底架組焊的邊梁上拱變形控制和矯正方法

梁濤，黃劍，肖輝

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

底架是城軌鋁合金車體的重要大部件，結構如圖1所示。由圖1可知，其結構一般由端梁、邊梁、端部結構、長（短）地板、蓋板及附件組成。底架作為車體工序其他部件組裝的裝配基準，對整車的寬度、長度、撓度、客室門對角線差值、車體截面對角線差值等專檢項點有直接影響，因此生產中對其外形尺寸和幾何公差值有嚴格的要求。

圖1 底價結構示意

2 底架組焊后的上拱變形

如圖2所示，在底架交檢過程中，發現枕梁（端部結構上的部件）位置處的邊梁和長地板存在上拱變形問題，此處平面度超過＜5mm的技術要求。

圖2 上拱變形問題

如圖3所示，底架吊入車體總組焊臺位后，枕梁位置的邊梁（對應車體的1、4號客室門位置）與設置了車體撓度的支撐墩有＞12mm的間隙，在車體組焊臺位的液壓拉緊裝置的作用下，邊梁下表面與邊梁支撐墩仍無法貼緊。

圖3 底架吊入車體總組焊臺位

3 上拱變形對車體組焊的影響

通過對產品問題的追溯和分析，發現上述變形如果不在底架工序解決，在車體工序強行裝配后，因為底架的內應力釋放會導致車體組焊后產生以下質量問題。

1）當底架邊梁與車體總組焊臺位的邊梁支撐墩上表面間隙＞8mm時，會引起客室門的對角線差值（技術要求≤5mm）超差（見圖4a）。

圖4 車體尺寸測量位置

2）當底架左右兩側的邊梁上拱值相差超過4mm時，會引起車體的截面對角線差值（技術要求≤5mm）超差（見圖4b）。

4 上拱變形問題的原因分析

邊梁上拱變形區域的結構及焊縫如圖5所示。由圖5可看出，枕梁位于長地板下部，長地板蓋在枕梁上，且兩側與邊梁搭接，其結構導致底架邊梁截面（枕梁位置處）的上下焊縫（即枕梁與邊梁對接、邊梁與長地板的連接焊縫）分布不均勻，靠近邊梁下表面的焊縫遠多于上表面。

圖5 邊梁上拱變形區域的結構及焊縫

主要焊縫的焊接參數見表1。

表1 主要焊縫的焊接參數

由表1可知，這些分布不均勻的焊縫對邊梁此處截面的熱輸入量也不同，邊梁下表面獲得的熱輸入量也遠多于邊梁上表面。

正是上述原因，導致底架邊梁的上下表面在焊接過程中受熱不均勻，冷卻后的底架邊梁下表面收縮比上表面多，所以最終引起邊梁此處向上拱起，如圖6所示。從圖6可看出，底架組焊后枕梁位置無法與水平支撐墩貼緊，有局部的上拱變形。

圖6 底架邊梁上拱變形

5 解決上拱變形的工藝措施

5.1 反變形法

反變形法是生產中預防焊接變形的常用方法，即在焊前設置一個與焊后變形方向相反的預變形，使焊后達到理想狀態[1]。底架組焊時邊梁的反變形設置如圖7所示，反變形設置參數見表2。

表2 底架組焊工裝反變形設置參數 （mm）

圖7 底架組焊反變形設置

（1）底架正面組焊 由于邊梁焊后變形較大，因此將枕梁至端梁處設置成上翹狀態，反變形量為端梁位置的邊梁下表面至基準面相差25mm。

（2）底架反面組焊 當底架反面朝上時，在枕梁位置新增A、B兩組支撐墩，將邊梁（枕梁位置）此處向上頂起，反變形量為邊梁下表面至基準面相差15mm。

（3）邊梁壓臂扭力值設置 標準化作業是反變形法實施是否有效的關鍵。將扭力值規定為200N·m，使用扭力扳手擰緊壓臂，保證每次反變形作業時對邊梁施加壓緊力的一致性和有效性（見圖8）。

圖8 按規定扭力值擰緊壓臂

5.2 火焰矯正法

在標準化作業生產情況下，通過反變形法就能有效地解決邊梁的上拱變形問題，但在批量生產過程中，會因為各種因素的影響，出現不合格現象，此時可以采用火焰矯正的方法來返修產品。此位置有一定的特殊性，首先，鋁合金與鋼的材料物理性能存在很大不同，加熱時要考慮減少對焊縫質量的影響。其次，因邊梁是內腔帶有加強筋的剛性很強的中空擠壓型材，故對其進行火焰矯正時，在加熱溫度和冷卻方法上與鋼材的火焰矯正有差異。

（1）設備和工藝參數 對底架組焊后的邊梁進行火焰矯正，所需的設備和工藝參數見表3。

表3 火焰矯正所需的設備和工藝參數

（2）加熱位置 選擇正確的矯正位置是火焰矯正能否有效的關鍵。加熱位置處于底架1號門和4號門邊梁的上表面及小部分側面，加熱長度比底架邊梁與枕梁、抗側滾的對接焊縫長度稍長（起點和終點各向外延伸100～150mm），如圖9所示。

圖9 火焰矯正加熱位置示意

（3）加熱技巧 鋁合金熱導率高，要取得良好的火焰矯正效果，要先保證加熱區域與周邊未加熱區域形成較大的溫差。因此，加熱時烤槍火焰要調至最大，并使用中性焰，焰心距工件2～4mm，烤嘴與工件的角度為80°～90°，此時，火焰的利用率最高，熱量最集中[2]。

（4）輔助措施 因為底架組焊后的結構剛度很高，如果僅靠母材加熱后的收縮應力去矯正變形，效果會很不理想。如圖10所示，在長地板靠近邊梁位置處壓2t重塊（每個重塊重1t），使邊梁預先產生一定的向下彎曲變形趨勢，然后再進行火焰矯正，會取得良好的效果。

圖10 上拱變形的火焰矯正

（5）注意事項 作業過程中要嚴格控制加熱溫度和返工次數（不超過2次），避免對母材性能造成影響。

6 產生的效益

采用以上工藝措施，底架的平面度一次交檢合格率得到顯著提升，取得了良好的經濟效益（見表4）。

表4 效益核算

7 結束語

底架枕梁位置的焊后上拱變形是因產品結構的焊縫分布不均勻而造成的。在標準化作業下，通過反變形法就能有效控制焊接變形，如果問題已經產生，使用火焰矯正法也能使產品返修合格。