反變形工藝在鋁合金車體平頂組焊中的應(yīng)用研究

葛佳棋 萬升云 湯旭祥 曹興華 鄭小康 李廣立

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

目前國內(nèi)鋁合金地鐵車輛空調(diào)承載系統(tǒng)大多采用空調(diào)平頂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有自身強度大、空調(diào)噪聲小、乘客舒適度高的優(yōu)點。同時，空調(diào)平頂板焊接采用先進的攪拌摩擦焊技術(shù)(FSW)，該方法焊接過程穩(wěn)定、可靠，不需填充金屬和保護氣體，無弧光、煙塵等，符合軌道車輛“綠色交通”的發(fā)展方向[1-2]。

然而空調(diào)平頂?shù)母邚姸饶K化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其焊后尺寸難以調(diào)修，故空調(diào)平頂組焊尺寸控制顯得尤為重要。下文從軌道車輛生產(chǎn)中常用的反變形工藝出發(fā)，研究不同反變形量對平頂組焊過程的影響，并尋求最佳工藝方案。

1 軌道車輛車頂及平頂結(jié)構(gòu)介紹

圖1所示為鋁合金地鐵車輛車頂三維結(jié)構(gòu)示意圖，是由2根車頂邊梁、2個空調(diào)平頂模塊、3個圓頂模塊組焊而成；圖2為空調(diào)平頂三維結(jié)構(gòu)示意圖，是由2根平頂?shù)鯍毂凇?塊平頂板和2塊中頂板組焊而成。其中3塊平頂板采用攪拌摩擦焊焊接而成，平頂板與2根平頂?shù)鯍毂圻M行平頂自動焊，最后進行兩端中頂板的手工焊接?？照{(diào)平頂型材材質(zhì)為6005A-T6，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))如下：0.5%≤ω(Si)≤0.9%，ω(Fe)=0.35%，ω(Cu)=0.3%，ω(Mn)=0.5%，0.4%≤ω(Mg)≤0.7%，ω(Cr)=0.3%，ω(Zn)=0.2%。

圖1 車頂三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 平頂三維結(jié)構(gòu)示意圖

2 攪拌摩擦焊平頂板反變形應(yīng)用研究

2.1 攪拌摩擦焊平頂板結(jié)構(gòu)簡介及工藝流程介紹

如圖3所示，攪拌摩擦焊平頂板是由3塊長度為3 800 mm型材拼焊而成，焊接接頭細節(jié)如圖4所示。

圖3 平頂板型材斷面圖

圖4 攪拌摩擦焊接頭示意圖

2.2 攪拌摩擦焊平頂板組焊工藝難點分析

(1)在平頂板的焊接過程中，攪拌頭施加給焊件的力大概為10 kN，為了防止焊件受壓而變形，在組焊工裝上安裝有4組工裝縱梁，具體如圖5所示。

(2)焊接平頂板時，若不預(yù)制反變形，則焊后平頂板會下塌，因此需在正裝工裝上合理預(yù)置反變形，具體措施為在正裝工裝縱梁上設(shè)置8組1 m長的反變形U型鋁板，當(dāng)進行平頂板反面焊接時去除該U型鋁板，最終使產(chǎn)品焊后尺寸滿足公差要求。

圖5 平頂板攪拌摩擦焊工裝示意圖

2.3 攪拌摩擦焊平頂板組焊對比試驗

根據(jù)2.2節(jié)的分析，針對FSW平頂板撓度進行如下3種對比試驗：(1)工裝不設(shè)置反變形；(2)正裝工裝設(shè)置1.5 mm U型反變形鋁片；(3)正裝工裝設(shè)置3 mm U型反變形鋁片。對比試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改進前后平頂板撓度對比 /mm

試驗1不作反變形，試驗2在正裝加1.5 mm反變形，試驗3、4在正裝加3 mm反變形，測量位置為兩端200 mm處及中間處。

上述3種對比試驗結(jié)果、試驗結(jié)論如下：

(1)試驗結(jié)果：試驗1有2處超出公差范圍；試驗2有1處超出公差范圍，試驗3、試驗4兩個試驗段尺寸均在公差范圍內(nèi)，符合要求；

(2)試驗結(jié)論：針對FSW平頂板結(jié)構(gòu)，需對其正裝工裝進行預(yù)置反變形，反變形量為2 mm。該思路及方法可應(yīng)用于其他類似平頂板結(jié)構(gòu)。

3 某項目平頂反變形應(yīng)用研究

3.1 某項目平頂結(jié)構(gòu)簡介及工藝流程介紹

某項目平頂由2根平頂?shù)鯍毂?件4、件5)與攪拌摩擦焊平頂板組成，平頂斷面示意圖如圖6所示，平頂?shù)鯍毂谂c平頂板接合處為搭接接頭，接頭形式如圖7所示。

圖6 某項目平頂型材斷面圖

圖7 某項目平頂焊縫接頭示意圖

3.2 某項目平頂組焊工藝難點分析

該平頂組焊關(guān)鍵尺寸要求如表2所示。

表2 平頂關(guān)鍵尺寸要求 /mm

(1)由圖8可知，平頂組焊后有上口橫向尺寸、平頂下口C型槽尺寸、平頂高度3個尺寸要求，且尺寸之間均為關(guān)聯(lián)尺寸，整體均控制在公差范圍內(nèi)，難度較大；

(2)圖8中焊縫③④產(chǎn)生的焊接變形大于①②焊縫產(chǎn)生的焊接變形，故若平頂焊前不預(yù)置反變形，焊后平頂?shù)鯍毂诰尸F(xiàn)外倒趨勢，即A值偏大，B、C數(shù)值偏小，會導(dǎo)致產(chǎn)品不合格；

(3)以該平頂不作反變形時的試驗數(shù)據(jù)為參考基準(zhǔn)，對該平頂反裝工裝作反變形，通過調(diào)整圖9中反變形裝置位置，將反變形量調(diào)整為單邊10 mm；

圖8 某項目平頂關(guān)鍵尺寸示意圖

圖9 某項目平頂反裝預(yù)置反變形示意圖

(4)某項目平頂反裝預(yù)置反變形后，反裝壓緊臂的位置至關(guān)重要，如圖10、圖11所示，圖10(a)中壓緊臂距離焊縫旋轉(zhuǎn)軸較近，力臂較小，壓緊效果差；圖10(b)中壓緊臂距離焊縫旋轉(zhuǎn)軸較遠，力臂較大，壓緊效果好。

(a)壓頭位于上部區(qū)域 (b)壓頭位于下部區(qū)域圖10 平頂反裝壓緊點改進實物示意圖

圖11 平頂反裝壓緊點改進斷面示意圖

3.3 某項目平頂組焊對比試驗

根據(jù)上節(jié)分析，針對某項目平頂進行如下2種對比試驗：(1)反裝工裝兩側(cè)預(yù)置10 mm反變形，反裝壓緊臂位于平頂反裝狀態(tài)上部區(qū)域；(2)反裝工裝兩側(cè)預(yù)置10 mm反變形，反裝壓緊臂位于平頂反裝狀態(tài)下部區(qū)域。對比試驗數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 改進前后高度尺寸對比 /mm

表4 改進前后寬度尺寸對比 /mm

試驗1、2作反變形，控制兩側(cè)尼龍塊表面與吊掛壁內(nèi)側(cè)面間隙均為10 mm，壓頭位置在反裝狀態(tài)上部區(qū)域：試驗3、4與試驗1、2相同，均在反裝作反變形，不同的是壓頭位置在反裝狀態(tài)下部區(qū)域。

上述2種對比試驗結(jié)果、試驗結(jié)論如下：

(1)試驗結(jié)果及分析

①試驗1、試驗2平頂寬度及平頂高度均超出公差范圍；在按照圖11改進壓緊臂的壓緊位置后，試驗3、試驗4平頂寬度及平頂高度均在公差范圍內(nèi)，符合要求。

②該對比試驗選取反裝工裝兩側(cè)各預(yù)置10 mm反變形量，但在實際生產(chǎn)中，平頂反裝落胎時很難保證對中落胎，落胎后常會出現(xiàn)一邊緊貼工裝，一邊出現(xiàn)20 mm反變形的情況；如圖12所示，反裝壓緊臂壓緊后，該情況會導(dǎo)致平頂兩側(cè)吊掛壁受力不一致，最終影響平頂高度。

圖12 某項目平頂實際反變形示意圖

③該對比試驗平頂寬度指的是圖8平頂上口寬度A，由于平頂下口C型槽寬度B公差較大，控制相對容易，焊后均在公差范圍內(nèi)，故未對該尺寸進行圖表分析。

(2)試驗結(jié)論

針對地鐵某項目平頂結(jié)構(gòu)，雖對工裝壓緊臂的壓緊點進行改進后，生產(chǎn)出的2個試驗段均符合要求，但由于平頂反裝落胎時位置會出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致平頂兩側(cè)吊掛壁變形不一致，因此在大批量生產(chǎn)時，不宜優(yōu)先采用這種反變形措施，應(yīng)從正裝工裝預(yù)置平頂反變形。

4 結(jié)束語

上文通過對鋁合金地鐵平頂組焊生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的慣性質(zhì)量問題進行現(xiàn)場跟蹤，分別對攪拌摩擦焊平頂板撓度、平頂高度及平頂寬度等重要指標(biāo)進行重點技術(shù)攻關(guān)，通過合理預(yù)置反變形的工藝措施，同時結(jié)合一系列有針對性的對比工藝試驗，獲得了平頂組焊最佳工藝參數(shù)，指導(dǎo)并反饋于現(xiàn)場生產(chǎn)，最終達到了提高整車組焊質(zhì)量的目的。