三維窗結(jié)構(gòu)的焊接變形及工藝控制

李明，湯運剛

中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

1 序言

鋁合金重量輕、強度高，使得動車組的高速、輕量化成為可能，動車組車體主要由鋁合金型材、板材等組焊而成。動車組司機室主要為鋁合金板材經(jīng)加工后組成的骨架式結(jié)構(gòu)，前窗為鋁合金型材拼接結(jié)構(gòu)，與司機室骨架組裝為一體。而鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)高、對焊接環(huán)境要求苛刻，致使前窗焊接變形成為司機室質(zhì)量控制的一個難點[1-2]。

2 動車組前窗的結(jié)構(gòu)及焊接變形

動車組司機室主要為鋁合金板材經(jīng)加工成形后連接而成的骨架組裝結(jié)構(gòu)，包含司機室前窗、側(cè)窗、頭燈安裝座等部件。其中前窗由多塊型材拼接形成的三維曲面結(jié)構(gòu)，前窗拼接完成后與司機室骨架組裝，采用焊接形式連接，如圖1所示。

司機室大骨架組裝后進行大骨架整體焊接，板梁插接形成十字交叉接頭，骨架結(jié)構(gòu)主要為十字接頭形式，交叉位置采用四道焊縫連接。骨架焊接完成后在其外側(cè)鋪裝鋁合金外板，鋁合金外板與骨架間也采用焊接連接形式，焊縫遍布司機室整個區(qū)域。

圖1 司機室及前窗結(jié)構(gòu)

動車組前窗由多種、多塊型材拼裝而成。前窗整體為三維曲面結(jié)構(gòu)，單塊型材由三維加工、壓力機沖壓等形式加工而成，各型材連接位置采用雙面滿焊形式連接。

司機室骨架及前窗焊接接頭多，焊接熱輸入量大，焊接完成后骨架和前窗收縮應(yīng)力較大，導(dǎo)致前窗焊接變形嚴重，無法滿足前窗玻璃的安裝要求。

對動車組司機室焊后前窗尺寸進行跟蹤統(tǒng)計，分析側(cè)窗焊接變形的現(xiàn)狀及趨勢。前窗尺寸檢查通過計量合格的標準檢測樣板進行，檢測標準主要為前窗骨架與樣板之間的高低差（A值）及間隙值。對5個前窗數(shù)據(jù)進行跟蹤，每個前窗檢測20個位置（其中A值測量結(jié)果見表1）。

從數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果可以看出，5個前窗都存在超差現(xiàn)象，前窗焊后超差概率較高。

3 窗結(jié)構(gòu)焊接變形的原因分析

（1）骨架結(jié)構(gòu)焊接接頭多、焊后變形大 骨架連接主要采用十字接頭滿焊形式（見圖2），前窗與骨架連接，司機室焊接過程熱輸入量較大，導(dǎo)致司機室焊接變形的同時引起前窗焊接變形。

圖2 骨架連接形式

表1 A值測量數(shù)據(jù)（優(yōu)化前） （mm）

（2）前窗骨架分塊多，焊接變形傾向大 前窗僅外側(cè)圈梁就由7塊型材組成，焊縫接頭多，熱輸入量過大引起前窗自身變形。

（3）焊接工藝影響 前窗型材對接位置坡口角度較大（見圖3），焊絲填充量大導(dǎo)致焊接熱輸入量大，焊后變形嚴重。

圖3 型材連接坡口形式

4 三維窗結(jié)構(gòu)的控制方法

（1）采用反變形剛性工藝支撐控制司機室焊接變形 根據(jù)司機室結(jié)構(gòu)確定關(guān)鍵控制部位和尺寸，設(shè)計制作不同規(guī)格的剛性可調(diào)工藝支撐，實現(xiàn)焊接過程關(guān)鍵尺寸的控制。針對司機室骨架不同位置變形規(guī)律，對工藝支撐設(shè)置一定反變形量，保證了變形部位焊后符合設(shè)計要求。

（2）優(yōu)化前窗組裝方式 前窗組裝工裝由正組方式改為反組方式，反組工裝與前窗骨架配合面為玻璃安裝面，工裝采用三維加工方式，保證前窗玻璃安裝面焊接后的精度。

（3）焊接工藝優(yōu)化 優(yōu)化前窗型材接頭坡口形式，減少焊接層道數(shù)（坡口優(yōu)化前后的參數(shù)對比見表2）。通過改變加工方式優(yōu)化前窗型材連接位置坡口形式，在保證焊縫連接強度的前提下，改善坡口形式，減小焊接熱輸入，從而減小焊接變形。

（4）優(yōu)化前窗型材分塊結(jié)構(gòu) 針對外側(cè)圈梁閉環(huán)設(shè)計結(jié)構(gòu)，本著減少焊縫數(shù)量的原則，將前窗外側(cè)圈梁型材由7塊減少為5塊，減少焊接熱輸入量，從而減小前窗變形量。

同樣選取5個前窗，每個前窗選取20個測量點，對前窗變形情況進行統(tǒng)計（見表3）。措施優(yōu)化后，除兩個測量位置A值超差外，前窗整體尺寸滿足標準要求，前窗焊后調(diào)修工作量明顯減少。

5 結(jié)束語

通過對動車組司機室結(jié)構(gòu)、前窗結(jié)構(gòu)以及焊接過程分析，本著減少焊接熱輸入量的原則，從司機室整體焊接變形控制、前窗組裝方式優(yōu)化、型材坡口形式優(yōu)化、前窗型材分塊優(yōu)化以及前窗組焊模塊化等方面，提出了一種控制動車組三維曲面前窗結(jié)構(gòu)焊接變形的方法。該套方法減少了焊接過程熱輸入量和內(nèi)應(yīng)力，實現(xiàn)了三維窗結(jié)構(gòu)焊接變形的有效控制，大幅度減小了動車組前窗焊接變形量，提高了生產(chǎn)效率。該套方法通過適應(yīng)性調(diào)整可應(yīng)用于其他三維曲面安裝結(jié)構(gòu)的焊接變形控制。

表2 坡口優(yōu)化前后的焊接參數(shù)對比

表3 A值測量數(shù)據(jù)（優(yōu)化后） （mm）