鋁合金地鐵車體側墻制造關鍵點研究

張麗博，楊 帥，王大朋，華洪波，常福軍

（1 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035；2 蘭州交通大學，甘肅蘭州730000）

鋁合金地鐵車體側墻制造關鍵點研究

張麗博1，2，楊 帥1，王大朋1，華洪波1，常福軍1

（1 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035；2 蘭州交通大學，甘肅蘭州730000）

以地鐵車體側墻的生產制造為例，結合生產實際中遇到的問題，通過制定合理的g焊接順序等措施有效地控制了型材的焊接變形；合適的工裝胎同時輔以兩階段調修法保證了側墻的輪廓度和高度。

地鐵車體側墻；焊接變形；輪廓度和高度；焊接順序；工裝胎；兩階段調修法

鋁合金地鐵車體主要以長大中空鋁型材為主，包括底架、側墻、車頂、端墻及車體附件，其中側墻是整個車體制造中技術含量較高的關鍵部件，它連接了車頂和底架，使車體成為剛性的筒形結構，保證了整個車體的強度，同時可以保證車體外側的美觀性和車內的舒適度。其制造工藝的關鍵點在于如何保證側墻輪廓度和高度及控制型材的焊接變形。本文以某型地鐵車體側墻生產制造為例，著重論述了側墻生產制造過程中的難點及應對策略。由于該車型側墻結構的特殊性，給生產制造帶來不小的挑戰。

1 某型地鐵側墻簡介

該車型地鐵側墻（以下簡稱側墻）有6塊長大中空鋁型材組成，其中包括4塊側墻板和2塊窗間板。從圖1中可以看出該車型整體側墻結構比較特殊，其窗口位置在搭接焊縫處，其余焊縫均為3V對接焊縫，整個側墻采用整體焊接（焊接長度均為21 m）方法，焊接完成之后再切割成10塊2 m左右的側墻模塊。

制造技術要求如下：

側墻高度：（1 842.1±2）mm；側墻輪廓度：±3 mm；

側墻制造工藝流程圖如下：

側墻組裝時，每個焊縫（搭接焊縫除外）預留1 mm的間隙，在最開始的試件組焊過程中，依據原有焊接計劃中制定的焊接順序，焊接完成后通過觀察側墻型材的變形方向、變形程度和焊縫形式的不同，發現依據該計劃中的焊接順序，不能有效地發揮各焊縫焊后變形的相互制約和抵消作用，而且焊后變形較大（尤其是搭接焊縫位置處），單純依靠人工調修的方法不能滿足生產制造的技術要求，致使側墻生產制造出現瓶頸，如何有效地解決該問題成為難題。

圖1 某型地鐵側墻組焊圖

2 側墻制造過程中的關鍵點

由于鋁合金的導熱性是鋼的5倍，線膨脹系數是鋼2倍，鋁合金焊接時焊接變形很大，所以鋁合金焊接最大的難點是焊接變形的控制［1］。從側墻的制造技術要求中可以看出，側墻高度和撓度也是側墻制造過程中的重點。由于該地鐵車側墻結構的特殊性，窗口尺寸的保證也很重要，這個尺寸的調整主要依靠搭接位置預留尺寸來保證。

2.1 焊接變形控制

針對本次側墻制造過程中出現的難題，做了大量試驗，通過對大量焊接試件分析發現：搭接焊縫的收縮變形很小，焊后變形不遵循常規焊后變形趨勢，而且V型焊縫變形較大并遵循焊接變形規律（焊后焊縫區域向下凹）。

反裝胎上焊接時，先焊搭接焊縫1，之后焊接搭接焊縫兩側的V型焊縫2，4，焊縫1焊接完成之后將兩塊窗間板焊接成一個整體，這樣能有效的抵消焊縫2，4的焊后變形內應力，焊縫2，4焊接完畢之后這個整體產生向下的變形趨勢，焊接示意如圖2（a）所示。

正裝時依據先前給出的焊接順序：先焊搭接焊縫8，之后是V型焊縫6、10（這兩道焊縫的先后順序取決于反裝時變形量的大小，先焊變形量大的），正裝焊接完成之后本來預計搭接焊縫焊后應向下（相對于正裝而言）變形，而實際卻是向上變形，焊接示意如圖2（b）所示，其中數字1～8表示焊縫的焊接順序，其中焊縫4和焊縫10這一對焊縫分別位于側墻型材同一對稱焊縫的反正面，其他焊縫對應關系類似。

圖2 正、反裝時搭接焊縫變形示意圖

在正裝的時候，焊縫6，7，9，10都是V型焊縫，它們在焊后都會產生斷面方向收縮從而產生向下的變形，而且焊縫6、10焊后的向下變形會對焊縫8位置產生向上的應力，而焊縫8為搭接焊縫，它的斷面方向收縮很小，焊后產生的向下變形量非常小，遠遠小于焊縫6、10對它的影響，最終導致搭接焊縫8在正裝時產生了向上的焊后變形。離搭接位置較遠的其他4道焊縫（焊縫3，5，7，9）對搭接位置的變形幾乎沒有影響。

（1）合理的焊接順序

由以上的分析可以看出，制定合理的焊接順序對控制焊接變形至關重要。充分利用材料特點制定自動焊工藝，結合型材結構以及鋁合金熱膨脹系數大、焊接易變形的特點，充分利用鋁合金焊接變形抵消的原理，能夠有針對性地控制型材的整體和局部變形。由于型材多為雙面對接焊接結構，根據型材2次焊接變形大于1次焊接變形的經驗，可以通過控制型材兩面焊縫整體的焊接順序來控制型材整體的焊接變形趨勢；另一方面，型材為多道平行長焊縫拼接的焊接接頭形式，可以通過控制同一面內平行長焊縫的焊接順序。綜合運用從里向外焊和從外向里焊、對稱焊和不對稱焊等多種焊接順序達到控制焊接變形的目的［2］。

針對本次地鐵側墻制造過程中存在的問題，重新制定了各道焊縫的焊接順序及焊接方向，正反裝的焊接順序如圖3所示。調整后的焊接順序在圖2中的已經標出即序號1～8代表各道焊縫重新制定的焊接順序。

最終確定在實際操作中正裝時只能最后焊接搭接焊縫，因為此位置是要用搭接來調節側墻窗口高度方向的尺寸。調整后的焊接順序又引起了新的問題，若最后點固搭接焊縫的話，由于受其他V型焊縫點固產生的收縮變形影響，而使搭接焊縫處出現縫隙，而搭接焊縫處是不允許出現縫隙的。為此在正裝胎上、搭接焊縫位置處預置了10 mm的反變形如圖4所示，這樣有效地抑制了搭接焊縫處的焊接變形，避免了搭接焊縫位置出現間隙，同時也有效地抑制了搭接位置處的焊接變形，大大降低了后道調修工序的工作量。

圖3 焊接方向示意圖

圖4 搭接焊縫處預置反變形

（2）增加點固段數量

由于該側墻結構的特殊性，需要最后點固搭接焊縫位置，同時為了更好地控制此處的焊接變形，特意增加了該處點固段的數量。如圖3可以看出，搭接焊縫處的點固段數量明顯多于其他焊縫。點固段極易產生焊接缺陷，而且點固段的處理也很困難。增加點固段的數量無疑又增加了操作者的工作量，也增大了產生焊接缺陷的幾率。為解決這個問題經過大量精確地計算，最后確定搭接焊縫處點固段的位置。即把點固段布置在側墻待切除的位置（預留加工余量的位置或是窗口位置），這樣不僅大大降低了處理點固段的工作量，同時也避免了點固段可能帶入的焊接缺陷問題，降低了修補的工作量。

在點固搭接焊縫之前先測量一下窗口尺寸是否滿足945＋20mm，當恰好達到該尺寸時，搭接處預留的余量是17 mm，供調節窗口尺寸使用；若尺寸偏小則使用支撐調整到合適的尺寸，否則使用拉帶調節。還自制了點固占位置標記尺用以標記點固段位置（如圖5所示）。

通常點固段的長度為50～70 mm，有效長度為60 mm，點固段間距不小2 m，其中涉及的參數還需要視實際情況做相應調整。點固完成之后要對點固段進行處理，首先切割開焊縫只保留其中的部分焊肉（在保證型材不分開的前提下盡量多的切除焊縫），然后用直磨機修磨焊縫［3］（盡量不要傷及母材），點固段起、收弧處要求圓滑過渡，保證自動焊的激光跟蹤，最后對待焊的整條焊縫用不銹鋼碗刷打磨一遍，用風管吹凈焊接區域內的鋁屑和灰塵（處理好的點固焊段如圖6所示）。

圖5 標記尺標定搭接焊縫點固段位置

圖6 處理后的點固段

（3）工裝壓卡

由于鋁合金膨脹系數大，變形大，因此大剛度卡具的使用是非常重要的，可避免自由狀態下焊接。在側墻的制造過程中，采用長短夾具共用的壓卡工藝。對于側墻這種由長大型材整體裝配組焊的部件，尤其強調通過工裝壓卡控制焊中變形。在圖1中可以看到，短夾具（F卡等）壓卡工件兩側，保持位置不變，主要控制整體變形；長夾具（工裝胎上壓卡大臂），隨焊壓卡，對不同焊縫位置焊縫進行壓卡，可在一定范圍內靈活調整位置，這種整體壓卡受力比較均勻，主要控制局部變形，有效地控制了焊中變形量，同時對焊接過程中整體上的錯邊控制效果也很顯著［4］。

合理的焊接順序、增加點固段的數量、正裝胎上預置一定反變形及長短夾具的配合使用，這些措施都有效地控制了側墻的焊接變形，極大地改善了搭接焊縫位置的焊接變形情況，大大降低了后道調修工序的工作量。

2.2 輪廓度和高度控制

側墻的輪廓度和高度的控制也是側墻制造的關鍵。目前，主要通過工裝胎保證側墻的輪廓度和高度，在火焰調修方法的輔助下進行局部微調，從而來滿足制造技術要求。側墻這種有弧度的大部件，需要先進行反面焊接，再進行正面焊接，這樣有利于側向頂緊和預置撓度，但依據2次焊接變形大于1次焊接變形的原理，正裝時的焊接變形量會比較大，為了保證側墻的外輪廓和撓度，也需要在正裝時預制一定的反變形量，來抵消一部分2次焊接變形。

（1）工裝胎

側墻組焊時需要正、反裝兩組工裝胎，工裝胎上已經預置了一定的撓度來保證側墻的輪廓度和高度。在生產實踐中發現，只要側墻外形輪廓符合要求，那么側墻的高度就能得到保證。

圖7 正反裝胎

（2）兩階段調修方法

調修的目的是為了保證側墻的弧度，而且調修只能調整較小的變形。目前主要采用火焰調修的方法，即通過烤焊縫來達到釋放焊接殘余應力的目的。

由于鋁合金是熱時效強化鋁合金，過高溫度的加熱，會使鋁合金失去強度，但溫度不夠，焊接變形又很難調修到標準要求的范圍。調修的溫度一般不大于200℃，而且還要避免局部過熱，因此不能在邊緣棱角處加熱，加熱過程中必須使用接觸式測溫儀對加熱區域的溫度進行實時監測，對于溫度的控制在一定程度上依賴操作者的經驗（如圖8）。對同一道焊縫而言，調修一般最多進行3次，因為3次之后，如果再調修的話變形量不會太大，而且影響焊縫強度得不償失［5］。

第1階段調修：側墻整體焊接完成后，進入第1階段調修如圖8所示，主要是檢測側墻的外輪廓度。使用樣板測量側墻的外輪廓值，檢測樣板距離側墻外輪廓10 mm，檢測公差控制在（10±2）mm，詳細記錄測量值，這些數據將是下一次調整工裝胎的重要依據。

第1階段調修完成之后，工件轉到機加工，切割成若干側墻模塊，然后進行精細打磨，之后就進入附件安裝階段。

第2階段調修：在安裝附件之前，先要進行側墻外輪廓檢測，目的是為了保證側墻輪廓度，若附件安裝前側墻輪廓度超差，則附件安裝完成后，在用調修的方法也很難保證側墻的輪廓度。檢測方法同第1階段調修，故不在贅述。檢測要求：側墻輪廓度（10±3）mm，高度（20±2）mm；附件安裝完成后，對側墻輪廓做最后的檢測。檢測要求：側門柱平面度≤2 mm，側墻寬度0～2 mm，窗口、整個側墻模塊對角線0～3 mm，如圖9所示。

圖8 第1階段調修示意圖

圖9 第2階段調修示意圖

3 結 論

側墻是整個車體的關鍵部件，其外形輪廓尺寸非常重要，對后序的車體總成有很大影響。以某型地鐵車體側墻生產制造為例，結合生產實際中問題，介紹了側墻制造過程中的關鍵控制點即如何保證側墻輪廓度和高度及控制型材的焊接變形。

（1）制定合理的焊接工序對控制焊接變形至關重要，同時適當的增加點固段數量，在正裝胎上預置反變形等措施；焊接中再輔以長短夾具壓卡，從而有效地控制焊接變形，保證了焊接質量。

（2）合適的工裝胎是保證側墻輪廓度和高度的關鍵，同時兩階段調修法，對較小焊接變形的調節，也很好地保證了側墻的輪廓度和高度。

［1］ 隋紅心.鋁合金車體焊接變形火焰調修技術創新［J］.長春大學學報，2005，15（6）：11.

［2］ 劉志平，胡文浩，王廣英，等.高速動車組鋁合金車體自動焊接工藝研究［J］.熱加工工藝，2012，41（7）：124-127.

［3］ （德）Kammer.C，等.鋁手冊［M］（第1版）.盧惠民，等，譯.北京：化學工業出版社，2008：606.

［4］ 劉志平，胡文浩，劉春寧，等.雙槍焊接機器人在軌道車輛鋁合金車體焊接中的應用［J］.焊接技術，2011，40（10）：35-37.

［5］ 王炎金，丁國華.鋁合金車體制造關鍵技木研究［J］.焊接，2007，（7）：12-16.

Research on Manufacture Key Points of Aluminum Alloy Metro Car Body Side Wall

ZHANG Libo，YANG Shuai，WANG Dapeng，HUA Hongbo，CH ANG Fujun
（1 CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China；2 Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730000 Gansu，China）

Taking the production of the metro car body side walls as an example，combining with the problems in practical production，the welding deformation of profile is effectively controlled by making reasonable welding sequence and other measures；appropriate frocks and two-phase adjustment and repair method can ensure side wall parameters such as profile tolerance and height.

metro car body side wall；welding deformation；profile tolerance and height；welding sequence；frocks；two-phase adjustment and repair method

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.17

1008－7842（2014）03－0069－04

6—）女，碩士生（

2013－12－05）