受電弓上框架組焊工裝設(shè)計(jì)及變形控制

趙穎，周永東

中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

受電弓（見(jiàn)圖1）安裝在鐵路機(jī)車(chē)的車(chē)頂，是機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)從接觸網(wǎng)獲取電能的關(guān)鍵設(shè)備，其通過(guò)底架、下臂桿、拉桿及上框架組成四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降功能[1，2]。而上框架作為受電弓重要組成部件，對(duì)受電弓的正常受流起著重要作用，因此對(duì)上框架的質(zhì)量要求很高。

圖1 受電弓結(jié)構(gòu)示意

受電弓上框架主體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）是由4根壁厚為3mm的7020-T6鋁合金管組焊而成的梯形框架，并在中間焊接1根加強(qiáng)管，然后在主體結(jié)構(gòu)上焊接左右支座及拉桿支板等部件。

圖2 上框架結(jié)構(gòu)

上框架一端連接弓頭，另一端連接下臂桿和拉桿，其尺寸直接影響整個(gè)受電弓的裝配，因此上框架尺寸精度必須滿足設(shè)計(jì)要求。其中，拉桿支板與左右支座孔距要求為（314±0.5）mm，左右支座與頂管間距要求為（1909±1）mm，左右支座間距要求為（200.5±0.5）mm，上框架平面度要求≤1mm。但由于上框架結(jié)構(gòu)不規(guī)則，焊后變形不規(guī)律，尺寸精度難以保證，從而影響受電弓正常組裝，因此需要設(shè)計(jì)受電弓上框架組焊工裝，以控制焊接變形，保證尺寸精度。

2 工裝設(shè)計(jì)與變形控制

2.1 工裝設(shè)計(jì)

上框架為鋁合金材料，若焊接時(shí)與碳素鋼材料直接接觸易影響焊接接頭的耐蝕性，且鋁合金導(dǎo)熱性較好。因此，為了避免工裝對(duì)焊縫質(zhì)量和焊接熱輸入的影響，工裝上與上框架直接接觸的部件選用導(dǎo)熱性差和耐蝕性好的奧氏體不銹鋼材料，且其硬度高，更耐磨。而其他部件則選擇性價(jià)比更高的45鋼和Q235B鋼[3]。

由于上框架主要組成材料為空心鋁合金管材，總重量?jī)H10.16kg，因此工裝的裝夾方式均為手動(dòng)。為了防止左右支座與頂管間距（1909±1）mm和平面度因焊接變形而超差，要對(duì)所有管件表面進(jìn)行剛性固定；左右支座通過(guò)定位塊保證間距（200.5±0.2）mm，然后通過(guò)螺栓夾緊固定，并且有效避開(kāi)了反面焊縫焊接操作與定位裝置的干涉。配備變位機(jī)后能夠?qū)崿F(xiàn)正反兩面焊縫的變位焊接操作，左右支座定位裝置如圖3所示。

圖3 左右支座定位裝置

2.2 工裝調(diào)試

工裝制作完成后，按照要求在工裝上進(jìn)行上框架組焊，焊后待上框架完全冷卻后脫模，然后對(duì)上框架的尺寸進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，工裝使用和產(chǎn)品質(zhì)量都存在不同程度的問(wèn)題，組焊的首件上框架便不合格。

1）工裝在脫模時(shí)，上框架左右支座與工裝相互卡滯，無(wú)法順利脫模，最后用木槌敲出后，左右支座上存在較深的劃痕，且經(jīng)過(guò)尺寸檢測(cè)，左右支座間距尺寸為197.6mm，超差2.9mm。

2）通過(guò)尺寸檢測(cè)，左右支座與頂管間距尺寸為1907.5mm，超差1.5mm，且上框架的平面度為4.2mm，超差3.2mm，導(dǎo)致通過(guò)機(jī)械矯正也難以保證尺寸，且出現(xiàn)了頂管扭曲的新問(wèn)題。

2.3 原因分析

1）加強(qiáng)管與兩側(cè)變徑管焊接時(shí)，在焊接收縮應(yīng)力的作用下，兩側(cè)變徑管會(huì)向內(nèi)收縮，而左右支座距加強(qiáng)管的距離僅為90mm（見(jiàn)圖4），二者距離較近，導(dǎo)致左右支座也向內(nèi)收縮；此外，左右支座焊縫偏向變徑管內(nèi)側(cè)，焊接時(shí)向內(nèi)側(cè)彎曲變形，最終導(dǎo)致左右支座與工裝產(chǎn)生卡滯現(xiàn)象。脫模后，收縮應(yīng)力得到釋放，左右支座的間距偏小，無(wú)法達(dá)到（200.5±0.5）mm尺寸要求。

圖4 左右支座與加強(qiáng)管相對(duì)位置

2）雖然上框架在夾緊狀態(tài)下完成焊接，冷卻后脫模，但由于上框架的焊縫大多數(shù)集中在同一側(cè)，所以焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力較大，在夾具松開(kāi)后部分應(yīng)力釋放，上框架仍向焊縫較多的一側(cè)彎曲變形，從而導(dǎo)致左右支座與頂管間距（1909±1）mm尺寸偏小，而平面度偏大。

2.4 變形控制

圖5 左右支座可伸縮式定位裝置示意

（1）采用可伸縮式定位裝置控制變形 由于焊接應(yīng)力不可避免，因此只能更改工裝結(jié)構(gòu)，將左右支座定位裝置從原來(lái)的固定式更改為可伸縮式，如圖5所示。左右支座通過(guò)螺栓分別與定位塊一和定位塊二進(jìn)行裝配，然后進(jìn)行定位焊，焊接時(shí)將旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)通過(guò)頂桿可頂開(kāi)左右支座的兩個(gè)定位面至工藝放量尺寸204.5mm，工藝放量的尺寸精度可通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸上的卡槽深度控制伸出長(zhǎng)度來(lái)保證；焊接完成后，再次旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸90°，左右支座的兩個(gè)定位面在焊接應(yīng)力的作用下自動(dòng)縮回至200.5mm，可實(shí)現(xiàn)左右支座的變形控制，并且能夠保證順利脫模。

（2）工裝上設(shè)計(jì)反變形 由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，上框架焊后彎曲變形的方向一致，所以根據(jù)首件焊后平面度超差數(shù)據(jù)，在焊前預(yù)留3.5mm的反變形，以抵消焊接變形。但要在保證裝配質(zhì)量的前提下，預(yù)先將兩根圓管向一側(cè)彎曲同樣的弧度十分困難，因此考慮通過(guò)工裝實(shí)現(xiàn)。將變徑管端部的U形定位塊高度降低3.5mm，在變徑管裝配后，通過(guò)壓緊裝置將變徑管夾緊，使其向下彎曲3.5mm，則上框架定位面至基準(zhǔn)面的高度從90mm變?yōu)?6.5mm（見(jiàn)圖6），從而實(shí)現(xiàn)在工裝上預(yù)留反變形。

圖6 變徑管端部U形定位裝置

2.5 效果驗(yàn)證

工裝改造完成后，焊接了5件上框架，在脫模時(shí)左右支座不再出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，且表面無(wú)劃傷。經(jīng)檢測(cè)，尺寸多數(shù)在公差范圍內(nèi)，只有部分平面度超差。上框架尺寸檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可看出，5件上框架（1909±1）mm尺寸基本偏小，且平面度都偏大，甚至部分出現(xiàn)超差情況，說(shuō)明反變形量預(yù)留不足，因此將反變形量由3.5mm更改為4mm，經(jīng)過(guò)后續(xù)一個(gè)月的批量測(cè)試，各項(xiàng)尺寸均能滿足要求。

表1 上框架尺寸檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析受電弓上框架結(jié)構(gòu)及焊接變形規(guī)律，設(shè)計(jì)并改進(jìn)了上框架組焊工裝，主要結(jié)論如下。

1）巧妙地設(shè)計(jì)了可伸縮式定位裝置，解決了由于焊接變形而導(dǎo)致左右支座無(wú)法脫模的問(wèn)題。

2）在工裝上設(shè)計(jì)了合理的反變形，解決了焊接變形造成的平面度超差問(wèn)題。

3）通過(guò)工裝的使用，產(chǎn)品一次交檢合格率達(dá)到了97%，且不合格件通過(guò)機(jī)械矯正也能完全滿足要求，為保障受電弓的裝配質(zhì)量提供了重要條件。