，步骤(8)中的铝合金焊后火焰调修的安全性的评估为：采用热模拟试验模拟火焰调修的热循环过程，热模拟试验的条件为预定的火焰调修参数，建立疲劳寿命与火焰调修参数的关系，根据测定的疲劳寿命的数值与规定的数值范围进行对比，若疲劳寿命的数值在规定的数值范围内，则评估安全性合格。
若测定的疲劳寿命在规定的范围之内，说明预定的火焰调修参数是正确的，停止调修，则步骤(7)中的预定火焰调修参数作为确定的火焰调修参数；如果测定的疲劳寿命不在规定的数值范围之内，则继续调修火焰参数，重复步骤(7)-(9)，直至铝合金火焰调修合格。
进一步的，步骤(8)中疲劳试样的尺寸满足热模拟试验机的要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明火焰调修热过程采用热模拟试验机进行模拟，可以准确地控制热循环过程，火焰调修工艺根据静载性能、动载性能以及微观组织进行综合评价，采用热弹塑性有限元法模拟火焰调修过程，建立火焰调修变形量与火焰调修工艺参数的关系，制定火焰调修工艺方案，实现铝合金高速列车关键部件数字化火焰调修。
附图说明
图1：本发明拉伸试样图；
图2：本发明实施例1中火焰调修温度为250℃的热循环曲线；
图3：本发明实施例1中A6N01铝合金显微硬度与火焰调修温度之间的关系曲线；
图4：本发明实施例1中A6N01铝合金拉伸力学性能与火焰调修温度之间的关系曲线；
图5a：本发明实施例1中A6N01铝合金母材的微观组织图；
图5b：本发明实施例1中A6N01铝合金火焰在200℃调修后的微观组织图；
图5c：本发明实施例1中A6N01铝合金火焰在250℃调修后的微观组织图；
图5d：本发明实施例1中A6N01铝合金火焰在300℃调修后的微观组织图；
图5e：本发明实施例1中A6N01铝合金火焰在500℃调修后的微观组织图；
图6a：本发明实施例1中A6N01铝合金火焰调修变形量与加热温度的关系曲线；
图6b：本发明实施例1中A6N01铝合金火焰调修变形量与加热宽度的关系曲线；
图6c：本发明实施例1中A6N01铝合金火焰调修变形量与高温停留时间的关系曲线；
图7：本发明中疲劳试样图；
图8：本发明铝合金焊后火焰调修工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。
下面结合具体的铝合金材料，进一步说明铝合金焊后火焰调修工艺，本发明的铝合金焊后火焰调修工艺流程图如图8。
实施例1
A6N01铝合金母材火焰调修工艺，具体过程如下：
(1)将A6N01铝合金加工成如图1所示的拉伸试样，试样尺寸既要满足热模拟试验机要求，也要满足拉伸试验机的要求，制备6个相同的试样；
(2)将试样分别安装到热模拟试验机上，采用零应力控制，按照火焰调修温度曲线设置热循环过程，最高温度分别设为150℃、200℃、225℃、250℃、300℃、500℃，加热完成后采用水冷至室温，图2是最高矫形温度为250℃时的热循环曲线；
(3)热循环试验后，将6个试样分别进行表面研磨，测量每个试样中心位置的显微硬度，建立显微硬度与火焰调修温度之间的关系，如图3所示，随着温度的增加，显微硬度单调递减，当温度超过250℃后，显微硬度快速减小；
(4)将6个试样在ZWICK试验机上进行拉伸试验，测量不同温度循环后材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量，建立力学性能与火焰调修温度之间的关系，如图4所示，随着温度的增加，屈服强度、抗拉强度、延伸率逐渐减小，当温度超过250℃后，快速降低；
(5)分别截取6个试样中心位置的材料，分析热循环后的微观组织，如图5a-5e所示，随着温度的增加，晶粒明显粗大，晶粒大小不均，析出相分散不均匀，并且出现明显的偏聚长大，当温度超过250℃后，偏聚现象严重；
(6)结合显微硬度、力学性能和微观组织，确定A6N01铝合金的火焰调修温度范围，确定A6N01铝合金火焰调修温度应不超过250℃；
(7)采用热弹塑性有限元法模拟火焰调修的变形量，建立变形量与火焰调修参数的关系，图6显示了火焰调修变形量与加热温度、加热宽度、高温停留时间的关系，根据变形量预定火焰调修参数；
(8)加工疲劳试样，如图7所示，进行疲劳试验，采用热模拟试验模拟火焰调修的热循环过程，热模拟试验的条件为预定的铝合金的火焰调修参数，建立疲劳寿命与火焰调修参数的关系，根据测定的疲劳性能的相关的数值与规定的数值进行对比，评估调修参数是否正确，从而评估铝合金焊后火焰调修后的安全性。
(9)若评估安全性合格，调修结束，将步骤(7)中的预定火焰调修参数作为确定的火焰调修参数；
若评估安全性不合格，选择低于确定的最高加热温度250℃的另一最高加热温度Tm及其对应的试样，重复步骤(7)-(9)，直至铝合金火焰调修合格。
实施例2
A6N01铝合金焊缝处火焰调修工艺，具体过程如下：
(1)将A6N01铝合金加工成如图1所示的拉伸试样，试样尺寸既要满足热模拟试验机要求，也要满足拉伸试验机的要求，制备5个相同的试样；
(2)分别将试样安装到热模拟试验机上，采用零应力控制，先模拟试样焊接热循环过程，获得焊缝金属，然后按照火焰调修温度曲线设置热循环过程，最高温度分别设为150℃、200℃、225℃、250℃、300℃，加热完成后采用水冷至室温；
(3)热循环试验后，将5个试样分别进行表面研磨，测量每个试样中心位置的显微硬度，建立显微硬度与火焰调修温度之间的关系；
(4)将5个试样在ZWICK试验机上进行拉伸试验，测量不同温度循环后材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量，建立力学性能与火焰调修温度之间的关系；
(5)分别截取5个试样中心位置的材料，分析热循环后的微观组织；
(6)结合显微硬度、力学性能和微观组织，确定A6N01铝合金的火焰调修温度范围，确定火焰调修的最高温度为Tn；
(7)采用热弹塑性有限元法模拟火焰调修的变形量，建立变形与火焰调修参数的关系，根据变形量预定火焰调修参数；
(8)加工疲劳试样，采用热模拟试验模拟火焰调修的热循环过程，热模拟试验的条件为预定的铝合金的火焰调修参数，建立疲劳寿命与火焰调修参数的关系，根据测定的疲劳性能的相关的数值与规定的数值进行对比，评估调修参数是否正确，从而评估铝合金焊后火焰调修后的安全性。
(9)若评估安全性合格，调修结束，将步骤(7)中的预定火焰调修参数作为确定的火焰调修参数；
若评估安全性不合格，选择低于确定的最高加热温度Tn的另一最高加热温度Tm及其对应的试样，重复步骤(7)-(9)，直至铝合金火焰调修合格。
实施例3
A7N01铝合金母材火焰调修工艺，具体过程如下：
(1)将A7N01铝合金加工成如图1所示的拉伸试样，试样尺寸既要满足热模拟试验机要求，也要满足拉伸试验机的要求，制备5个相同的试样；
(2)分别将试样安装到热模拟试验机上，采用零应力控制，按照火焰调修温度曲线设置热循环过程，最高温度分别设为250℃、275℃、300℃、350℃、500℃，加热完成后采用水冷至室温；
(3)热循环试验后，将5个试样分别进行表面研磨，测量试样中心位置的显微硬度，建立显微硬度与火焰调修温度之间的关系；
(4)将5个试样在ZWICK试验机上进行拉伸试验，测量不同温度循环后材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量，建立力学性能与火焰调修温度之间的关系；
(5)分别截取5个试样中心位置的材料，分析热循环后的微观组织；
(6)结合显微硬度、力学性能和微观组织，确定A7N01铝合金的火焰调修温度范围，确定火焰调修的最高温度为Tn；
(7)采用热弹塑性有限元法模拟火焰调修的变形量，建立变形与火焰调修参数的关系，根据变形量预定火焰调修参数；
(8)加工疲劳试样，采用热模拟试验模拟火焰调修的热循环过程，热模拟试验的条件为预定的铝合金的火焰调修参数，建立疲劳寿命与火焰调修参数的关系，根据测定的疲劳性能的相关的数值与规定的数值进行对比，评估调修参数是否正确，从而评估铝合金焊后火焰调修后的安全性。
(9)若评估安全性合格，调修结束，将步骤(7)中的预定火焰调修参数作为确定的火焰调修参数；
若评估安全性不合格，选择低于确定的最高加热温度Tn的另一最高加热温度Tm及其对应的试样，重复步骤(7)-(9)，直至铝合金火焰调修合格。
实施例4
A6N01铝合金多次火焰调修工艺，具体过程如下：
(1)将A6N01铝合金加工成如图1所示的拉伸试样，试样尺寸既要满足热模拟试验机要求，也要满足拉伸试验机的要求，制备4个相同的试样；
(2)分别将试样安装到热模拟试验机上，采用零应力控制，按照火焰调修温度曲线设置热循环过程，最高温度分别设为200℃、225℃、250℃、300℃，分别进行1次。2次、3次、5次热循环，模拟A6N01铝合金在不同温度下的多次矫正过程；
(3)热循环试验后，将4个试样分别进行表面研磨，测量试样中心位置的显微硬度，建立显微硬度与火焰调修温度之间的关系；
(4)将5个试样在ZWICK试验机上进行拉伸试验，测量不同温度循环后材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量，建立力学性能与火焰调修温度之间的关系；
(5)分别截取5个试样中心位置的材料，分析热循环后的微观组织；
(6)结合显微硬度、力学性能和微观组织，确定A6N01铝合金的火焰调修温度范围，确定火焰调修的最高温度为Tn；
(7)采用热弹塑性有限元法模拟火焰调修的变形量，建立变形与火焰调修参数的关系，根据变形量预定火焰调修参数；
(8)加工疲劳试样，采用热模拟试验模拟火焰调修的热循环过程，热模拟试验的条件为预定的铝合金的火焰调修参数，建立疲劳寿命与火焰调修参数的关系，根据测定的疲劳性能的相关的数值与规定的数值进行对比，评估调修参数是否正确，从而评估铝合金焊后火焰调修后的安全性。
(9)若评估安全性合格，调修结束，将步骤(7)中的预定火焰调修参数作为确定的火焰调修参数；
若评估安全性不合格，选择低于确定的最高加热温度Tn的另一最高加热温度Tm及其对应的试样，重复步骤(7)-(9)，直至铝合金火焰调修合格。
Claims (9)
1.一种铝合金焊后火焰调修工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备铝合金拉伸试样；
(2)将试样安装到热模拟试验机上，设定多个不同的最高加热温度分别模拟火焰调修的热循环过程，加热完后采用水冷至室温；得到多个经过不同的最高加热温度加热并冷却后的试样，每个试样对应一个最高加热温度；
(3)针对经过步骤(2)得到的多个试样，将试样表面研磨，测量试样中心位置的显微硬度，建立显微硬度和热循环温度之间的关系；
(4)针对经过步骤(2)得到的多个试样，将试样在拉伸试验机上进行拉伸试验，测定在不同温度的热循环后试样力学性能，分别建立力学性能与热循环温度之间的关系；
(5)针对经过步骤(2)得到的多个试样，截取试样中心位置的材料，分析热循环后的微观组织；
(6)结合上述试样的显微硬度、力学性能和微观组织，确定铝合金的火焰调修参数中的最高加热温度应不高于步骤(2)中设定的多个不同的最高加热温度中的某一最高加热温度Tn；
(7)采用热弹塑性有限元法模拟火焰调修的变形量，建立变形量与火焰调修参数的关系，根据变形量预定火焰调修参数；
(8)加工疲劳试样，根据步骤(7)预定的火焰调修参数进行热循环试验，并对疲劳试样进行疲劳试验，评估铝合金焊后火焰调修的安全性；
(9)若评估安全性合格，调修结束，将步骤(7)中的预定火焰调修参数作为确定的火焰调修参数；
若评估安全性不合格，选择步骤(6)中低于确定的最高加热温度Tn的另一最高加热温度Tm及其对应的试样，重复步骤(7)-(9)，直至铝合金火焰调修合格。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金焊后火焰调修工艺，其特征在于，步骤(1)中的试样的尺寸同时满足热模拟试验机和拉伸试验机的要求，所述的试样为铝合金母材和\或焊缝连接处的铝合金。
3.根据权利要求1或2所述的一种铝合金焊后火焰调修工艺，其特征在于，步骤(2)中热模拟试验条件采用不同的加热温度、加热速度和加热宽度。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金焊后火焰调修工艺，其特征在于，步骤(2)中热循环为按照火焰调修的温度曲线设定的，以不同的最高温度进行的多次热循环，热循环的最高温度为100℃-500℃。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金焊后火焰调修工艺，其特征在于，步骤(4)中的力学性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和弹性模量。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金焊后火焰调修工艺，其特征在于，步骤(7)中火焰调修参数包括加热温度、加热速度和加热宽度。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金焊后火焰调修工艺，其特征在于，步骤(7)中调修参数还包括高温停留时间。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金焊后火焰调修工艺，其特征在于，步骤(8)中的铝合金焊后火焰调修的安全性的评估为：采用热模拟试验模拟火焰调修的热循环过程，热模拟试验的条件为预定的火焰调修参数，建立疲劳寿命与火焰调修参数的关系，根据测定的疲劳寿命的数值与规定的数值范围进行对比，若疲劳寿命的数值在规定的数值范围内，则评估安全性合格。
9.根据权利要求1或8所述的一种铝合金焊后火焰调修工艺，其特征在于，步骤(8)中疲劳试样的尺寸满足热模拟试验机的要求。
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