插接式鋁合金底架自動(dòng)焊焊接工藝優(yōu)化

王陸釗，楊仲林，于 巖，趙麗玲，李 會(huì)

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司制造技術(shù)中心，河北唐山063035）

0 前言

隨著高鐵產(chǎn)業(yè)和城市軌道交通建設(shè)的不斷進(jìn)步，對(duì)高鐵主機(jī)廠的設(shè)計(jì)、制造能力提出新的要求，為保證高鐵的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力，搶灘海外市場(chǎng)，時(shí)速350 km標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組（復(fù)興號(hào)）應(yīng)運(yùn)而生。中車唐山機(jī)車車輛有限公司于2016年成功試制了第一列標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，并獲得運(yùn)營(yíng)許可證，目前已在京滬線上載客運(yùn)營(yíng)。標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體采用中空鋁型材組焊而成，在生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格控制重要部件的質(zhì)量[1-4]。在車體試制過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不完善以及制造經(jīng)驗(yàn)不足，在進(jìn)行底架對(duì)接自動(dòng)焊焊接時(shí)出現(xiàn)大量未填滿缺陷，造成大批量手工補(bǔ)焊返修，嚴(yán)重影響底架整體平面度，制約車體的生產(chǎn)進(jìn)度。如何對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝方法進(jìn)行優(yōu)化，避免焊接缺陷的產(chǎn)生，成為首要解決的問(wèn)題。

1 底架缺陷原因

在底架自動(dòng)焊制造過(guò)程中，出現(xiàn)對(duì)接焊縫整道未填滿、咬邊（見圖1）等焊接質(zhì)量問(wèn)題，底架自動(dòng)焊完成后焊接缺陷平均在100處以上，總長(zhǎng)度達(dá)50 m，占底架對(duì)接焊縫總長(zhǎng)度的1/4（底架長(zhǎng)度為25 m，對(duì)接自動(dòng)焊焊縫共8條，如圖2所示，總長(zhǎng)度為25 m×8=200 m），造成大量的焊接返修。大量手工補(bǔ)焊對(duì)底架的平面度造成嚴(yán)重影響，焊后調(diào)修量顯著增加的同時(shí)制約了生產(chǎn)進(jìn)度。

1.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

350標(biāo)動(dòng)的底架由7塊中空鋁合金型材組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。中間5塊為地板型材（圖2中1、2、3號(hào)件），焊縫形式為4V對(duì)接，兩側(cè)的2塊型材為底架邊梁組成型材（圖2中4號(hào)件），邊梁與地板的連接形式為插接結(jié)構(gòu)，將地板型材插入到邊梁型材的開口中，焊接a5搭接焊縫。如果先焊接地板，地板焊后平面度的變化會(huì)導(dǎo)致地板端部無(wú)法插入到邊梁的開口中進(jìn)行組焊，因此需要地板與邊梁整體在工裝上進(jìn)行裝配、焊接。

邊梁與地板插接處開口尺寸為72.25 mm（-0.2～0.6 mm），地板插接口尺寸為 71.75 mm（-0.5～0 mm），設(shè)計(jì)公差較大，最大理論裝配間隙達(dá)到1.6 mm。加上型材在擠壓過(guò)程中產(chǎn)生少量變形，導(dǎo)致地板與邊梁插接口裝配后搭接a5焊縫間隙普遍較大，局部焊縫間隙達(dá)到1.5 mm，不滿足自動(dòng)焊的焊前裝配小于等于1 mm的間隙要求，焊接時(shí)填充金屬容易流入焊縫間隙中造成焊縫偏角等外觀不良缺陷。

圖1 對(duì)接自動(dòng)焊縫未填滿

圖2 底架焊接結(jié)構(gòu)

1.2 焊接工藝

按照長(zhǎng)直自動(dòng)焊焊縫的點(diǎn)固方法，對(duì)所有焊縫進(jìn)行段焊，段焊長(zhǎng)度40～60 mm，間距2 m，如圖3所示。但是對(duì)于底架自動(dòng)焊來(lái)說(shuō)，a5搭接焊縫由于型材匹配性差導(dǎo)致焊前裝配間隙超差，需增加段焊焊縫數(shù)量，因此控制a5搭接焊縫段焊間距為1 m，4V焊縫段焊間距為2 m。底架自動(dòng)焊采用CLOOS雙槍專機(jī)進(jìn)行焊接，如圖4所示，首先雙槍同時(shí)焊接1、1S焊縫，然后依次向外側(cè)焊接2、2S以及3、3S焊縫，正面焊接完成后，翻轉(zhuǎn)工件至反面位置，按照焊接順序雙槍依次焊接反面焊縫，焊接順序見圖5。焊縫1、1S焊接時(shí)，對(duì)兩側(cè)母材存在向中間的拉應(yīng)力，但工裝對(duì)邊梁是剛性固定的，且焊縫3、3S段焊密集，因此1、1S焊接后由于受拉應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致焊縫2、2S焊前間隙變大，局部超過(guò)2 mm。CLOOS雙槍焊接專機(jī)要求對(duì)接V型坡口，焊縫裝配間隙應(yīng)小于1 mm，超過(guò)1 mm會(huì)出現(xiàn)咬邊、未填滿等缺陷。因此，正面焊縫2、2S以及對(duì)稱位置的反面焊縫5、5S在焊接過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)較長(zhǎng)甚至整道焊縫咬邊、未填滿缺陷。

圖3 底架段焊

圖4 雙槍CLOOS專機(jī)焊接底架

2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及焊接工藝優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)邊梁與地板型材的匹配問(wèn)題，更改與邊梁搭接的地板型材尺寸，由 71.75 mm（-0.5～0 mm）更改為72 mm（-0.5～0 mm），改善了地板與邊梁的裝配條件，而且在邊梁型材圖紙上附加技術(shù)條件要求“與相鄰型材配合后，0.2 mm≤插口總間隙≤1 mm”，使地板與邊梁搭接焊縫裝配后間隙更小，有效保證地板與邊梁搭接a5焊縫的焊前裝配需求。

圖5 底架自動(dòng)焊焊接順序

2.2 段焊工藝優(yōu)化

由于型材的優(yōu)化，無(wú)需在搭接焊縫處進(jìn)行密集的點(diǎn)固也能保證搭接焊縫裝配質(zhì)量，因此將焊縫3、3S、6、6S的段焊間距由原來(lái)的1 m更改為現(xiàn)在的5 m，即將原來(lái)的每道焊縫26個(gè)段焊縫減少到每道6個(gè)段焊縫。段焊縫的減少降低了邊梁對(duì)地板型材的約束，使地板對(duì)接焊縫焊接時(shí)橫向拉應(yīng)力減小，可有效避免1、1S焊縫焊接完成后，發(fā)生2、2S焊縫焊前間隙超標(biāo)的情況。在正面4V對(duì)接焊縫進(jìn)行點(diǎn)固時(shí)，明確點(diǎn)固焊縫的焊前點(diǎn)固要求，焊縫1、1S要求點(diǎn)固焊后焊縫根部間隙不大于0.8 mm，焊縫2、2S要求點(diǎn)固焊后焊縫根部間隙不大于0.5mm。在1、1S焊縫焊接完成后，由于焊縫收縮，2、2S焊前間隙會(huì)有所增加，但最大間隙不會(huì)超過(guò)CLOOS專機(jī)自動(dòng)焊的允許值1 mm，有效保證自動(dòng)焊的焊接質(zhì)量。

2.3 焊接順序優(yōu)化

原底架焊接順序?yàn)檎?、反面均為從中間向兩邊依次對(duì)稱焊接。為保證底架焊后的整體平面度，經(jīng)過(guò)兩個(gè)底架試驗(yàn)后確定正面焊接順序不變，反面對(duì)接焊縫的順序優(yōu)化為從兩邊向中間焊接（見圖6）。這是因?yàn)檎婧竿旰?，由于焊接變形，從斷面看底架為中間下凹的形狀，翻轉(zhuǎn)到反面后為中間上鼓的形狀。將底架各型材在正面工裝上裝配好后，圖5中5、5S焊縫處的底架型材與下面的工裝支撐塊存在較大間隙（見圖7a），焊接時(shí)底架反面工裝的反變形起不到作用，焊后無(wú)法滿足底架的最終平面度要求。因此在焊接反面焊縫時(shí)，先焊接兩側(cè)的對(duì)接焊縫4、4S，使底架中部整體向下變形，從而使焊縫5、5S處型材與工裝密貼（見圖7b），再焊接焊縫5、5S，能有效保證底架的平面度滿足圖紙要求。

圖6 優(yōu)化后的焊接順序

圖7 焊接順序優(yōu)化對(duì)比

2.4 工藝參數(shù)優(yōu)化

由于裝配工藝及焊接順序的優(yōu)化，焊接工藝參數(shù)在工藝評(píng)定規(guī)定的熱輸入范圍內(nèi)進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)。保證各對(duì)接焊縫焊前間隙均能滿足4V焊縫自動(dòng)焊要求，在焊接工藝評(píng)定允許的熱輸入范圍內(nèi)[5]，采用大規(guī)范、快速焊接，工藝參數(shù)見表1，焊接速度由原來(lái)的 50～60 cm/min提高到 60～70 cm/min，焊接效率提高20%。

表1 自動(dòng)焊焊接工藝參數(shù)

2.5 焊接變形預(yù)補(bǔ)償

根據(jù)實(shí)際焊后變形情況對(duì)工裝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在底架反面工裝的焊縫支撐塊上預(yù)制反變形，如圖8所示。從底架斷面上看，預(yù)制變形量從中間向兩邊為依次遞減，設(shè)置反變形后有效抵消了底架焊接變形，保證一次焊接后底架輪廓尺寸的合格率。

圖8 底架工裝預(yù)制反變形

通過(guò)采用上述優(yōu)化措施，有效保證底架自動(dòng)焊的焊縫質(zhì)量，避免焊縫未填滿缺陷的產(chǎn)生，優(yōu)化后的對(duì)接自動(dòng)焊焊縫質(zhì)量如圖9所示。每個(gè)底架的自動(dòng)焊焊縫總返修量由原來(lái)的50 m下降到不足1 m。焊后只需對(duì)正常的焊接接頭進(jìn)行修磨處理，極大地提高了生產(chǎn)效率。焊縫返修是造成底架變形的主要因素，返修量的大幅下降有效保證了底架焊后的輪廓度及地板寬度尺寸。圖紙要求底架平面度為（-5，+2），后續(xù)生產(chǎn)的底架所有尺寸數(shù)據(jù)均在設(shè)計(jì)要求的公差之內(nèi)，滿足使用要求。

圖9 優(yōu)化后的自動(dòng)焊焊縫

3 結(jié)論

（1）由于型材設(shè)計(jì)匹配不合理、工藝技術(shù)不成熟，導(dǎo)致底架自動(dòng)焊對(duì)接焊縫出現(xiàn)大量焊縫未填滿的缺陷。

（2）通過(guò)優(yōu)化插口處型材匹配尺寸及公差、減少a5搭接焊縫的段焊數(shù)量、調(diào)整反面對(duì)接焊縫的焊接順序、提高焊接電流及焊接速度等措施，有效避免了焊縫未填滿缺陷的產(chǎn)生。

（3）工藝優(yōu)化后，每個(gè)底架自動(dòng)焊焊縫返修量由原來(lái)的50 m下降為不足1 m，顯著提高了生產(chǎn)效率，焊后底架平面度基本在要求的公差范圍內(nèi)，降低了焊后調(diào)修工作量，產(chǎn)品質(zhì)量得到有力保障。

參考文獻(xiàn)：

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