高速動車組鋁合金司機室焊接結構設計

張碩韶，白彥超，閻 鋒

（1.唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035；2.青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

0 前言

高速動車組鋁合金司機室作為頭車的一部分必須滿足四個方面的要求：一是滿足頭車氣動外形的要求；二是司機室各部件及其組成件的焊接結構設計要符合EN 15085[1]焊接標準；三是司機室需要有一定的強度與剛度，強度應滿足EN12663：2000[2]《鐵路應用——軌道車輛車體結構要求》的要求；四是司機室在工程化設計時要考慮開閉機構、外部照明設備、司機室旋轉窗和前風擋玻璃的設置與安裝，這些設備的外形要與氣動外形相吻合，司機室結構形式要滿足這些設備的安裝。

根據選定的頭車氣動外形，按照總體結構要求來確定鋁合金司機室部分的氣動外形，按自頂向下的設計原則，進行結構分拆，完成司機室的工程化設計。鋁合金司機室按照EN 15085焊接標準設計，母材選用符合DIN 5513[3]標準的5000系和6000系鋁合金，焊接材料按ISO 18273[4]標準進行選擇。司機室的焊接接頭型式按EN 15085進行設計，司機室大部分型材設計成自帶焊接墊板的型式，這種接頭型式可以很好的保護焊接熔池，焊接時因其自帶墊板，且墊板凹槽斷面一致，可以提高焊接質量。司機室由三維彎曲鋁型材和三維彎曲板材焊接而成，與頭車的底架、側墻、車頂組焊在一起，參與整體承載。為滿足司機室總成和焊接要求，將司機室設計成左右側墻、前墻、風擋玻璃框、車頂彎梁、車頂板和后框等幾部分，設計結構分拆和司機室總裝工藝是一一對應的，在司機室總組成時，車頂彎梁和車頂板是散裝的，能夠適應三維彎曲的大部件的最后組裝。按照EN 12663：2000《鐵路應用——軌道車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》[5]進行靜強度計算和試驗，司機室各處應力均小于彈性極限，滿足標準要求，司機室設計流程如圖1所示。

圖1 司機室設計流程

1 司機室母材及焊接材料的選擇

1.1 司機室母材

為滿足司機室鋁合金強韌性、焊接性、加工性和三維彎曲成形等綜合性能的要求，選用符合DIN 5513標準的5000系和6000系鋁合金，根據司機室各部位對鋁合金的特殊要求，對5000系和6000系的具體牌號和熱處理狀態進行了細分。

EN AW-5083擁有良好的焊接性能和抗腐蝕性。它在H111的狀態下，可塑性很好，但擠壓加工性較差，難以得到薄壁及中空型材。司機室前窗框周圍的三維板材選用EN AW-5083鋁合金。

EN AW-6005A合金既具有中等強度，相比其他如EN AW-6082或EN AW-6061合金，它可以擠壓出形狀更為復雜的產品，特別是對于薄壁空心型材更為明顯。司機室各彎梁、縱向梁和彎曲立柱等各骨架件，都是選用T4狀態下的EN AW-6005A合金型材先進行三維彎曲，再經熱處理到T6狀態。

EN AW-6008是在EN AW-6005A的基礎上發展起來的合金，這種合金的產品具有均勻一致的再結晶晶粒結構，能夠擠壓出復雜斷面的型材，在厚度小于等于8 mm時具有中等強度，并且可焊性良好，適合TIG和MIG焊。司機室帶加強筋的各側墻板、車頂板等件，都是選用T4狀態下的EN EN AW-6008合金型材先進行三維彎曲，再經熱處理到T6狀態。

EN AW-6082是一種熱處理后具備高強度的鋁合金，適用做空心型材，同時它有好的耐腐蝕性，對于MIG和TIG有很好的焊接性，在T4狀態時模鍛性很好，并且它的機械性能很好。司機室的防撞梁就是選用T6狀態下的EN AW-6082鋁型材。

司機室所選用的材料見表1。

表1 司機室選用的材料及其性能

1.2 焊接材料

鋁合金司機室是由鋁合金板材和型材拼焊的全焊接結構，由于鋁合金的特殊屬性，表現出它的焊接接頭有明顯的弱化傾向，一般來講，強化鋁合金的焊接接頭與母材相比強度會下降30%以上，試驗表明，6061-T6的臨界失效面抗拉強度約為母材初始值的0.59倍[6]，因此，選擇匹配的焊接材料來保證焊接接頭的質量就顯得尤為重要。

焊接材料（填充金屬）選擇考慮以下因素：

與母材的化學成分相兼容，例如焊接裂紋傾向；接頭力學性能要求（整體考慮焊接熱影響區和焊縫金屬性能）；焊接部件或焊接構件的后續處理，例如表面處理、陽極氧化和裝飾拋光；對接頭的耐腐蝕性要求；最佳焊接性。

考慮到以上綜合因素，為保證焊接接頭的力學性能，在ISO 18273標準中選用了匹配的焊接材料，牌號為Al 5087，化學名稱為AlMg4.5MnZr。經焊接工藝評定驗證，此焊接材料完全符合設計要求。

2 鋁合金司機室焊接結構

2.1 司機室總成

根據高速動車組鋁合金車體設計概念的要求，利用頭車的空氣動力學外形，采用自頂向下發布幾何、復制幾何的設計方法，進行司機室的三維設計。

該動車組的司機室采用較大截面的有壓筋的墻頂板與梁柱組焊而成，梁柱多為開口型材，組焊后司機室的變形小，曲面過渡光滑，外表美觀。因梁柱多在同一截面，使得司機室的抗扭、抗彎能力強，結構堅固。

司機室由六部分組成，即司機室前端、司機室后框、司機室左側墻、司機室右側墻、司機室車頂和司機室前窗玻璃安裝框（見圖2）。

圖2 頭車司機室的結構分解圖

2.2 司機室焊接接頭型式

司機室各型材主要采用兩種焊接接頭型式，分別為接頭A和接頭B，如圖3、圖4所示。

圖3 接頭型式A

圖4 接頭型式B

這種接頭型式因其自帶墊板，焊接時省去了安裝墊板的時間，提高了焊接裝配效率；可以很好的保護焊接熔池，焊接時因其自帶墊板，且墊板凹槽斷面一致，可以提高焊接質量。

這種接頭型式因其墊板可以起到一定的限位作用，可以提高焊前裝配精度，保證焊縫熔深均勻、焊縫余高均勻，既可以提高焊接質量，又可使焊縫表面美觀。因其接頭尺寸經過優化設計，已經系列化，采取此種接頭型式，可以提高設計效率。

2.3 司機室焊接結構

2.3.1 焊接結構特點

司機室由三維彎曲鋁型材和三維彎曲板材焊接而成，焊接標準執行EN 15085[5]。在設計司機室焊接結構時有兩點是非常重要的，一是焊接接頭的連接強度，另一個是結構上的抗焊接變形能力。

司機室的骨架除窗間立柱外，基本采用的是槽型和乙型的開口型材。各梁柱之間通過開V型或Y型坡口進行焊接，組焊成完整的骨架。

司機室側墻縱向梁與側墻立柱加永久焊接墊板開V型坡口焊接，可以讓側墻縱向梁與側墻立柱焊透，這種連接型式能保證足夠的焊接強度，連接及焊接型式如圖5所示。

為了保證司機室側墻在焊后減少變形，將司機室的側墻板設計成帶加強筋的開口型材型式，司機室側墻立柱、縱向梁與側墻板采用角接型式焊接，這種連接型式既能保證足夠的連接強度，又能使側墻板外表面焊后變形很小，沒有明顯的突起和凹坑，目測表面非常光滑，連接及焊接型式見圖6。

司機室車頂板也是設計成帶加強筋的開口型材型式，它與車頂彎梁采用角接型式焊接，與側墻板相似，車頂板焊后變形也較小，連接及焊接型式見圖7。

圖7 車頂彎梁與車頂板的連接型式

2.3.2 焊接結構工藝驗證

為了保證焊接件的尺寸和焊接質量，第一需保證三維彎曲型材的空間尺寸，第二需保證焊接接頭的設計能制作過程中的可視、可達和可檢的要求。除了運用設計手段，采用合適的焊接工藝參數和匹配的焊接工裝卡具也提高了焊接質量，司機室前窗框各件壓卡及限位型式見圖8。

圖8 司機室前窗框各件壓卡及限位型式

在司機室制作過程中，共制作二維和三維彎曲模具35套，制作小型焊接工裝5套，大型焊接工裝6套。多種彎曲模具的使用，保證了單件的尺寸精度，目前，司機室三維彎曲件的制作已經實現了國產化。多套剛度足夠并運用反變形技術的焊接工裝減少了司機室各部件和整個司機室的焊接變形，司機室總成焊接工裝見圖9。

圖9 司機室總成焊接工裝

2.4 靜強度計算和試驗

2.4.1 靜強度計算

依據EN12663：2000《鐵路應用—鐵路車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》，對高速列車頭車車體靜強度進行了有限元分析計算，計算的載荷工況見表2。車體有限元模型見圖10，基本采用殼單元shell63來建立，對于較為復雜的不規則模型采用三維實體單元solid45進行離散。

在垂向載荷、縱向拉壓、車端壓縮、扭轉載荷、抬車及氣密載荷等各載荷工況下，分別對車體結構進行了有限元計算，圖11為第十一種工況下的司機室應力云圖，所有個工況的計算結果表明，該車體結構均滿足靜強度要求，司機室母材和焊縫的應力均小于許用應力。

序號1234567891 0 11 12 13 14載荷工況垂向載荷 1.3（m1+m2）車鉤區域壓縮載荷1 500 kN+垂向載荷m1車鉤區域壓縮載荷1 500 kN+垂向載荷m1+m2車鉤區域拉伸載荷1 000 kN+垂向載荷m1車鉤區域拉伸載荷1 000 kN+垂向載荷m1+m2一位端地板上方150 mm高度400 kN壓縮載荷一位端窗臺高度300 kN壓縮載荷二位端地板上方150 mm高度400 kN壓縮載荷二位端腰帶高度300 kN壓縮載荷二位端上邊梁高度300 kN壓縮載荷一位端抬車二位端抬車整車抬車氣壓載荷6 000 Pa與垂向載荷m1+m2組合

表2 計算載荷工況

圖10 司機室整體有限元模型

圖11 司機室應力云圖

2.4.2 靜強度試驗

按照表2所列的載荷工況，對樣車進行了靜強度試驗。靜強度試驗在專用的靜強度試驗臺上進行，能模擬各個工況載荷的施加。圖12為一位端地板上方150 mm高度，400 kN縱向壓縮載荷試驗照片，圖13為氣密強度試驗照片。試驗結果表明，頭車車體的強度滿足EN12663：2000《鐵路應用—軌道車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》的要求。

圖12 一位端地板上方150 mm高度400 kN縱向壓縮載荷試驗

圖13 氣密強度試驗照片

3 結論

經計算和試驗證明，板梁焊接結構的高強度司機室與頭車的底架、側墻、車頂組焊在一起后，能夠參與車體的整體承載，其強度滿足EN12663：2000《鐵路應用——軌道車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》的要求，同時其焊接結構的工藝性也得到了相應的驗證。

：

[1]EN 15085：2007，鐵路應用——鐵道車輛及其部件的焊接[S].

[2]BS EN 12663：2000，鐵路應用——軌道車輛車體結構要求[S].

[3]DIN 5513：2007，軌道車輛材料——鋁和鋁合金[S].

[4]ISO 18273：2004，焊接消耗品——鋁和鋁合金焊接用焊絲和焊條[S].

[5]200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定[S].

[6]李靜斌.鋁合金焊接節點力學性能的試驗研究[J].土木工程學報，2007，40（2）：25-32.