鋁合金地鐵車輛車頂輪廓度超差控制

黨銳璽，鄭帥帥，楊瑞欣

中車成都機(jī)車車輛有限公司 四川成都 610500

1 序言

近年來(lái)，隨著軌道交通的不斷發(fā)展，地鐵車輛在各大城市不斷涌現(xiàn)，成為大眾最便捷的出行工具之一。而地鐵車輛車體制造經(jīng)歷了由碳素鋼、不銹鋼向鋁合金的轉(zhuǎn)變，朝著“輕量化、模塊化、智能化”的方向邁進(jìn)。目前，鋁合金地鐵車輛已經(jīng)占據(jù)了市場(chǎng)很大的份額。這是由于鋁合金地鐵車體相較原來(lái)的碳素鋼和不銹鋼車體，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、外觀平整度好且容易制造復(fù)雜曲面等優(yōu)勢(shì)，但鋁合金車體，包括其模塊化的底架、側(cè)墻、端墻和車頂大部件的制造均采用焊接工藝，焊接量大，難免會(huì)導(dǎo)致較大的焊接變形，嚴(yán)重影響車體強(qiáng)度和外觀質(zhì)量。

車頂作為鋁合金地鐵車輛必不可缺少的大部件，通過(guò)和側(cè)墻、端墻連接，將車體封閉為鼓形結(jié)構(gòu)。本文將主要針對(duì)車頂制造過(guò)程中由于焊接變形導(dǎo)致的輪廓度超差問(wèn)題展開研究。由于每個(gè)項(xiàng)目車頂結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的差異，本文以筆者跟蹤試制生產(chǎn)的成都地鐵6號(hào)線項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“成6項(xiàng)目”）為例展開介紹。

2 車頂結(jié)構(gòu)和制造工藝

（1）車頂結(jié)構(gòu) 成6項(xiàng)目車頂結(jié)構(gòu)由5塊型材組成，呈中心對(duì)稱。車頂板采用大型通長(zhǎng)雙面擠壓鋁合金型材插接結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為EN AW-6005A-T6，型材正、反面為2~3mm厚薄板，整體采用縱向拼接的長(zhǎng)直焊縫焊接而成（見圖1，正、反面長(zhǎng)直焊縫各4條）。

圖1 車頂斷面

（2）工藝流程 車頂組焊工藝流程為車頂板預(yù)組對(duì)→正面自動(dòng)焊→反面自動(dòng)焊→正面零件安裝→反面零件安裝→調(diào)修、探傷、交檢。正、反面共8條長(zhǎng)直焊縫利用igm自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接，其他定位焊和零件安裝均采用手工MIG焊。車頂組焊按照“先正面后反面”的順序。

3 車頂輪廓度控制難點(diǎn)

成6項(xiàng)目車頂焊后要求車頂外輪廓度與卡弧樣板間隙控制在6mm以內(nèi)，但在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，車頂正面零件安裝工序完成后，車頂外表面輪廓度與卡弧樣板間隙達(dá)到15~18mm，嚴(yán)重超差（見圖2），造成調(diào)修量大、調(diào)修難度高、員工作業(yè)強(qiáng)度高和資源浪費(fèi)。

圖2 車頂輪廓度檢測(cè)

4 原因分析及控制措施

（1）原因分析 成6項(xiàng)目車頂為雙面中空鋁型材全焊接結(jié)構(gòu)，出于減重考慮，鋁型材腔內(nèi)斜、豎加強(qiáng)筋數(shù)量較少，在焊接過(guò)程中必然會(huì)導(dǎo)致較大的變形。同時(shí)鋁合金車頂在焊接過(guò)程中，除了構(gòu)件自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相互約束外，大都是在有外部約束的條件下施焊，受焊接工裝上的定位、壓緊及一些輔助性的焊接裝置直接作用，焊件在熱循環(huán)作用下膨脹和收縮受到制約，這時(shí)焊接應(yīng)力與金屬內(nèi)應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，在焊件內(nèi)部形成較大的內(nèi)應(yīng)力[1]。而待車頂焊接完成后，松開各類約束裝置，部分瞬時(shí)應(yīng)力會(huì)得以釋放，從而以外部變形的形式呈現(xiàn)出來(lái)。

經(jīng)對(duì)車頂組焊工藝流程中各工序跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)在剛性固定條件下，車頂反面焊接變形量大于正面，這是因?yàn)檐図斣诜疵娼M焊胎位的二次焊接（在正面自動(dòng)焊后進(jìn)行焊接）造成的收縮應(yīng)力加上剛性固定形成的拉應(yīng)力要遠(yuǎn)大于一次正面焊接保留于車頂板中的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致車頂反面自動(dòng)焊后，會(huì)出現(xiàn)圖3中車頂沿軸向兩端翹起，中間下凹的現(xiàn)象。另外，在車頂正面零件安裝時(shí)安裝焊件較多，而車頂型材正面厚度為2～3mm，同時(shí)圖4空調(diào)安裝座組成和受電弓安裝座組成等焊件均采用四周滿焊的工藝，這樣在焊后會(huì)導(dǎo)致車頂板局部區(qū)域發(fā)生凹陷，導(dǎo)致車頂外表面變形不均勻。

綜上所述，車頂組焊流程中“反面自動(dòng)焊接”和“正面零件安裝”兩個(gè)工序過(guò)程中的焊接變形是造成車頂外表面輪廓度嚴(yán)重超差的主要原因。

圖3 車頂輪廓度變化情況

圖4 車頂正面零件安裝

（2）控制措施 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不斷試驗(yàn)和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)從焊前預(yù)制反變形和焊后調(diào)修兩個(gè)可有效地控制車頂輪廓度嚴(yán)重超差的現(xiàn)象。

1）預(yù)制反變形。預(yù)制反變形是一種減少及矯正焊接變形的常用方法[2]，通過(guò)在變形量最大的反面組焊工序的工裝上預(yù)制反變形來(lái)抵消部分變形量。如圖5所示車頂反面自動(dòng)焊工裝，可通過(guò)調(diào)整圖中1、2、3位置的頂針高度來(lái)預(yù)制反變形。

圖5 車頂反面自動(dòng)焊前反變形預(yù)制

車頂反面自動(dòng)焊工裝縱向方向布置了22組尼龍模板，每組尼龍模板上配置5個(gè)調(diào)節(jié)器（即頂針）。根據(jù)成6項(xiàng)目車頂特點(diǎn)，對(duì)每組模板上1、2、3位置（見圖5）的調(diào)節(jié)器預(yù)制一定量的反變形，反變形預(yù)制以調(diào)節(jié)器對(duì)應(yīng)的尼龍墊塊上表面為基準(zhǔn)。反變形量的確定經(jīng)過(guò)遵循“輪廓度數(shù)值統(tǒng)計(jì)、分析→確定反變形參數(shù)→工裝預(yù)制反變形→焊后輪廓度檢測(cè)→確定最優(yōu)反變形量”的流程反復(fù)試驗(yàn)。通過(guò)6個(gè)鋁合金車頂?shù)脑囍疲ǜ鶕?jù)前一個(gè)車頂變形量在下一個(gè)車頂焊前調(diào)整預(yù)制反變形量，共計(jì)調(diào)整6次），發(fā)現(xiàn)當(dāng)每組模板上1、2、3位置反變形預(yù)制量分別為4mm、5mm、3mm時(shí)，車頂焊后外輪廓度與卡樣板測(cè)量間隙最小。根據(jù)得出的較優(yōu)反變形量，調(diào)整22組調(diào)節(jié)器，將頂針用螺栓固定，在后續(xù)批量化生產(chǎn)中不需要再進(jìn)行調(diào)整。表1為反變形數(shù)據(jù)調(diào)整記錄。

2）火焰調(diào)修?；鹧嬲{(diào)修法是對(duì)焊件的選定部位進(jìn)行火焰加熱，并及時(shí)澆水冷卻，冷卻時(shí)產(chǎn)生塑性收縮變形，從而改變其形狀，達(dá)到預(yù)期的效果[3]?？紤]到鋁合金材質(zhì)特性和車頂結(jié)構(gòu)，在火焰調(diào)修時(shí)需遵循以下原則：①火焰調(diào)修應(yīng)在焊縫位置進(jìn)行，車頂板非焊縫位置不可進(jìn)行處理。②火焰調(diào)修時(shí)，火焰方向應(yīng)垂直于焊縫，使用火焰局部加熱的同時(shí)需要進(jìn)行水冷，火焰與水流間距控制在40mm以內(nèi)。③同一焊縫火焰調(diào)修次數(shù)不得多于3次，盡量減少下火調(diào)修次數(shù)。

表1 車頂反變形數(shù)據(jù)調(diào)整記錄

在以上原則的基礎(chǔ)上，對(duì)焊后冷卻至室溫的車頂使用卡弧樣板對(duì)車頂輪廓度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)超限的部位做好標(biāo)注，并進(jìn)行火焰調(diào)修。調(diào)修中要使用車頂輪廓度樣板測(cè)量并記錄車頂輪廓度值，若樣板與車頂外板間隙>6mm時(shí)，則再次進(jìn)行火焰調(diào)修，圖6為車頂調(diào)修合格后的狀態(tài)。

在預(yù)制最優(yōu)反變形量的基礎(chǔ)上，焊后車頂外輪廓度較原來(lái)已經(jīng)有了很大的改善，因此只需進(jìn)行少量的火焰調(diào)修即可達(dá)到交檢要求。

圖6 車頂輪廓度檢測(cè)

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于成6項(xiàng)目鋁合金車頂組焊，通過(guò)在車頂反面自動(dòng)焊工裝上每組尼龍模板1、2、3位置的頂針預(yù)制反變形量調(diào)整為4mm、5mm、3mm，可獲得最小的焊后外輪廓度變形量，同時(shí)采取適當(dāng)?shù)幕鹧嬲{(diào)修輔助工藝措施，可有效地降低施工人員調(diào)修難度和作業(yè)量，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，并降低了生產(chǎn)成本。