淺談車廂焊接變形的矯正工藝

姚國(guó)平 汪洪 秦云龍 王斌 仇葉

摘 要：對(duì)于采用薄鋼板碳素鋼壓制成型的車廂鋼結(jié)構(gòu)，在車架及車體制作過程中，通過焊接變形的矯正原理，提出減少焊接變形的控制措施，并對(duì)其具體應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說明，最終使車廂焊接變形通過工藝矯正后達(dá)到設(shè)計(jì)和工藝要求。

關(guān)鍵詞：車廂；焊接變形；火焰矯正

1 問題的提出

我公司生產(chǎn)的摩洛哥客車車廂鋼結(jié)構(gòu)，由于考慮重量因素，整車多采用碳素鋼薄鋼板壓制而成，而非傳統(tǒng)的型材設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致車廂整體剛性差，在組裝焊接以及吊運(yùn)過程中容易產(chǎn)生變形。

同時(shí)在車架制作時(shí)由于焊接先后順序以及裝配間隙不一致，造成焊接收縮后車架的寬度不一致，導(dǎo)致車體總成后的邊梁旁彎及側(cè)墻平面度超差。在矯正時(shí)，由于沒有矯正所需的支撐點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)的水平基準(zhǔn)作為參考，單獨(dú)使用火焰矯正根本無法達(dá)到預(yù)期效果，需要借助一些必要的手段才可以達(dá)到矯正的目的。

針對(duì)上述問題，本文對(duì)車廂生產(chǎn)過程中由于焊接變形而需要進(jìn)行矯正的關(guān)鍵部位和操作方法與大家共同探討。為今后的批量生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，成為車廂焊接變形矯正工藝探索和推廣的必然。

2 鋼結(jié)構(gòu)件變形的原因及矯正的原理

2.1 鋼結(jié)構(gòu)件變形的原因

從整體來講，主要分為兩種情況：一種是受外力作用引起的變形；另一種是受內(nèi)力作用而引起的變形。

對(duì)于受外力作用引起的變形情況，主要指鋼結(jié)構(gòu)件在制作完成后，在吊裝、運(yùn)輸以及安裝過程中由于碰撞產(chǎn)生的變形，這些變形都是永久變形，屬于塑性變形。

對(duì)于受內(nèi)力作用引起的變形情況，主要指鋼結(jié)構(gòu)件因焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，因?yàn)楹附訉?duì)于鋼結(jié)構(gòu)件來說，是一種不均勻的加熱和冷卻的過程，是造成各部件間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而引起變形的主要原因。

焊接時(shí)，加熱是通過移動(dòng)的高溫電弧熱源進(jìn)行的，因此焊縫周圍的金屬及焊縫溫度極高，金屬受熱后發(fā)生膨脹，而周圍金屬?zèng)]有發(fā)生膨脹，相當(dāng)于剛性固定。于是受熱金屬的膨脹收縮受到了阻礙就產(chǎn)生了壓縮塑性變形。而焊接冷卻后的金屬及焊縫，由于收縮變形而變短，此時(shí)又受到周圍未受熱的金屬的限制，導(dǎo)致被焊后的鋼結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，由此造成一定程度的變形。

變形主要表現(xiàn)在兩個(gè)方向：縱向收縮和橫向收縮。縱向收縮（沿焊縫長(zhǎng)度方向的收縮）在薄鋼板焊接時(shí)表現(xiàn)得更加明顯；而橫向收縮（垂直焊縫長(zhǎng)度方向的收縮）是鋼結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和引起變形的主要原因。

無論何種形式的焊接變形，都遵從一個(gè)規(guī)律，即焊縫冷卻后，在焊縫區(qū)域產(chǎn)生收縮，繼而使被焊的鋼結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)被焊件自身的剛度不能克服焊縫收縮時(shí)，就會(huì)造成焊接變形。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)件變形的矯正原理

矯正主要是分析鋼結(jié)構(gòu)件變形的原因，熟悉相互之間的內(nèi)在聯(lián)系，掌握被焊結(jié)構(gòu)件的性質(zhì)，選擇正確的矯正部位和矯正方法（如冷矯正和熱矯正），確定正確的矯正的方法和先后順序。熱矯正的原理就是利用金屬的塑性，采用火焰對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行局部加熱，通過熱脹冷縮的原理也就是利用鋼材變形的反變形來達(dá)到矯正目的，使得鋼材各層的纖維長(zhǎng)度接近相等而平直，通過輔助外力效果更佳。

3 減少焊接變形的措施

3.1 工序前移

車底架焊接翻轉(zhuǎn)胎的工作量大，同時(shí)還要作為矯正臺(tái)位使用，為了控制焊接變形，減少矯正的工作量，將與之相關(guān)的車體附件和焊縫盡量前移至組裝臺(tái)位，盡量使用剛性固定法將立焊以及點(diǎn)焊固定的焊縫全部在組裝臺(tái)位焊接完成，可以有效緩解焊接翻轉(zhuǎn)胎的生產(chǎn)壓力，縮短作業(yè)時(shí)間。

3.2 改變傳統(tǒng)生產(chǎn)方式

車底架吊運(yùn)至焊接翻轉(zhuǎn)胎后，可以邊焊接邊矯正，取消原來的單獨(dú)焊接或單獨(dú)矯正作業(yè)的生產(chǎn)方式，這樣可以節(jié)約一半組焊的時(shí)間。為了減少焊接變形，取消原來車底架豎向焊接的工序，可以保證矯正工作的順利進(jìn)行。

4 車廂矯正的工藝的簡(jiǎn)介和具體應(yīng)用

火焰矯正時(shí)，一般可采用手工矯正、機(jī)械矯正、火焰矯正和高頻熱點(diǎn)矯正，而火焰矯正時(shí)，可采用點(diǎn)狀、線狀和三角形矯正法，本車所需矯正材料均為碳素鋼。下面將分別介紹摩洛哥車廂各模塊的矯正工藝，即車底架矯正工藝、邊梁矯正工藝、地板矯正工藝以及側(cè)墻矯正工藝。

4.1 車底架矯正工藝

吊運(yùn)至焊接翻轉(zhuǎn)胎，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)首先拆除用于防止彎曲和扭曲變形的臨時(shí)支撐，松開用于夾緊的4個(gè)螺桿，利用轉(zhuǎn)胎下部四點(diǎn)支撐作為水平基準(zhǔn)，并且增加端部?jī)深^以及中部共十個(gè)支撐點(diǎn)。下部使用螺旋千斤頂調(diào)整高度，整個(gè)車底架要基本共面，有利于車廂總成時(shí)側(cè)壁與頂蓋的組裝。如圖1所示。

使用拉線裝置測(cè)量旁彎，每一根連接梁與邊梁以及旁承梁連接處都要測(cè)量，所有數(shù)據(jù)都寫在邊梁上面，便于檢查和矯正使用。公差控制在2～3mm，因?yàn)榈匕宓匿佋O(shè)和焊接還會(huì)導(dǎo)致車底架寬度收縮變形，最終檢查尺寸為5mm。

由于沒有矯正所需的基準(zhǔn)和橫向支撐點(diǎn)，所以只能利用轉(zhuǎn)胎4個(gè)螺桿作為基準(zhǔn)，同時(shí)也是車底架下部的支撐點(diǎn)。左右螺桿之間不固定在端部頭部與邊梁的連接處，需要增加頂緊裝置，以免受力變形。選擇五噸秤砣作為支撐點(diǎn)，放置位置中心對(duì)準(zhǔn)端部頭部與邊梁連接處（即變形最大部位），使用螺旋千斤頂橫向調(diào)整控制旁彎尺寸。由于秤砣數(shù)量有限，矯正順序必須從變形數(shù)據(jù)由大向小方向開始。

4.2 邊梁矯正工藝

邊梁規(guī)格為16號(hào)槽鋼，平面度要求為每米2mm，一般由于焊接變形會(huì)導(dǎo)致內(nèi)凹，需要采用火焰矯正法進(jìn)行矯正。邊梁的立面采用線狀加熱，加熱溫度在650～800℃之間，加熱顏色呈櫻紅，加熱寬度為板厚的1～2倍，深度為板厚的1/2～2/3，火焰加熱時(shí)烤槍不能來回晃動(dòng)，束狀火焰要垂直鋼板，動(dòng)作要敏捷迅速。邊梁的上下平面采用三角形加熱法，如果變形過大，可以使用頂緊裝置配合矯正，效果更佳。

矯正時(shí)，使用1m剛性直尺測(cè)量，等到完全冷卻之后，測(cè)量平面度，如果需要二次火焰矯正，則加熱區(qū)要錯(cuò)開。

為了縮短矯正時(shí)間，可以充分利用地板的剛性作為控制旁彎的有效手段。鋪設(shè)中部地板時(shí)以第一塊地板作為整車縱向中心基準(zhǔn)的定位，所以尤為重要，需要測(cè)量邊梁旁彎和平面度。而最后一塊地板鋪設(shè)時(shí)需要測(cè)量車底架寬度，因?yàn)轱L(fēng)道口的組裝和焊接會(huì)導(dǎo)致尺寸變化。

4.3 地板矯正工藝

端部地板需要正反兩面焊接，會(huì)產(chǎn)生凹凸變形，平面度要求為2mm/m2，需要使用火焰矯正法進(jìn)行矯正，采用點(diǎn)狀加熱法。

4.4 側(cè)墻矯正工藝

側(cè)墻采用3mm厚的薄鋼板拼接而成，與骨架組裝焊接，加上整體都布滿窗框，凹凸變形極為明顯。由于側(cè)墻在組焊過程中不進(jìn)行矯正，車體總成后焊接變形更加嚴(yán)重，必須進(jìn)行火焰矯正。

矯正時(shí)使用真空吸附的方式配合火焰矯正，首先使用3m鋼直尺豎直測(cè)量每根立柱的之間側(cè)墻平面度，使用頂緊裝置配合烘槍矯正，采用線狀加熱法矯正蒙皮反面骨架，并澆水加快冷卻速度。

對(duì)蒙皮平面度矯正時(shí)采用真空吸附法，反面使用點(diǎn)狀加熱法進(jìn)行矯正，火焰加熱溫度在500～600℃之間。矯正過程中使用直尺橫向測(cè)量蒙皮，防止因火焰過大造成更大的變形，導(dǎo)致材質(zhì)發(fā)生變化，影響使用性能。矯正加熱圓點(diǎn)直徑為板厚的6～8倍，使用自制的多頭烘槍進(jìn)行矯正，配合噴淋槍進(jìn)行快速冷卻，縮短火焰矯正的時(shí)間，如圖2所示。

所有火焰矯正工作完成以后，使用木棰矯正玻璃窗框，保證周邊共面，防止車廂使用過程中安裝玻璃滲水。

5 結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件變形的原因及矯正原理的分析，以及摩洛哥車型各個(gè)模塊矯正的工藝和操作方法的介紹，執(zhí)行上述工藝，輔助必要的工裝和測(cè)量工具，最終可充分利用組裝焊接的時(shí)間和空間，縮短車廂生產(chǎn)周期，簡(jiǎn)化矯正工藝，提高工裝設(shè)備利用率，降低人員、設(shè)備、材料的投入，滿足設(shè)計(jì)和工藝要求，改善員工的作業(yè)環(huán)境，可以有效提高生產(chǎn)率，為以后的批量生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉光虎.冷作工技師培訓(xùn)教材[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]張廣杰，甄維勤，李貴林，等.高級(jí)鉚工工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]陸秋生，王國(guó)健.冷作鈑金工[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.

（作者單位：中車戚墅堰機(jī)車有限公司）