S地鐵鋁合金車(chē)體制造工藝

呂曉蘭，王 釗， 費(fèi)鵬飛

(青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司，山東 青島 266111)

隨著近年城市軌道交通的迅猛發(fā)展，對(duì)地鐵和輕軌的需求量急劇增加。如何優(yōu)化設(shè)計(jì)并采用先進(jìn)的制造工藝，生產(chǎn)出高質(zhì)量的車(chē)體是各制造企業(yè)努力追求的目標(biāo)。本文研究了S地鐵鋁合金車(chē)體的制造工藝。該地鐵要求質(zhì)保期為33年，因此對(duì)車(chē)體生產(chǎn)質(zhì)量提出了較高的要求。

1 S地鐵車(chē)體基本結(jié)構(gòu)

S地鐵為每列4輛編組，由A1→B1→B2→A2組成(見(jiàn)圖1)。其中，A1/A2為帶有駕駛?cè)耸业念^車(chē)，B1/B2為中間車(chē)。

圖1 S地鐵車(chē)輛編組

S地鐵車(chē)體主結(jié)構(gòu)為擠壓鋁型材焊接而成的薄壁筒形結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)提高了制造和組裝效率，同時(shí)還得到了一個(gè)剛度很大的車(chē)體[1]。主要擠壓鋁型材材料采用近年來(lái)在軌道行業(yè)高速車(chē)上應(yīng)用相對(duì)成熟的6系高強(qiáng)度鋁合金材料ENAW-6005A。相比照碳鋼和不銹鋼造車(chē)體，鋁的密度約為鋼的1/3，可使車(chē)輛部件減重到50%，是軌道車(chē)輛輕量化實(shí)現(xiàn)節(jié)電、高速運(yùn)行的重要途徑之一[2]；同時(shí)擠壓鋁型材的形式又使車(chē)體的密閉性?xún)?yōu)于碳鋼和不銹鋼車(chē)。除鋁合金型材外，輔助板材全部采用相當(dāng)強(qiáng)度的板材ENAW5083-H111，管材為ENAW6060 T6，所有材料均符合標(biāo)準(zhǔn)EN 755-2—2008。車(chē)體斷面圖如圖2所示，車(chē)體基本尺寸圖如圖3所示，S地鐵車(chē)體基本尺寸表見(jiàn)表1。

圖2 S地鐵車(chē)體斷面圖

圖3 S地鐵基本尺寸圖

(mm)

S地鐵車(chē)體由底架、側(cè)墻、車(chē)頂、端墻和駕駛?cè)耸夜羌芙M成，其構(gòu)成圖如圖4所示。

圖4 S地鐵車(chē)體構(gòu)成圖

2 S地鐵車(chē)體制造工藝流程

車(chē)體制造工藝流程如下：底架安裝→端墻安裝→側(cè)墻安裝→駕駛?cè)耸野惭b→車(chē)體寬度調(diào)整→車(chē)頂安裝→車(chē)體焊接→車(chē)體吊運(yùn)→車(chē)體附件焊接→車(chē)體檢驗(yàn)→車(chē)體清理防護(hù)→車(chē)體交檢。

3 S地鐵車(chē)體主要大部件組焊工藝

3.1 底架組焊

底架組焊如圖5所示。具體步驟如下。

1)牽引梁組焊：車(chē)鉤板焊接→車(chē)鉤板機(jī)加工→底板焊接→蓋板焊接→交檢。

2)枕梁組焊：空簧座組焊→枕梁焊接→枕梁機(jī)加工→枕梁總成→枕梁交檢。

3)中部地板組焊：地板自動(dòng)焊→焊后調(diào)修→地板焊后機(jī)加工→地板機(jī)加工后打磨。

4)小地板組焊：兩平直地板組焊→彎梁組焊→焊后調(diào)修。

5)底架組焊：底架正位組焊→底架反位組焊→底架附件焊接→底架焊后調(diào)修→底架交檢。

圖5 底架組焊

工藝重點(diǎn)：空簧座壓套工藝； 底架寬度調(diào)整。

保證措施：采用專(zhuān)用的壓套工裝，進(jìn)行多次反復(fù)試驗(yàn)后，確定出最適合圖樣尺寸要求的配合尺寸；調(diào)整底架工裝側(cè)面在底架邊梁的壓緊位置，使底架半寬尺寸最終控制在公差(0，-6) mm內(nèi)，且滿(mǎn)足車(chē)體組裝要求。

3.2 側(cè)墻組焊

側(cè)墻組焊如圖6所示。具體步驟如下。

1)側(cè)墻自動(dòng)焊：側(cè)墻反位組裝→側(cè)墻反位自動(dòng)焊→側(cè)墻正位自動(dòng)焊→輪廓度檢測(cè)及打磨。

2)側(cè)墻總成組焊：側(cè)墻反位打磨→側(cè)墻正位打磨→側(cè)墻反位門(mén)立柱及其他附件焊接→側(cè)墻正位門(mén)立柱及其他附件焊接→安裝鉚螺母→側(cè)墻交檢。

圖6 側(cè)墻組焊

工藝重點(diǎn)：側(cè)墻輪廓度控制，側(cè)墻預(yù)撓度控制。

保證措施：采用專(zhuān)用組裝工裝通過(guò)模板控制輪廓度，通過(guò)頂緊歸攏裝置得到預(yù)設(shè)撓度。

3.3 車(chē)頂組焊

車(chē)頂組焊如圖7所示。具體步驟如下。

1)小頂棚組焊：小頂棚反位組裝→小頂棚反位自動(dòng)焊→小頂棚正位自動(dòng)焊→小頂棚輪廓度檢測(cè)→焊縫打磨清理。

2)車(chē)頂組焊：空調(diào)框架組焊→頂棚正位組裝及焊接→頂棚反位焊接→頂棚反位附件焊接及安裝→車(chē)頂交檢。

圖7 車(chē)頂組焊

工藝重點(diǎn)：車(chē)頂輪廓度、空調(diào)框架與車(chē)頂板連接錯(cuò)邊量控制。

保證措施：專(zhuān)用組焊工裝及輪廓模板保證輪廓度；專(zhuān)用壓緊梁分別壓緊頂板和空調(diào)框架連接焊縫兩側(cè)，使兩側(cè)平齊。

3.4 端墻組焊

端墻組焊如圖8所示。具體步驟如下：反位組裝及點(diǎn)固→正位點(diǎn)固及焊接→反位焊接→測(cè)量和打磨→鉆孔及鉚螺母、螺紋襯套安裝→附件焊接→防寒釘位置劃線→端墻交檢。

圖8 端墻組焊

工藝重點(diǎn)：門(mén)口寬度及高度尺寸控制、鉆孔精度控制。

保證措施：專(zhuān)用端墻組焊工裝上設(shè)置準(zhǔn)確定位塊及調(diào)整墊；在專(zhuān)用鉆孔工裝上通過(guò)鉆孔模板鉆孔，以保證鉆孔精度。

3.5 駕駛?cè)耸夜羌芙M焊

駕駛?cè)耸夜羌芙M焊如圖9所示。具體步驟如下：各零件在工裝上預(yù)組裝及研配打磨→焊接上部組件①→焊接下部組件②→焊接上下B柱接縫③。

圖9 駕駛?cè)耸夜羌芙M焊

工藝重點(diǎn)：B柱上部焊后偏頭。

保證措施：調(diào)整焊接順序，并預(yù)設(shè)反變形。

4 S地鐵車(chē)體組裝及焊接主要工藝

車(chē)體的組焊順序?yàn)椋旱准堋藟Α鷤?cè)墻→駕駛?cè)耸夜羌堋?chē)頂。

4.1 底架安裝

通過(guò)枕梁下平面和邊梁下平面放置底架，其中，邊梁支撐預(yù)先按照撓度設(shè)置調(diào)整高度。通過(guò)下拉裝置和邊梁C型槽、枕梁翼板固定底架。用水平儀檢測(cè)車(chē)鉤板安裝中心與枕梁下平面的高度差。高度差公差控制在±2 mm內(nèi)。底架邊梁的撓度設(shè)置值如圖10所示。撓度值中部點(diǎn)1為14 mm，兩側(cè)點(diǎn)2和點(diǎn)3為10 mm， 枕梁中心位置為撓度0點(diǎn)。

圖10 撓度設(shè)置

4.2 端墻安裝

吊運(yùn)端墻落到底架端橫梁上部，端墻中心對(duì)齊底架端橫梁中心，端墻外端面與底架端橫梁外側(cè)平齊，用斜撐桿把端墻與底架支撐。通過(guò)端門(mén)口橫撐桿調(diào)整門(mén)寬及端墻兩側(cè)與底架兩側(cè)焊縫錯(cuò)邊量，同時(shí)控制端門(mén)高度公差(0，+3)mm和下部焊接間隙2.5～3 mm。調(diào)整端墻斜撐桿控制端墻外張，且垂直度≤2 mm。

4.3 側(cè)墻安裝

A1/A2車(chē)側(cè)墻縱向以底架邊梁駕駛?cè)耸议T(mén)切口定位，B1/B2車(chē)側(cè)墻縱向以中部側(cè)門(mén)近一位端側(cè)門(mén)切口縱向定位。A車(chē)從一位端開(kāi)始，B車(chē)先從中門(mén)向一位端開(kāi)始、再?gòu)闹虚T(mén)向二位端，逐個(gè)調(diào)整側(cè)門(mén)橫撐桿，控制側(cè)門(mén)寬度公差(+1，+3)mm，逐段定位焊接側(cè)墻與底架間焊縫。橫向采用內(nèi)定位方式：用橫撐桿控制兩側(cè)側(cè)墻內(nèi)部寬度，用斜撐桿對(duì)角支撐兩側(cè)墻，用經(jīng)緯儀從兩側(cè)測(cè)量并調(diào)整半寬，調(diào)整斜撐桿使兩側(cè)墻半寬公差都在(-1，-3)mm范圍內(nèi)。測(cè)量調(diào)整側(cè)門(mén)高度公差(0，+1)mm。

4.4 駕駛?cè)耸夜羌馨惭b

兩側(cè)駕駛?cè)耸夜羌芘c上部橫梁預(yù)先組焊后，整體吊運(yùn)至底架上方，落于底架前端兩側(cè)的斜梁上，研配并打磨兩側(cè)骨架下部焊縫位置至骨架與底架間焊接間隙滿(mǎn)足焊接工藝規(guī)范(WPS)要求，點(diǎn)固焊接背板到駕駛?cè)耸夜羌芟虏俊Ｑ信漶{駛?cè)耸夜羌芘c側(cè)墻上部對(duì)接焊縫連接部位，打磨調(diào)整側(cè)墻上部側(cè)墻或背板。上下研配完畢后，調(diào)整固定骨架下部測(cè)量點(diǎn)尺寸公差為±3 mm，點(diǎn)固焊接骨架下部與底架連接處。用經(jīng)緯儀從兩側(cè)測(cè)量駕駛?cè)耸夜羌苌喜繙y(cè)量點(diǎn)和中部測(cè)量點(diǎn)半寬，最終半寬尺寸公差分別按照±3 mm控制，并用撐桿把半寬固定，點(diǎn)固焊接駕駛?cè)耸夜羌芘c側(cè)墻上部連接處。

4.5 車(chē)頂安裝

雙天車(chē)吊運(yùn)車(chē)頂，縱向以車(chē)頂中心對(duì)齊側(cè)墻中心，橫向以車(chē)頂中心對(duì)齊端墻中心，把車(chē)頂落于側(cè)墻、端墻(駕駛?cè)耸夜羌?上部。先調(diào)整車(chē)頂與側(cè)墻中心對(duì)齊，中心偏差控制在≤2 mm，再通過(guò)連接側(cè)墻與車(chē)頂?shù)睦o裝置調(diào)整側(cè)墻與車(chē)頂搭接量，使左右側(cè)搭接量盡量一致且左右側(cè)搭接量偏差在2 mm內(nèi)來(lái)調(diào)整車(chē)頂橫向中心。調(diào)整空調(diào)安裝框架車(chē)內(nèi)高度，中間位置按(-1，-3)mm控制，兩端按(-5，-3)mm控制；同時(shí)，用水平儀測(cè)量空調(diào)框架上部?jī)蓚?cè)6點(diǎn)高度偏差2 mm。先點(diǎn)固焊接車(chē)內(nèi)，再點(diǎn)固焊接車(chē)外，車(chē)內(nèi)車(chē)外都從中間向兩端進(jìn)行點(diǎn)固焊接。

4.6 車(chē)體焊接

S地鐵車(chē)體焊接原則，先焊接車(chē)內(nèi)再焊接車(chē)外，從下向上焊接。先焊接車(chē)內(nèi)底架與側(cè)墻間，再焊接車(chē)內(nèi)車(chē)頂與側(cè)墻間，上下兩道焊縫都由4個(gè)人從中門(mén)兩側(cè)向兩端同時(shí)左右對(duì)稱(chēng)焊接。車(chē)內(nèi)縱向焊接的同時(shí)進(jìn)行車(chē)內(nèi)端墻周圈焊接，先焊接端墻與底架，再焊接端墻與側(cè)墻，最后焊接端墻與車(chē)頂。車(chē)外焊接順序與車(chē)內(nèi)完全相同，需要4人左右側(cè)同時(shí)對(duì)稱(chēng)焊接的，可以采用左右手的分段退焊代替左右手焊接。

5 車(chē)體組焊工藝難點(diǎn)及解決措施

5.1 底架撓度設(shè)置

因S地鐵車(chē)體與動(dòng)車(chē)組或高速車(chē)相比定距短了超過(guò)1/3，具體設(shè)計(jì)撓度及底架實(shí)際撓度列表見(jiàn)表2。

表2 底架撓度列表 (mm)

從表2數(shù)據(jù)可以看出，S地鐵車(chē)體底架定距短，但預(yù)先撓度設(shè)置比動(dòng)車(chē)組和高速車(chē)要大，并且要設(shè)置3個(gè)點(diǎn)的撓度。因?yàn)镾地鐵的邊梁截面比動(dòng)車(chē)組和高速車(chē)的截面抗彎模量大，因此要想達(dá)到焊后5～9 mm的撓度，組裝時(shí)撓度的預(yù)設(shè)值應(yīng)更大。借鑒動(dòng)車(chē)組的撓度預(yù)設(shè)經(jīng)驗(yàn)，每輛車(chē)底架安裝完畢后，用水平儀測(cè)量每側(cè)邊梁3個(gè)測(cè)量點(diǎn)及2枕梁位置共計(jì)5點(diǎn)高度差，經(jīng)近10輛車(chē)的摸索調(diào)整后，S地鐵車(chē)體底架撓度預(yù)設(shè)可以固定為：相對(duì)枕梁位置底架邊梁下平面，中部點(diǎn)1支撐高度差為14 mm，2個(gè)近中部點(diǎn)2和點(diǎn)3的高度差為10 mm，同時(shí)保證各底架邊梁下平面與支撐平面貼緊密，這樣車(chē)體焊接后的撓度值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5.2 側(cè)門(mén)高度偏低

最初幾輛車(chē)，車(chē)體側(cè)門(mén)高度普遍偏低，且低于設(shè)計(jì)公差要求的下偏差，分析原因如下：1)5塊側(cè)墻板組焊后高度方向焊后收縮3 mm；2)門(mén)口上部型材設(shè)計(jì)時(shí)，把門(mén)口上平面融合進(jìn)型材中，使門(mén)口上部機(jī)加工時(shí)工藝放量受限制，最大為3 mm；3)側(cè)墻機(jī)加工時(shí)因與底架撓度配合預(yù)先頂出10 mm撓度，使機(jī)加工時(shí)帶著撓度加工門(mén)口，在門(mén)口上部高度不一致。

側(cè)門(mén)高度示意圖如圖11所示。

解決措施：1)修改側(cè)墻型材擠壓公差，各型材高度方向增大1 mm；2)側(cè)墻機(jī)加工時(shí)，改為垂直于撓度方向加工門(mén)口尺寸。

5.3 駕駛?cè)耸夜羌軐挾瓤刂?/h3>

S地鐵駕駛?cè)耸夜羌苄枰刂瞥叽缛鐖D12所示，控制點(diǎn)為骨架前端上下A柱6點(diǎn)寬度和長(zhǎng)度方向尺寸。 其中，長(zhǎng)度方向尺寸由單個(gè)骨架組焊時(shí)工裝保證，寬度方向尺寸為車(chē)體組焊后形成尺寸。因車(chē)體組焊后駕駛?cè)耸夜羌苌喜繙y(cè)量點(diǎn)為自由端，焊前調(diào)整好后，焊后撐桿松開(kāi)后釋放趨勢(shì)不受控制，可能因內(nèi)部應(yīng)力使測(cè)量點(diǎn)尺寸變化。

圖12 駕駛?cè)耸夜羌軐挾?/p>

解決措施：把左右側(cè)骨架與中間橫梁一并在專(zhuān)用工裝上組裝并焊接。組裝時(shí)，下部測(cè)量點(diǎn)尺寸與裝配底架前端尺寸寬度匹配，上部測(cè)量點(diǎn)按照-3 mm公差控制。車(chē)體組裝時(shí)，整體吊運(yùn)骨架，并在骨架前后立柱間增加撐桿連接，組裝完畢后松開(kāi)撐桿。

5.4 空調(diào)框架車(chē)內(nèi)高度偏低

S地鐵車(chē)體內(nèi)高主要由端墻和側(cè)墻決定。但車(chē)內(nèi)空調(diào)框架位置高度因側(cè)墻焊后收縮、側(cè)墻只有側(cè)門(mén)上部位置連接，屬于薄弱環(huán)節(jié)，特別是底架向上預(yù)設(shè)撓度至14 mm，所以車(chē)內(nèi)空調(diào)框架中部位置為車(chē)內(nèi)高度最低點(diǎn)，松開(kāi)豎直撐桿及焊后容易形成高度最低點(diǎn)(見(jiàn)圖13)。

圖13 空調(diào)框架高度

解決措施：1)修改側(cè)墻型材擠壓公差，各型材高度方向尺寸增大1 mm；2)調(diào)整減小車(chē)頂與兩側(cè)側(cè)墻的搭接量使車(chē)內(nèi)高度增大，搭接量可以最小到8 mm，且左右側(cè)搭接量差≤2 mm。

5.5 焊縫易產(chǎn)生氣孔

車(chē)體焊接過(guò)程中，分別在不同位置的連接焊縫處出現(xiàn)氣孔，影響焊接質(zhì)量。從如下各項(xiàng)入手分析原因：1)焊接時(shí)環(huán)境溫度；2)焊接時(shí)環(huán)境相對(duì)濕度；3)保護(hù)氣體純度；4)焊絲干燥及清潔程度；5)焊前焊接件清理程度；6)焊接參數(shù)選擇。

解決措施：1)檢查環(huán)境溫度及濕度，確保施焊時(shí)環(huán)境溫度≥10 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度≤65%；2)檢測(cè)并確保保護(hù)氣體氬氣(Ar2)純度≥99.99%；3)嚴(yán)格按

照通用技術(shù)文件要求清理打磨母材待焊接區(qū)域；4)檢查并確認(rèn)焊絲存放；5)焊前采用預(yù)熱；6)調(diào)整選擇正確的焊接參數(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述總體工藝的應(yīng)用以及對(duì)難點(diǎn)問(wèn)題的具體解決，使S地鐵車(chē)體完成后完全滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)對(duì)尺寸及焊接質(zhì)量的要求，順利交付了首批車(chē)體。