地鐵不銹鋼車(chē)體大部件組焊及吊運(yùn)夾具設(shè)計(jì)與分析

黃豐田

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266000）

地鐵不銹鋼車(chē)體大部件組焊及吊運(yùn)夾具設(shè)計(jì)與分析

黃豐田

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266000）

文章介紹了我國(guó)城市軌道交通行業(yè)發(fā)展對(duì)地鐵不銹鋼車(chē)體密封、外觀美觀、環(huán)保無(wú)涂裝等的要求，介紹了不銹鋼地鐵車(chē)體激光焊接技術(shù)的解決方案，從不銹鋼側(cè)墻組焊件的裝配精度、工藝設(shè)備的定位精度、夾緊力、快速預(yù)組裝等方面分析了車(chē)體大部件組焊夾具的優(yōu)點(diǎn)，并針對(duì)組焊精度、裝夾效率的影響因素提出了車(chē)體大部件組焊夾具的思考。

激光焊接；組焊工具；吊運(yùn)夾具；軌道交通；地鐵工程；不銹鋼車(chē)體

1 地鐵不銹鋼材料、焊接技術(shù)發(fā)展背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，除了成熟的高鐵、地鐵鋁合金車(chē)體外，有軌電車(chē)、跨坐式單軌車(chē)輛、懸掛式空中列車(chē)、市域列車(chē)、低速磁懸浮等新型軌道交通不銹鋼車(chē)體將陸續(xù)應(yīng)用到軌道交通網(wǎng)絡(luò)中。這些車(chē)輛將廣泛采用信息化、智能化、模塊化，新材料、新能源等技術(shù)，對(duì)車(chē)輛舒適感、材質(zhì)輕量化的要求愈加強(qiáng)烈，要求車(chē)輛運(yùn)行中空間密封性好，車(chē)體材料輕量化，因此近年來(lái)已開(kāi)始采用更加綠色、環(huán)保、可靠的新材料，如外表無(wú)需涂裝的不銹鋼材料、高分子復(fù)合材料等，車(chē)體部件焊接技術(shù)已開(kāi)始采用更加可靠、環(huán)保、高效、焊縫密閉性好的激光焊接等新技術(shù)。

這些先進(jìn)材料、焊接技術(shù)的應(yīng)用已開(kāi)始引發(fā)制造工藝的變革，同時(shí)對(duì)焊接工藝裝備的設(shè)計(jì)和制造水平也提出了全新的、更高的要求。其中以不銹鋼車(chē)體大部件激光焊接對(duì)焊接工藝、焊接輔助工藝設(shè)備的要求最高，本文將分析激光焊接技術(shù)對(duì)所配置的整體組焊夾具及吊運(yùn)夾具的設(shè)計(jì)思路。

2 不銹鋼車(chē)體焊接工藝介紹

地鐵不銹鋼車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)包含車(chē)頂棚、車(chē)底架、兩邊側(cè)墻、端墻、司機(jī)室等大部件。傳統(tǒng)大部件組焊一般采取電弧焊、電阻焊等方式，這些方式都存在焊接效率不高，焊點(diǎn)痕跡難以去除，外表美觀度低等情況，尤其是不能焊接長(zhǎng)距離的焊縫，不能密閉焊接件之間的空心，只有通過(guò)后期填補(bǔ)膠密閉焊接件間隙，導(dǎo)致車(chē)體密封性一般，乘客的乘坐舒適感差，列車(chē)無(wú)法高速運(yùn)行，制約著進(jìn)一步提升發(fā)展空間。而激光焊接不會(huì)對(duì)焊接材料留下任何焊點(diǎn)，外表無(wú)涂裝、無(wú)焊點(diǎn)的不銹鋼車(chē)體側(cè)墻外面是主要的乘客界面，焊痕非常輕且非常美觀，并且能夠進(jìn)行密封焊接。

通常不銹鋼車(chē)體側(cè)墻主要包含門(mén)上梁、側(cè)墻骨架、門(mén)立柱、外墻板等部件。

2.1 焊接對(duì)車(chē)體工件裝配精度的要求

車(chē)體側(cè)墻大部件的裝配精度要求提高：焊接位置必須保證焊接件之間的間隙小于0.2mm，才能達(dá)到激光焊接的工藝要求。直接導(dǎo)致梁柱件的定位精度由過(guò)去±1mm提高到±0.5mm，側(cè)墻外輪廓度過(guò)去±0.5mm提高到±0.1mm。

2.2 焊接對(duì)定位夾緊空間范圍和加緊裝置的要求

焊接設(shè)備的焊接工藝范圍與車(chē)體側(cè)墻大部件的外形尺寸非常接近，在狹小的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行有效的定位壓緊，同時(shí)又要兼顧多種車(chē)型、實(shí)現(xiàn)模塊化切換。

由于車(chē)體側(cè)墻大部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和組焊工藝，需要根據(jù)大部件斷面尺寸的變化范圍，工件的支撐夾緊裝置需要隨之相應(yīng)改變，尤其是支撐定位裝置的改變需要自動(dòng)切換、精確定位。夾緊裝置需要在車(chē)型變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意方位的切換，無(wú)任何加緊盲區(qū)，同時(shí)對(duì)工件實(shí)施最有效的加緊。

根據(jù)上述大部件組焊的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案中的夾具需要采用多點(diǎn)柔性化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)任意斷面尺寸的支撐需求。兩側(cè)加緊采用自主開(kāi)發(fā)柔性化的加緊裝置，主要是壓臂研發(fā)活接無(wú)間隙接觸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓臂多方位旋轉(zhuǎn)和任意曲張，從而對(duì)工件實(shí)施全方位的最有效壓緊。

焊接設(shè)備對(duì)車(chē)體側(cè)墻大部件焊接的壓緊要求：（1）實(shí)現(xiàn)焊接處均勻壓緊并留出焊槍的作業(yè)范圍焊接；（2）側(cè)墻板與橫梁立柱焊接前間隙不得大于0.2mm；（3）保證側(cè)墻板在漲拉狀態(tài)完全貼附于預(yù)制胎位模板上。

2.3 側(cè)墻預(yù)組輔助時(shí)間將會(huì)大大延長(zhǎng)

雖然激光焊在其他領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用，并且實(shí)現(xiàn)側(cè)墻大單元的焊接，但車(chē)體側(cè)墻大部件的焊接尚屬首次，加之焊接定位工裝空間位置狹小，導(dǎo)致輔助作業(yè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于焊接作業(yè)時(shí)間，在提高焊接質(zhì)量的同時(shí)卻將導(dǎo)致生產(chǎn)效率大大降低。

為提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，通過(guò)將側(cè)墻大部件在焊接工藝裝備夾具上進(jìn)行預(yù)組，再整體吊入焊接區(qū)域進(jìn)行焊接，將會(huì)有效地提高生產(chǎn)效率。過(guò)程中須保證側(cè)墻大部件的焊接狀態(tài)符合焊接工藝要求。

3 車(chē)體大部件組焊夾具設(shè)計(jì)及分析

根據(jù)側(cè)墻的工藝設(shè)計(jì)尺寸和整體吊運(yùn)需要，側(cè)墻大部件組焊夾具外形尺寸較大，長(zhǎng)約30米、寬約4米、高約0.6米，整體結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架上布置側(cè)墻反裝位胎模，因受焊接廠房天車(chē)吊重的限制，桁架自重要求不能超過(guò)15噸。

根據(jù)焊接設(shè)備支撐平臺(tái)和桁架加工制造工藝的要求，設(shè)計(jì)方案是將整體桁架分為5塊分別加工制造，再將5部分裝配后整體一次加工，保證現(xiàn)場(chǎng)組裝完成的精度。

3.1 桁架裝配介紹

桁架的5部分之間相互橫向采用端面鍵連接保證定位精度，縱向采用定位銷(xiāo)定位，以定位銷(xiāo)之間的距離確定定位精度，保證夾具體縱向定位精度，相互之間采用校核過(guò)有足夠剛度、強(qiáng)度、定位精度的M20的鉸制孔螺栓連接，保證桁架各塊之間縱向連接剛度。

根據(jù)焊接工藝的需要，桁架整體平面尺寸必須保證激光焊接設(shè)備要求的焊接平面度0.1mm。為此需要采用整體加工工藝，保證每個(gè)單元加工的尺寸及精度。

3.2 夾具機(jī)構(gòu)介紹

夾具機(jī)構(gòu)布置于桁架上部，是焊接阻焊夾具的定位和夾緊機(jī)構(gòu)，主要包含：（1）支撐模塊安裝基準(zhǔn)定位機(jī)構(gòu)；（2）工件的定位機(jī)構(gòu)；（3）工件的快速切換壓緊機(jī)構(gòu)；（4）工件的預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)等。

夾具機(jī)構(gòu)按功能分主要分為定位機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)。主要設(shè)計(jì)目的是為保證工件的定位準(zhǔn)確和保證焊接中有足夠的壓緊力以減小變形，并且保證夾緊機(jī)構(gòu)在工件切換中無(wú)盲點(diǎn)，通過(guò)利用工件的內(nèi)部空間設(shè)計(jì)出有足夠剛度和強(qiáng)度的焊接定位夾具機(jī)構(gòu)，對(duì)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度均進(jìn)行校核計(jì)算，在制造過(guò)程中對(duì)材料采取焊接退火處理等工藝方式。

4 車(chē)體大部件整體吊運(yùn)夾具設(shè)計(jì)及分析

剛性吊運(yùn)設(shè)計(jì)：整體吊運(yùn)機(jī)構(gòu)（如圖1）設(shè)計(jì)要求以上平面為基準(zhǔn)保證在吊運(yùn)過(guò)程中工件不變形。

側(cè)墻大的焊接尤其是采用激光焊時(shí)，工裝必須準(zhǔn)確地將側(cè)墻各零部件多點(diǎn)均勻約束在專(zhuān)用胎具內(nèi)，操作檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，為提高設(shè)備利用率，工件在工裝的裝配安排在預(yù)組胎位完成。

預(yù)組作業(yè)完成需要整體將工裝與工件整體吊運(yùn)至焊接區(qū)域內(nèi)，在整個(gè)吊運(yùn)過(guò)程中，工件與工裝之間位移量不得大于0.1mm，否則無(wú)法滿足后工序的焊接工藝要求，直接影響焊接質(zhì)量和增加大量的檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)，因此整個(gè)吊運(yùn)過(guò)程必須采用剛性吊運(yùn)，確保吊運(yùn)過(guò)程的準(zhǔn)確度。

圖1 整體吊運(yùn)機(jī)構(gòu)

剛性桁架吊運(yùn)可保證夾具焊接精度要求，采用與側(cè)墻等長(zhǎng)的專(zhuān)用多點(diǎn)剛性連接桁架將大部件整體工裝約束固定在吊運(yùn)桁架上，控制兩部天車(chē)同時(shí)同步起吊，完成吊運(yùn)作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

車(chē)體大部件組焊夾具工裝具有經(jīng)濟(jì)性、靈活性、精確性和耐用性的特點(diǎn)，在焊裝生產(chǎn)過(guò)程中，選用性能優(yōu)越的焊接工裝夾具對(duì)提高焊接產(chǎn)品的精度和質(zhì)量、縮短焊接預(yù)組時(shí)間起著非常重要的作用，同時(shí)設(shè)計(jì)專(zhuān)用大部件整體吊運(yùn)夾具，滿足焊接精度要求，并提高焊接效率。

[1]劉志華，趙兵，趙青．21世紀(jì)航天工業(yè)鋁合金焊接技術(shù)展望[J]．導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2002，（5）.

[2]張帥，劉紅，王樹(shù)青．淺談鋼結(jié)構(gòu)焊接安裝施工工藝[J]．魅力中國(guó)，2011，（7）.

[3]王亞軍．中國(guó)航空焊接/連接技術(shù)的發(fā)展與未來(lái)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

（責(zé)任編輯：王 波）

U270

1009-2374（2017）12-0167-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.086

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