自動化焊接在CRH380A型動車組枕梁中的應用

■ 仇志遠，金昌海，陳貝

關(guān)鍵字：自動化；枕梁內(nèi)焊縫焊接；焊接順序；組裝精度

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CRH380A型動車組枕梁組成內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，焊縫數(shù)量多且空間狹小，制造難度大、成本高，而枕梁結(jié)構(gòu)是CRH380A型高速動車組車體的關(guān)鍵部件之一，它的焊接質(zhì)量要求高，如何能夠既保證焊接質(zhì)量，又能降低制造難度和制造成本成為枕梁生產(chǎn)的首要任務。

本文通過對CRH380A型動車組枕梁內(nèi)焊縫焊接的研究，確定了枕梁內(nèi)焊縫采用機器人進行自動化焊接的工藝方案。

1. 枕梁組成結(jié)構(gòu)

鋁合金枕梁是中車青島四方機車車輛股份公司生產(chǎn)的CRH380A型動車組的關(guān)鍵部件之一，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的內(nèi)部包含12塊L形補強板、2塊方型厚板、6塊長方形厚板，內(nèi)腔空間最狹窄尺寸僅為170mm，因此，它的焊接質(zhì)量要求高、制造難度大、成本高。

圖1 枕梁三維圖及現(xiàn)場實物

2. 自動化焊接設(shè)備

自動化焊接設(shè)備采用奧地利公司生產(chǎn)的IGM自動焊機，焊接機器人此系統(tǒng)配備帶旋轉(zhuǎn)的懸臂立柱機構(gòu)RST，可在地軌RTS上左右移動。在懸臂下方左右兩側(cè)可平行布置各兩臺焊接工位。系統(tǒng)采用單回轉(zhuǎn)式變位機，夾具與變位器旋轉(zhuǎn)面板連接緊固。機器人可以依靠懸臂機構(gòu)可在四個焊接工位上方空間運動，保證焊縫可達。在中央計算機的控制下自動控制工業(yè)機器人、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、焊接電源和焊槍清理機構(gòu)等協(xié)調(diào)動作。機器人配備傳感器，用于焊縫起始點尋找與焊縫跟蹤。

圖2 安裝樣板設(shè)計

圖3 枕梁內(nèi)焊縫焊接順序

圖4 枕梁內(nèi)焊縫自動焊程序編號

3. 枕梁內(nèi)焊縫自動化焊接工藝

（1）枕梁組裝 自動化焊接對枕梁內(nèi)焊縫各個零件的組裝精度要求較高，為保證枕梁組裝精度，本文設(shè)計制作了如圖2所示的安裝樣板，樣板采用激光整體下料，嚴格保證零件組裝精度。

（2）枕梁組裝后在自動焊胎位的固定 枕梁零件組裝后使用天車吊運枕梁至枕梁內(nèi)焊縫自動焊胎位，為方便機器人找點，在工裝上設(shè)置端部定位塊及側(cè)面定位塊，枕梁吊運時需保證枕梁與端部及側(cè)面定位塊靠緊。靠緊后使用程序控制風動液壓裝置壓緊枕梁（工裝兩側(cè)各3個液壓裝置，共計6個），以控制枕梁內(nèi)焊縫焊接變形。

（3）枕梁內(nèi)焊縫自動焊焊接工藝 第一，雙工位枕梁內(nèi)焊縫自動焊交替順序：枕梁內(nèi)焊縫自動焊接采用雙工位交替焊接方式焊接，機器人設(shè)備焊接流程：工位Ⅰ（或Ⅱ）打底焊接 工位Ⅱ（或Ⅰ）打底焊接 工位Ⅰ（或Ⅱ）蓋面焊接工位Ⅱ（或Ⅰ）蓋面焊接。工位Ⅰ（或Ⅱ）焊接時，工位Ⅱ（或Ⅰ）進行上件、焊前清理、層間處理及焊縫修整。

第二，單個枕梁內(nèi)焊縫自動焊接順序：先焊接枕梁與下蓋板搭接焊縫，再焊接下蓋板與補強板T形對接焊縫，最后焊接枕梁立面與補強板T形對接焊縫。焊接方向采取由中心向兩端的方式進行逐次焊接，具體如圖3所示。

第三，單工位枕梁內(nèi)焊縫自動焊程序編號及焊接位置說明。程序編號代表焊縫說明及焊接順序：①A1-A9-B1-B8為枕梁與下蓋板船型焊，胎位為45°傾斜，打底焊及覆蓋層均有焊接尋位。②C1-C9-D1-D8為枕梁與下蓋板船型焊，胎位為45°傾斜，打底焊及覆蓋層均有焊接尋位。③E1-E6-F1-F6-G1-G6-H1-H6為補強板與下蓋板平角焊，胎位水平，打底焊有焊接尋位，無覆蓋層。④M1-1-M1-6-M2-1-M2-6--M3-1-M3-6-M4-1-M4-6為補強板與枕梁平角焊，胎位為90°垂直，打底焊有焊接尋位，無覆蓋層。⑤M5-1-M5-6-M6-1-M6-6--M7-1-M7-6-M8-1-M8-6為補強板與枕梁平角焊，胎位為90°垂直，打底焊有焊接尋位，無覆蓋層。具體如圖4所示。

4. 現(xiàn)車驗證

采用上述工藝措施后，枕梁內(nèi)焊縫自動焊進行了現(xiàn)車焊接驗證，同時模擬現(xiàn)車情況制作了工作試件分別進行金相試驗、拉伸試驗、彎曲試驗，結(jié)果如下。

（1）現(xiàn)車焊縫外觀 使用枕梁內(nèi)焊縫自動焊焊完現(xiàn)車后觀察焊縫成形美觀，焊縫尺寸符合標準要求，具體如圖5所示。

（2）宏觀金相 金相試樣垂直于焊接方向取樣，首先使用水砂紙打磨焊縫截面，然后拋光，其次使用混合型酸溶液在室溫下腐蝕20～30s，最后在Zeiss-AIM光學顯微鏡下觀察焊縫金相組織形貌，如圖6所示。由圖6可以看出，焊縫整體成形美觀，未見裂紋和明顯的夾渣等焊接缺陷。

（3）焊縫微觀組織 顯微組織中未見微裂紋及其他缺陷，焊縫組織較為致密，呈枝晶狀，焊接效果良好。在焊接過程中熔合區(qū)組織靠近焊縫一側(cè)為沿散熱方向以聯(lián)生結(jié)晶形式形成的柱狀晶組織，而靠近基體一側(cè)則為纖維狀組織；熱影響區(qū)組織比焊縫區(qū)的略為粗大，第二相發(fā)生聚集長大；母材晶粒沿軋制方向伸長，晶粒呈纖維狀，且與軋制方向相同，組織為少量的析出強化相。

（4）拉伸試驗結(jié)果 對兩組拉伸試樣進行試驗，獲得的接頭常規(guī)力學性能試驗結(jié)果如表1所示。拉伸試驗結(jié)果顯示抗拉強度均超過269.5MPa，滿足標準要求。

（5）彎曲試驗結(jié)果 對兩組彎曲試樣進行試驗獲得的接頭常規(guī)力學性能試驗結(jié)果如表2所示。焊接接頭試樣側(cè)彎達到180°時均完好，表明接頭的彎曲性能均達到相關(guān)標準的要求。

圖5 枕梁內(nèi)焊縫自動焊后焊縫

圖6 枕梁內(nèi)焊縫自動焊焊縫宏觀金相

5. 結(jié)語

本文通過對枕梁結(jié)構(gòu)及前期枕梁內(nèi)焊縫焊條電弧焊接工藝的研究，最終確定了枕梁內(nèi)焊縫自動焊的焊接工藝：焊前采用樣板安裝保證安裝精度，焊接工裝設(shè)置端部及側(cè)面定位塊方便機器人找點，工裝同時設(shè)置合理的剛性固定裝置控制焊接變形，雙工位焊接兼顧焊接質(zhì)量及工作效率，制定合理的單個枕梁焊接順序控制焊接變形。

采取上述工藝措施后，枕梁內(nèi)焊縫自動焊焊縫成形美觀，焊接性能滿足試驗要求，焊接質(zhì)量高，操作簡單，達到了預期目標。目前枕梁內(nèi)焊縫自動焊已同時在城際動車組及標準動車組中得到了廣泛應用。

表1 拉伸試驗結(jié)果

表2 彎曲試驗結(jié)果