工裝在軌道車輛鋁合金焊接變形控制技術中的應用

■ 高安江，岳亮

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1. 概述

隨著我國高端裝備制造業的快速發展，軌道交通已成為我國亮麗的 “國家名片”。在鋁合金材料技術和鋁合金深加工技術的支撐下，高速列車和近一半數量的城軌車輛車體全部采用鋁合金材料制造，為實現車輛高速化、輕量化、綠色化提供了可靠保障。軌道車輛車體主要采用超長、超寬、超薄壁厚、復雜截面的高性能擠壓鋁型材制造而成，制造工藝主要是焊接。

焊接工藝技術對車輛的質量以及制造成本有著很大的影響，通過提高鋁合金焊接工藝水平，可以有效提高軌道車輛的生產效率以及生產效益。鋁合金車體結構件的焊接質量主要包括焊縫質量和焊接變形的控制。焊縫質量主要靠焊接工藝來保證，而焊接變形除與焊接工藝有關外，還與焊接工裝關系巨大，合理的焊接工裝結構，不但能提高焊接質量，而且能極大地提高焊接效率。本文將結合生產實際，對工裝在軌道車輛鋁合金焊接變形控制技術中的應用進行研究，以供行業借鑒。

2. 焊接工裝分類

鋁合金焊接工裝具有形式多樣、結構復雜、制作周期長、投入大等特點。根據軌道車輛鋁合金車體部件的結構特點，焊接工裝大致可分為通用工裝支撐架、焊縫支撐裝置、定位及夾緊裝置、變位裝置、工藝支撐等類別。

（1）通用工裝支撐架 通用支撐架是各種焊接工裝的安裝底座或支架，是工裝的基礎。支撐架具備穩固可靠、尺寸精度高、安裝位置與精度可柔性調節等特點。行業一般采用鋼制雙腿橫梁結構，如圖1所示。支架的立腿和橫梁一般選用方鋼管，立腿和橫梁采用法蘭加工面螺栓連接。支撐架一般通過T型螺栓固定于預埋在地下的地平臺上（地平臺上平面比車間地面高5～10mm）。支撐架橫梁的上平面和下安裝面、立腿的上下平面，經過機械加工可以達到較高的尺寸精度。支撐架整體可以通過立柱下法蘭上的調節螺栓來微調橫梁上表面的水平度，橫梁全長平面度能夠保證在0.1mm范圍內。支撐架的橫梁長度及支撐架高度由所使用的焊接設備和工件來確定，支撐架的數量及間隔距離排布根據工件的具體長度尺寸來確定。軌道車體大部件焊接支撐架的間距一般在800～1400mm，橫梁中間設計有工藝孔，供液壓或者氣壓管道使用。

圖1 通用工裝支撐架

（2）焊縫支撐裝置 根據車體部件的結構形式，焊縫支撐裝置一般分為平板類支撐裝置（車體底板焊接工裝）和弧形類支撐裝置（車體頂棚或弧形側墻）。平板類支撐裝置如圖2所示。焊縫支撐裝置如圖3所示，1為鋼制連接裝置，用于支撐裝置和支撐架橫梁的連接；2為鋁制過渡裝置，過渡裝置通過螺栓緊固在1上，同時有四個調節螺栓，方便微調焊縫支撐裝置的高度；3為鋁制支撐墊塊，支撐墊塊上開有和焊縫位置對應的凹槽，并通過銷子和2連接。1、2、3組成的焊縫支撐裝置的位置可移動調節，墊塊3的高度可變換，可方便地改造為反變形工裝，如圖4所示。平板類支撐裝置的安裝位置和數量根據工件焊縫的結構具體情況確定。此裝置結構簡單、操作方便、柔性強，能很好的適應不同寬度和厚度工件的組裝、焊接，既提高了焊接工裝的重復利用率，又減少了投資成本。

弧形類支撐裝置如圖5、圖6所示，1為鋼制支撐立板，通過螺栓固定在支撐座上。2為尼龍或不銹鋼符形塊，通過螺栓和焊接固定到鋼制支撐立板上。3為鋼制支撐立板固定座，通過螺栓固定到工裝通用支撐架上?；⌒沃窝b置針對特定的工件設計制作，結構較為復雜，制造成本高，柔性差，在實際生產中需反復試驗調節才能滿足生產需求，是焊接工裝投入最大的部分。

（3）定位及夾緊裝置 焊接工裝的定位及夾緊裝置是保證結構件焊接尺寸精度和形狀精度的關鍵，靈活的定位及裝夾方式對提高勞動生產率意義重大。軌道車輛車體大部件焊接工裝定位及夾緊裝置主要包括定位單元、夾緊單元、壓緊單元、中心線測量單元等。

定位單元通常設計為對車體大部件的縱向左側或右側進行定位，一般有機械式定位和氣動式定位兩種方式，定位單元如圖7所示。定位單元由鋁制接觸面和鋼制支架構成，固定在支架橫梁上，安裝時要保證多個定位單元的側向位置度滿足精度要求。為了滿足定位單元的柔性需求，還開發了螺桿調節、螺母緊固的可調節定位單元，大大提高了定位單元的適用性。

圖2 平板類支撐裝置

圖3 焊縫支撐裝置

圖4 附加反變形裝置

圖5 尼龍接觸符形塊車頂邊梁組焊工裝

圖6 不銹鋼接觸面頂板邊梁分體式車頂組焊工裝

夾緊單元通常分為豎向夾緊和側向夾緊，如圖8所示。一般情況下，夾緊單元和定位單元共用同一個支架，為了操作方便，通常采用氣動夾緊、螺桿調節的結構形式。因鋁合金焊接變形較大，夾緊裝置在設計時要考慮夾緊力的強度要求。

圖7 定位單元

圖8 夾緊單元

壓緊單元主要是針對大寬度，縱向焊縫多且焊縫較長的底板、側墻、頂棚類部件焊接，除了寬度方向的兩側設有夾緊單元外，通常在工件中間部位、焊縫兩側布置獨立的負重塊即焊接壓鐵，壓鐵一般選用Q235方鐵或灰鑄鐵制作，如圖9、圖10所示。部分壓鐵根據需要底部壓緊面需要加工凹槽，以避開鋁型材的C型槽或T型區域。壓鐵截面尺寸一般選用170mm×170mm、200mm×200mm方鐵，重量有0.5T、1T、1.5T等規格，以滿足不同工件不同場合的焊接壓緊需要。

在車頂總組裝時，為了防止各部位車頂半寬超差，保證車頂各單元部件的中心線和兩端邊梁的中心線重合，此中心線命名為車體中心線，使用中心線測量單元（見圖11、圖12）進行檢測。測量單元設置在車頂總組裝工裝的兩端，每端一套，以工裝某平面為基準，調試中心線測量單元的中心線與工裝上車體中心線重合，然后固定。中心線測量單元由支架、絞繩器、若干米細鋼絲繩組成。單元部件吊運到工裝上時，從其中一端將鋼絲繩拉出，固定到另一端絞繩器上，繃緊鋼絲，將部件中心線與鋼絲繩重合，實現了車頂組裝時各部件中心線對中的目的。

圖10 壓鐵工作示意

圖11 中心線測量單元

（4）變位裝置 對于焊縫結構復雜，且焊槍可達性差的工件，為了提高工作效率，降低勞動強度，控制焊接變形，避免多次裝夾造成的變形不規律，通過回轉工件的焊接變位，拖動待焊工件，使其待焊焊縫運動至理想位置進行施焊作業，并增加焊接時的焊槍可達性，可研發使用變位裝置。

變位裝置一般由變位機和翻轉焊接工裝組成，如圖13所示。翻轉焊接工裝的結構形式需根據工件的實際情況設計制造，以“把焊接工作量最大的一面設計為工裝的主工作面，把立焊、仰焊等轉換為平焊或者平角焊”的原則進行設計。同時，工裝上要設計有靈活、可靠的定位和夾緊裝置。

圖12 支架（固定有掛線槽）

（5）工藝支撐 對于框架類和特殊弧度類結構件，在焊接生產過程中，為了保證部件制作和產品整體組焊的尺寸和形狀精度，經常采用工藝支撐，如圖14所示。工藝支撐在部件焊接和整體組焊過程中一直保持在工件上，直到最終產品制造完成。如軌道車輛側墻的焊接，在側墻門框焊接過程中，為保證門口寬度尺寸（1380+3+0mm），在門框焊接初期便加裝工藝支撐。在整體側墻板自動焊接時加工藝支撐，保證尺寸（1680+3+2mm），在門框與整體側墻板焊接過程中保留門框工藝支撐，直至整車組裝焊接完畢，才取下工藝支撐。

圖13 側墻單元變位焊接工裝

圖14 側墻門框焊接工藝支撐

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通過工藝支撐的使用，有效地預防并控制了焊接變形，方便了下道工序的生產作業，保證了制造精度，提高了生產效率。

3. 結語

鋁合金結構件焊接變形大，焊縫質量控制困難，研發應用合適的工裝夾具，對提高焊接質量和生產效率，意義重大。在實際生產過程中，應結合工件的具體情況，根據合理的焊接順序，設計制造合適的焊接工裝。設計焊接工裝應遵循柔性強、制造成本低、使用方便、穩固牢靠為原則。同時，應加強焊接順序、反變形、振動時效去應力、預熱、緩冷、新型焊接技術等焊接工藝的研究和應用，綜合施策，提高焊接質量和效率，以提高中國制造的能力和水平，為“中國制造2025”戰略的實施貢獻力量。

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