動車組底架自動焊接變形控制

尹德猛，劉東軍，田新莉，唐衡郴，聶麗麗

（中車唐山機車車輛有限公司制造技術(shù)中心，河北唐山063035）

動車組底架自動焊接變形控制

尹德猛，劉東軍，田新莉，唐衡郴，聶麗麗

（中車唐山機車車輛有限公司制造技術(shù)中心，河北唐山063035）

為了提高動車組的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，滿足底架的自動焊接需求，優(yōu)化了某車型高速動車組底架邊梁與地板連接結(jié)構(gòu)，研究了龍門CLOOS機械手焊接某車型高速動車組底架的焊接工藝，通過焊接工作試件及正式產(chǎn)品中焊接變形控制數(shù)據(jù)的摸索發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的底架結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用自動焊接，通過制定合理的焊接順序、預(yù)制一定的反變形量以及工藝放量，可以很好地控制底架焊接變形，這樣既提高了底架的生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率，又能降低成本。

底架；焊接變形；自動焊接

0　前言

高速動車組鋁合金車體底架邊梁與地板的焊接以搭接為主，采用手工MIG焊接工藝，人工成本較高且生產(chǎn)周期長，為了縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，在保證動車組運行安全的前提下，優(yōu)化了某型動車組鋁合金車體地板與邊梁的焊接結(jié)構(gòu)。邊梁與地板連接方式采用插接結(jié)構(gòu)，可以利用機器人進行自動焊接，這樣可以解決邊梁地板搭接結(jié)構(gòu)焊接時出現(xiàn)的成本高、用時長等問題。然而新的結(jié)構(gòu)與焊接工藝必然會導(dǎo)致新的焊接變形問題，如底架寬度超差、地板平面度超差、邊梁角度傾斜等。為了解決新工藝產(chǎn)生的焊接變形問題，本研究從新結(jié)構(gòu)特點分析入手，結(jié)合焊接工作試件與正式產(chǎn)品的焊接變形趨勢，歸納了底架焊接變形控制難點，通過控制焊接變形量，可以提高底架半寬的尺寸精度，進一步提高車體外觀質(zhì)量和平面度標(biāo)準(zhǔn)[1]，為今后類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供依據(jù)。

1　焊接設(shè)備及焊接結(jié)構(gòu)示意

新結(jié)構(gòu)底架焊接所用自動焊接設(shè)備為CLOOS龍門雙槍單絲自動焊接設(shè)備，此設(shè)備對較大型材的對接焊縫以及角接焊縫焊接具有一定的優(yōu)勢，其焊接穩(wěn)定性強，質(zhì)量較高。

某型動車組鋁合金車體底架組成作為重要的承載力部，它繼承了CRH3型車與CRH5型車底架結(jié)構(gòu)的特點[2]。某型動車組邊梁地板插接焊接結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，CRH3型動車組鋁合金車體底架邊梁地板焊接結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。從使用性能上來講，兩種結(jié)構(gòu)功能相同，都可承載地板載重，但圖1結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)自動焊接，結(jié)構(gòu)2由于受邊梁的影響，即空間較小，不能使用自動焊接，必須采取手工焊接。然而圖1結(jié)構(gòu)與地板整體進行焊接時，較圖2結(jié)構(gòu)焊接所受剛性約束較大，焊接變形不易控制，邊梁容易產(chǎn)生扭曲變形，且寬度尺寸很難保證，因此，需研究一種地板與邊梁整體焊接的工藝，以便指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖1　插接結(jié)構(gòu)示意

圖2　搭接結(jié)構(gòu)示意

2　焊接工作試件制作

為了滿足軌道行業(yè)焊接標(biāo)準(zhǔn)要求，控制焊縫質(zhì)量，產(chǎn)品焊接前必須先進行工藝評定，然后制作焊接工作試件，合格后方可進行正式產(chǎn)品的生產(chǎn)。

為了更好地控制焊接變形，焊接工作試件時對焊接變形也進行了試探性摸索。焊接工作試件所需材料為正式產(chǎn)品所用型材，不同點是試件長度為3 000 mm，裝配圖如圖3所示。為了驗證地板、邊梁焊接橫向收縮變形，焊前寬度方向放量為6 mm，橫向反變形施加量0 mm。焊接工藝方案定為先正裝焊接再反裝焊接，焊接方向為從一端向另一端進行焊接。

圖3　地板邊梁裝配示意

試件試驗焊接后，結(jié)果為：試件橫向?qū)挾仁湛s10 mm，垂向變形量為5 mm，邊梁傾斜度為3 mm。寬度方向收縮，主要是因為底架結(jié)構(gòu)正反存在12條焊縫，以帶坡口對接4V焊縫為主，且地板間焊前裝配還會保留約0.5 mm間隙，這促使底架焊接時在焊接應(yīng)力的作用下收縮量較大。底架垂向變形與邊梁傾斜度變形，主要是因為：為了防止底架橫向收縮變形與垂向變形，焊前對底架邊梁施加了橫向與垂向壓力，即在這兩個方向約束力的作用下，焊接時產(chǎn)生的焊接應(yīng)力無法釋放，然而，當(dāng)?shù)准芩泻缚p焊接完畢，松開邊梁的壓卡力后，在焊接殘余應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致了底架的垂向變形與邊梁的傾斜變形。因此，在正式產(chǎn)品生產(chǎn)時，需要對底架邊梁與地板施加一定的反變形量用來抵消焊接殘余應(yīng)力而造成的變形。

3　焊接變形控制

3.1底架變形控制要點

底架作為動車組重要的承載部位，鋁合金車體底架技術(shù)要求較高，寬度尺寸a的公差尺寸為單邊-4 mm，邊梁傾斜度要求在1.5 mm以內(nèi)，地板則要求具有上撓度，且不能過大，平面度要求3 mm以內(nèi)。

3.2焊接工裝與裝配

產(chǎn)品的正式生產(chǎn)采取的工裝與試件焊接相同，產(chǎn)品裝配及壓卡示意如圖4所示，箭頭處為側(cè)向壓緊位置，然而，由于產(chǎn)品對應(yīng)的型材較長，壓卡點較多，且產(chǎn)品型材兩端含有兩組側(cè)向壓卡型材，而工作試件由于工件長度的限制，兩端不含壓卡點。另外，為了滿足焊接要求，提高焊接質(zhì)量，地板裝配時留有約0.5 mm間隙，邊梁與地板搭接焊縫焊前間隙要求為0.8 mm以內(nèi)。

3.3預(yù)留工藝裝配放量及反變形

為了更好的控制底架寬度焊接收縮變形，根據(jù)工作試件變形量，定為寬度工藝放量為10 mm，這樣可以用來抵消地板與邊梁整體焊接時造成的焊接橫向收縮變形。對于邊梁傾斜度的控制，則是在焊接反裝地板時，對邊梁進行了預(yù)制反變形量，反變形量為2 mm，即將反裝時邊梁上側(cè)區(qū)域整體向外拉出2 mm。由于工作試件時，底架橫向未加反變形，根據(jù)試件變形量在底架反裝焊時，對地板橫向也做了0 mm、1 mm、2 mm、4 mm、4 mm、2 mm、1 mm、0 mm的預(yù)制反變形，邊梁、地板預(yù)制反變形量如圖5所示。

圖4　地板邊梁裝配示意（壓卡兩端分部）

圖5　底架反變形示意

3.4焊接順序

焊接順序是焊接變形控制的另一種方式，對控制焊接變形的影響也非常重要。為了不影響焊接效率，采取了工作試件相同的焊接順序，即先正裝焊接再進行反裝焊接，中間焊縫向兩側(cè)焊縫逐漸焊接的順序，如圖6所示，a、b、c、d、e、f代表了焊接順序號，焊接方向采取從底架一端向另一端進行焊接。采取此種焊接順序，地板橫向兩側(cè)無外力約束，可以使焊接中間焊縫時產(chǎn)生的焊接應(yīng)力按順序依次釋放，減少底架焊后的殘余應(yīng)力，從而降低底架焊接變形量。

圖6　底架焊接順序示意

3.5焊后分析

底架焊接后相應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　底架焊接后相應(yīng)數(shù)據(jù)

由表1可知，底架焊前所給反變形量基本可以滿足要求。然而，正式產(chǎn)品底架的橫向收縮量與工作試件相差為4 mm，通過分析對比發(fā)現(xiàn)，工作試件與正式產(chǎn)品焊接還有三點不同，一是工作試件焊前由于受工作試件長度的限制，試件一端缺少壓緊；二是在做工作試件時反裝未對邊梁進行施加反變形，而正式產(chǎn)品時對邊梁施加了2 mm反變形量；三是長度相差較大，且對地板整體做了垂向的反變形處理，這三點是造成橫向收縮差別較大的主要原因。因此，在產(chǎn)品后續(xù)的生產(chǎn)中在保證其他參數(shù)不變的前提下，橫向工藝放量不能完全采取試件時的放量，只有降低底架橫向?qū)挾确帕恐? mm才可以很好地控制底架焊接變形。

4　結(jié)論

（1）對于某些特殊工件的焊接，由于其獨有的焊接結(jié)構(gòu)，通過焊接工作試件可以摸索一些焊接變形的數(shù)據(jù)，它可以為正式產(chǎn)品的生產(chǎn)提供依據(jù)，但不能完全作為正式產(chǎn)品的焊接變形控制數(shù)據(jù)進行應(yīng)用。

（2）邊梁、地板插接結(jié)構(gòu)底架可以整體運用自動焊進行焊接，通過對底架焊前寬度預(yù)留6 mm工藝放量，邊梁預(yù)制2 mm反變形，地板施加0 mm、1 mm、2 mm、4 mm、4 mm、2 mm、1 mm、0 mm的反變形以及焊中采取先正后反、從中間向兩側(cè)同時焊接的焊接順序可以很好地控制焊接變形，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]張風(fēng)東，劉勝龍.高速動車組鋁合金車體底架焊接變形控制[J].機車車輛工藝，2012（6）：22-23.

[2]鄒俠銘，韓士宏，尹德猛.新型動車組鋁合金車體底架制造工藝研究[J].鐵道機車車輛工人，2013（4）：4-5.

Deformation conrol of automatic welding for underframe on EMU

YIN Demeng，LIU Dongjun，TIAN Xinli，TANG Hengchen，NIE Lili
（Manufacturing Technical Center CRRC TANGSHAN Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China）

In order to improve production efficiency of EMU,reduce production costs，and meet the demands of automatic welding for underframe，the connecting structure of underframe side beam and floor on EMU is optimized.And the automatic welding technology for underframe on EMU with gantry CLOOS robot is studied.By studying the conrol measures for welding deformation in test specimen and formal product，it shows that automatic welding can be applied to the optimized underframe structure，and the welding deformation of underframe can be prevented by setting reasonable welding sequence and predeformation.The automatic welding technology of underframe can not only improve the production quality and production efficiency of underframe，but also reduce the cost.

underframe；welding deformation；automatic welding

TG404

A

1001－2303（2016）05－0106-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.23

2015-12-26；

2016-03-10

中車唐山機車車輛有限公司科技項目（5212302-X235，5212302-X236）

尹德猛（1984—），男，河北滄州人，國際焊接工程師，碩士，主要從事軌道車輛鋁合金車體制造技術(shù)研究及管理工作。