地鐵車體總成關鍵焊縫焊后變形量工藝研究

付寧寧,經中濤

(中車南京浦鎮車輛有限公司, 江蘇 南京 210031)*

為了解決交通擁堵和汽車尾氣造成的空氣污染問題，并提高城市整體運轉效率，城市軌道交通系統的建設正受到人們越來越多的關注.鋁合金儲量豐富、密度低、比強度高等特點，大大降低了地鐵車體生產及運營成本，得到業主和廣大消費者的普遍認可[1-4].在實際生產中，鋁合金熔點低，焊后變形量大，給車體尺寸精度的控制帶來巨大挑戰[5-6].雖然車間使用的液壓下拉機構、撐桿等工具對車體尺寸定位和預置反變形可以對車體尺寸控制起到一定作用，但預置反變形和工藝放量尺寸都是根據經驗而來，缺少理論數據支撐，導致部分車體焊后需要重新矯正和調修，既影響了生產效率和生產進度，也增加了車間的工作量[7-8].因此研究地鐵車體關鍵焊縫焊后變形量對生產工藝改進具有重要意義.

1 地鐵車體及試驗材料和方法介紹

1.1 地鐵車體總成概述

鋁合金地鐵車體由底架、車頂、側墻*2、端墻*2(或端墻+司機室)六大部件組成，側墻由模塊1-5五個子模塊組成，如圖1.部件在各自臺位成產，交檢合格后運至總成臺位；預組裝過程使用液壓下拉機構對底架進行起撓，車體撓度工藝見圖2.

圖1 地鐵車體結構

圖2 底架向上起撓工藝圖

使用撐桿對車體部件進行尺寸約束和預變形，見圖3，并在關鍵部位如門腳處打上定位焊，見圖4.根據工藝文件要求先內部手工焊后外部自動焊，焊縫質量檢查合格后將車體運至打磨交檢臺位，對焊縫進行打磨和小零件焊接并再次檢查質量；最后進行車體司機室安裝并交檢(僅Tc車).

圖3 車體尺寸約束 圖4 門立柱定位焊

1.2 試驗材料

車體鋁合金型材為6005A-T6；鋁合金MIG焊絲為ER5356[AlMg5]，直徑為1.2 mm；鋁合金型材及焊絲的力學性能見表1， 化學成分見表2.其中，上部焊縫的焊接電壓為20 V，電流為180A，焊接速度為10 mm/s；下部焊縫的焊接電壓為22 V，電流為200 A，焊接速度為10 mm/s；保護氣體為Ar 99.999%.焊縫接頭形式見圖5.

圖5 焊縫接頭示意圖

表1 鋁合金型材和焊絲的力學性能

表2 鋁合金型材和焊絲的化學成分 %

1.3 測量方法

車體預組裝完成后以焊縫為中線使用精度為0.01 mm的游標卡尺在焊縫兩側做70 mm的標記，見圖6.上部焊縫、下部焊縫的標記間距分別為1 m和0.5 m，標記從每段自動焊起始位置開始；為了減少劃線標記間距與實際測量間距的誤差，需適當放大標記間距，多次測量發現標記間距設為70.60 mm時，實際測量值為70.00 mm誤差小于±0.10 mm.

圖6 焊縫標記圖

2 數據分析

2.1 下部焊縫變形量分析

圖7(a)(b)(c)是同一列車中三種車型(Tc、M1、M2)的一位側、二位側下部焊縫變形量曲線圖,7(d)是由(a)(b)(c)的平均值并且根據門角收縮量小的規律適當延伸而得.

(a) Tc

(b) Ml

(c) M2

(d) 一、二位側延伸

門角處焊縫組焊后變形量小于1 mm，這是因為在預組裝時門角處打了定位焊，因此門對角尺寸方差組焊后變化不大.在門角定位焊約束和焊縫收縮力的綜合作用下，焊縫收縮量焊縫整體呈現起伏；又由于車體底架、側墻、車頂整體結構前后對稱，因此焊后收縮量呈前后對稱.

側墻模塊1、3、5變形量較小且均勻，模塊2、4變形量則呈現明顯增大.分析認為：底架邊梁在門2、門3處由于高度小，因此預組裝起撓后，側門下邊寬度大于上邊寬度.這導致安裝側墻時，側門模塊2、模塊4在門角位置存在錯邊，見圖8(a).

圖8 液壓撐桿工作圖

生產過程中，工人使用液壓撐桿從中間向兩側調整側墻模塊，使側墻門立柱與底架門角位置一致，見圖8(b).這又導致側墻存在一定的下凹弧度，操作工使用液壓機構等強約束使側墻變形以適應底架的撓度，并在門角處打上定位焊.這導致在側墻模塊2、3中間相對于其他側墻模塊存在很大的扭曲應力.在焊接過程中，焊縫金屬熔化、收縮并釋放扭曲應力，因此產生很大的焊接變形量.

2.2 上部焊縫變形量分析

圖9是同一列車中三種車型(Tc、M1、M2)及相對應的一位側、二位側上部焊縫變形量曲線圖.從圖中可以看出上部焊縫是一條完整的曲線，一位側、二位側焊接變形量在相同位置呈現出同大同小的趨勢，在對應于門角的位置焊縫變形量小，在側墻模塊2、4中間焊縫變形量較大，這和下部焊縫變形量趨勢幾乎一致.分析認為：一方面車體一位側、二位側整體幾何尺寸對稱，同時生產過程中，各工步對稱施工；另一方面車體組裝過程中，側墻和車頂發生扭曲變形以適應底架的下撓.其中主要的扭曲變形集中在側墻上，這導致相同位置的上部焊縫和下部焊縫變形量整體趨勢一致.

(a) Tc

(b) Ml

(c) M2

2.3 焊縫變形量平均值及擬合曲線圖分析

圖10是一列車(6輛)上部焊縫和下部焊縫焊后變形量平均值.可以看出，門角位置平均收縮量為0.55 mm；上部焊縫收縮量平均值為1.05 mm且變化很小；下部焊縫收縮量為1.67 mm，如果不計算門角處變形量較小的數據，則上部焊縫收縮量平均值約為1.89 mm.上下部焊縫收縮量平均值差值為0.63 mm，分析認為：這是由于下部焊縫相對于上部焊縫厚度更大，焊接電流也更大造成的.

圖10 變形量平均值及擬合曲線圖

3 結論

(1)受底架撓度影響，側墻模塊2、4中間位置存在很大的扭曲應力，焊后橫向收縮較大；實際生產中，應適當加大側墻模塊2、4對應位置側墻高度放量，同時對側墻模塊3兩端的門立柱長度適當減小，以匹配底架撓度；

(2)車體一、二位側焊縫焊接變形量在相同位置呈現相同的趨勢；在相同位置的上部焊縫和下部焊縫變形量整體趨勢一致；實際車體預組裝生產中，應在車體一二位側對稱位置上設置相同的尺寸放量；

(3)門角位置平均收縮量約0.55 mm，上下部焊縫平均焊后收縮量為1.05 mm和1.67mm， 上下部焊縫收縮量平均值差值約為0.63 mm，應針對門腳及上下部焊縫收縮不同特點，預組裝時在車體高度方向上設置至少2 mm的尺寸放量.