時(shí)速200 km城際動(dòng)車組車體焊接變形機(jī)理及尺寸控制

王亞男

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

0 前言

鋁合金車體因其質(zhì)量輕、耐腐蝕、外觀平整度好和車體美觀而受到世界各城市交通公司和鐵道運(yùn)輸部門的歡迎。鋁合金車體目前主要有兩種結(jié)構(gòu)模式——閉式型材結(jié)構(gòu)模式和板梁結(jié)構(gòu)模式[1]，目前我國(guó)高速動(dòng)車組車輛均采用閉式型材結(jié)構(gòu)模式，這種模式主要采用弧焊焊接進(jìn)行制造。因鋁合金的熱膨脹系數(shù)較大，在焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)變形，主要表現(xiàn)為縱向變形、橫向變形以及彎曲變形等[2]。國(guó)內(nèi)外一直通過(guò)優(yōu)化焊接工藝、調(diào)整焊接參數(shù)[3]、預(yù)制反變形等方法進(jìn)行焊接變形的控制[4-7]。在此介紹時(shí)速200 km城際動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)及車體焊接的變形機(jī)理及控制變形的工藝方法。

1 車體組成結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵尺寸

1.1 車體組成結(jié)構(gòu)

時(shí)速200 km城際動(dòng)車組車體框架由6系鋁合金型材拼焊而成，鋁合金車體（以下簡(jiǎn)稱鋁車體）作為動(dòng)車組列車的關(guān)鍵承載部件，是一個(gè)封閉的焊接結(jié)構(gòu)。鋁車體由底架、側(cè)墻、車頂和端墻、空氣動(dòng)力學(xué)前端、過(guò)渡連接板及各種車體附件拼焊而成，如圖1所示。

圖1 車體組成結(jié)構(gòu)示意

1.2 車體組成關(guān)鍵尺寸

車體組成的關(guān)鍵尺寸為車體長(zhǎng)度、撓度、車體寬度、高度和對(duì)角線差、門口高度。這些尺寸直接決定部件裝配尺寸、車體內(nèi)部空間大小、車輛運(yùn)行安全等，具體尺寸如表1所示。

表1 時(shí)速200 km城際動(dòng)車組鋁車體組成關(guān)鍵尺寸

2 車體組成焊接變形機(jī)理

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料如圖2所示，主要包括焊接完畢尺寸合格的底架組成、車頂組成、側(cè)墻組成、端墻組成、過(guò)渡連接板、空氣動(dòng)學(xué)前端（頭車）。

圖2 試驗(yàn)材料示意

2.2 試驗(yàn)工裝

采用自行設(shè)計(jì)的車體組成組焊工裝，配套窗口下拉裝置及門口下拉裝置等，頭車與中間車可實(shí)現(xiàn)工裝快速切換，如圖3所示。

圖3 車體組成組焊工裝示意

2.3 試驗(yàn)流程

工藝流程如圖4所示。將尺寸合格的底架組成落入工裝，組對(duì)側(cè)墻組成及車頂組成，順序?yàn)橄葌?cè)墻后車頂，隨后調(diào)整和校核車體斷面尺寸及門口尺寸，最后焊接車體框架。如圖5所示，車體框架的焊接采用先焊接車外后焊接車內(nèi)的焊接順序。

圖4 車體組成焊接工藝流程

圖5 車體框架焊縫順序示意

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試制首臺(tái)試驗(yàn)車，得到車體組成的焊接變形機(jī)理為：焊接時(shí)，兩型材或板材的焊縫處加熱到熔化溫度，焊縫與母材會(huì)形成較大的溫度梯度，鋁合金膨脹系數(shù)較大，焊縫附件的高溫區(qū)要求伸長(zhǎng)量較大而受阻，受到來(lái)自母材其他區(qū)域的壓應(yīng)力，母材的其他區(qū)域因抵擋焊縫附件的伸長(zhǎng)而受到拉應(yīng)力，最終形成沿焊縫一側(cè)向內(nèi)彎曲的變形機(jī)理，見圖6。

圖6 車體組成焊接變形機(jī)理示意

車體組成焊接過(guò)程中表現(xiàn)為：

（1）車頂與端墻，及側(cè)墻與端墻的焊縫在焊接過(guò)程中的長(zhǎng)度方向收縮，焊接收縮量達(dá)到3～4 mm。收縮會(huì)使端墻沿車體長(zhǎng)度方向向車體中心傾斜，車體長(zhǎng)度尺寸減小，如圖7所示。

圖7 車體長(zhǎng)度方向的焊接收縮示意

（2）車頂與側(cè)墻，側(cè)墻與底架的焊縫在焊接過(guò)程中焊縫會(huì)收縮，焊縫兩側(cè)墻板會(huì)向車外彎曲，整體斷面表現(xiàn)為車體高度下降、寬度增加、高度下降10～13 mm，寬度增加3～4 mm，如圖8所示。

圖8 車體斷面的焊接收縮示意

（3）車體組焊后車體兩端向上彎曲，與設(shè)計(jì)的理論撓度方向相反。兩端向上彎曲值達(dá)到2～5 mm。針對(duì)頭車空氣動(dòng)力學(xué)前端整體向上翹曲5 mm，如圖9所示。

圖9 車體撓度的焊接變化示意

（4）車體組焊后門口高度下降，下降2～4 mm。

（5）車體內(nèi)部均勻使用對(duì)角線支撐頂針和拉桿，焊前將對(duì)角線差值調(diào)整至3 mm以內(nèi)，并點(diǎn)固，焊后對(duì)角線差值小于3 mm。

3 車體組成焊接變形及尺寸控制

3.1 車體長(zhǎng)度尺寸控制

車體是由底架、側(cè)墻、車頂和端墻拼焊形成，長(zhǎng)度取決于底架、側(cè)墻和車頂長(zhǎng)度。試制結(jié)果顯示，車體長(zhǎng)度在焊后呈縮小趨勢(shì)，需在焊前預(yù)留工藝放量，底架邊梁和地板加長(zhǎng)6 mm，保證底架組焊完成后長(zhǎng)度為+6 mm；考慮部件在長(zhǎng)度方向上的制造公差，端部采用側(cè)墻與車頂均通過(guò)過(guò)渡連接板的結(jié)構(gòu)與端墻相連，以保證在長(zhǎng)度方向上消化掉部件的制造公差，端部過(guò)渡連接板采用增加研配量進(jìn)行現(xiàn)車研配，如圖10所示，連接板單間增加10 mm放長(zhǎng)量，組焊過(guò)程中打磨現(xiàn)車切割與焊縫坡口，保證車體長(zhǎng)度尺寸。

圖10 過(guò)渡板工藝余量示意

3.2 車體高度與寬度尺寸控制

根據(jù)試制結(jié)果顯示的車體高度與寬度及對(duì)角線的差值的尺寸變化趨勢(shì)及范圍，需在組焊前預(yù)制反變形，并控制各大部件的單件尺寸公差等不同參數(shù)，以保證最終車體組成關(guān)鍵關(guān)鍵尺寸合格。為保證對(duì)角線差值小于3 mm，需在車內(nèi)使用頂針和拉桿，如圖11所示，整車在長(zhǎng)度方向上均勻分布7組。

車體焊后高度直接受到反變形支撐和側(cè)墻單件高度的影響，試制結(jié)果顯示，車體高度方向收縮量10～13 mm，故需在焊前進(jìn)行高度方向上的向上支撐。如圖12所示，在支撐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在側(cè)墻單件的高度公差為0時(shí)，車體高度支撐量達(dá)到9 mm時(shí)出現(xiàn)地板塌陷，對(duì)車體高度的增加不再起作用，故要求對(duì)側(cè)墻單件的高度尺寸進(jìn)行控制。

圖11 車體頂針支撐分布示意

圖12中，當(dāng)側(cè)墻單件的高度達(dá)到4 mm時(shí)，車體高度放長(zhǎng)量可達(dá)13 mm；當(dāng)側(cè)墻單件高度5 mm時(shí)，車體高度放長(zhǎng)量可達(dá)14 mm，故側(cè)墻單件的焊后高度應(yīng)達(dá)到（+4，+6）mm方能滿足車體組成組焊后的高度要求?？紤]側(cè)墻單件的焊接收縮，側(cè)墻單件的型材焊前組對(duì)公差應(yīng)達(dá)到（+6，+10）mm，如圖13所示。

同時(shí)車體的高度還受到車頂高度的影響。在車頂寬度滿足尺寸要求的前提下，需要將車頂?shù)幕《瓤刂?2 mm，使車頂弧度向正上方拱起，以保證車頂?shù)膬?nèi)高滿足最終車體合成的需求，如圖14所示。

圖12 側(cè)墻單件放長(zhǎng)量與車體高度支撐量曲線

圖14 車頂單件公差示意

3.3 車體撓度尺寸控制

車體組成組焊后的最終撓度取決于車體組成的工裝夾具的預(yù)制撓度以及側(cè)墻部件的撓度，并受車頂部件的平整度影響。為保證車體組焊后整體撓度在（0，8）mm，需要在工裝預(yù)制 8、5、2、0、0 mm 的撓度分布，利用水準(zhǔn)儀精確測(cè)量各支撐面的高度差值，并使用下拉裝置保證底架邊梁下面和定位支撐塊密貼，以保證預(yù)制的工裝撓度的作用。針對(duì)頭車，在空氣動(dòng)力學(xué)前端部位，在焊前預(yù)制向下5 mm的反變形下拉，可有效防止焊后前端上翹，如圖15所示。

車體撓度控制不僅要控制底架下拉的撓度，還要控制側(cè)墻的撓度值，以保證在底架下拉狀態(tài)下，側(cè)墻和底架間裝配出均勻的間隙。若側(cè)墻撓度過(guò)小，則無(wú)法滿足底架與側(cè)墻的組對(duì)裝配需求及保證整車焊后撓度值。故需要保證側(cè)墻單件的撓度為8～10 mm，側(cè)墻單件組焊工裝上需預(yù)制撓度11 mm，如圖16所示，沿側(cè)墻長(zhǎng)度方向y方向定位最中間點(diǎn)為11 mm，依次向側(cè)墻兩側(cè)遞減，與底架位置相對(duì)應(yīng)，兩端部撓度為0。

圖15 車體組成工裝預(yù)制撓度示意

3.4 車體門口高度控制工藝

車體焊后的門口高度取決于側(cè)墻的高度和焊前門口的支撐高度。

根據(jù)前面所述，為保證焊后車體內(nèi)高，需控制側(cè)墻單件的型材組對(duì)公差為（+6，+10），以保證側(cè)墻單件的焊后高度為（+4，+6），在此側(cè)墻高度下門口的高度通常為焊前（+4，+6），此高度下門口下角的門柱型材與底架的邊梁會(huì)形成理論為4～6 mm的間隙，間隙過(guò)大，會(huì)造成焊接熱輸入量過(guò)大，增加焊接收縮，焊后影響門口高度。故需預(yù)先將側(cè)墻的門柱型材在焊前增加5 mm工藝放長(zhǎng)量，以保證側(cè)墻高度的正公差需求，如圖17所示。并在門口處焊前使用工裝進(jìn)行支撐頂緊，以減少焊接收縮引起的門口高度降低，如圖18所示。

圖16 側(cè)墻單件工裝示意圖

圖17 門柱放長(zhǎng)示意

4 結(jié)論

（1）鋁合金車體組成關(guān)鍵尺寸包括車體長(zhǎng)度、車體寬度、車體高度、對(duì)角線差值、車體撓度、門口高度。

（2）車體長(zhǎng)度焊后會(huì)收縮，控制方法為底架增加6 mm工藝余量，車頂與側(cè)墻通過(guò)過(guò)渡連接板與端墻連接，過(guò)渡連接板增加10 mm裝配余量，現(xiàn)車研配，可有效保證車體長(zhǎng)度尺寸。

圖18 門口支撐示意

（3）車體高度焊后會(huì)下降，寬度增加，高度下降10～13 mm，寬度增加3～4 mm。車體高度取決于側(cè)墻高度與組對(duì)過(guò)程中的支撐高度，并受車頂內(nèi)高影響，側(cè)墻型材組對(duì)公差（+6，+10）mm，側(cè)墻單件組焊后高度（+4，+6）mm，車頂弧度在+2 mm 時(shí)，車體焊后車體高度與寬度尺寸可有效保證。

（4）車體組焊后車體兩端會(huì)向上彎曲，與設(shè)計(jì)的理論撓度方向相反。兩端向上彎曲值達(dá)2～5 mm。針對(duì)頭車空氣動(dòng)力學(xué)前端整體向上翹曲5 mm，車體撓度尺寸取決于工裝預(yù)制的撓度及側(cè)墻的撓度，并受到車頂平整度的影響，工裝撓度預(yù)制8 mm，5 mm，2 mm，0 mm，0 mm，側(cè)墻單件焊后撓度 8～10 mm，側(cè)墻組焊預(yù)制撓度11 mm時(shí)，可有效保證車體撓度尺寸。頭車在空氣動(dòng)力學(xué)前端焊前預(yù)制向下5 mm的反變形，可有效保證前端尺寸。

（5）車體組焊后門口高度值下降，下降2～4 mm，門口高度尺寸取決于側(cè)墻型材組對(duì)公差與門柱型材的工藝余量，側(cè)墻型材組對(duì)公差側(cè)墻型材組對(duì)在（+6，+10）mm，側(cè)墻單件組焊后（+4，+6）mm，門柱工藝余量5mm時(shí)，并使用門口支撐，保證焊前門口高度（+4，+6）mm，可有效保證焊后車體門口高度尺寸。

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