鋁合金城軌車輛底架邊梁與摩擦焊地板組焊工藝研究

田玉吉 郭 政

(青島四方阿爾斯通鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司 山東 青島 266111)

0 前言

軌道車輛底架框架組焊作為底架生產(chǎn)的初始工序，其長度、寬度、邊梁垂直度和直線度等關(guān)鍵尺寸具有決定意義，直接影響到側(cè)墻、車頂、端墻的組裝，同時(shí)又對車體涂裝、車體內(nèi)裝產(chǎn)生間接影響，因此對底架框架組裝進(jìn)行過程和質(zhì)量控制意義重大[1-2]。某A型鋁合金城軌列車，采用新型設(shè)計(jì)理念，由邊梁和機(jī)加工后的摩擦焊地板組焊成底架框架結(jié)構(gòu)，本文針對底架框架組焊的現(xiàn)存問題，對鋁合金城軌底架邊梁與摩擦焊地板組焊過程進(jìn)行工藝研究，并進(jìn)行工藝優(yōu)化，有效解決了底架框架難于組裝和調(diào)整的問題，保證了焊接工藝規(guī)范對焊縫間隙的要求，優(yōu)化了底架框架寬度尺寸的公差帶，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，保證了后工序的順利進(jìn)行。

1 底架框架結(jié)構(gòu)及工裝介紹

1.1 底架框架結(jié)構(gòu)

某A型鋁合金城軌列車，采用新型設(shè)計(jì)理念，由邊梁和機(jī)加工后的摩擦焊地板組焊成底架框架結(jié)構(gòu)，其邊梁與地板正反位的焊縫接頭形式均為插入式4V對接焊縫，即底架正位2條焊縫，底架反位2條焊縫，整個(gè)底架框架的長度約為22 000 mm，寬度為3 000 mm，摩擦焊地板組焊采用攪拌摩擦焊方法將5塊地板型材組焊成整體后進(jìn)行機(jī)加工，摩擦焊的使用提高了生產(chǎn)效率，減小了因焊接變形對地板尺寸的影響，底架框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。邊梁與地板組成的焊接過程分為底架反位焊接和正位焊接。

圖1 底架框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 底架框架組焊工裝

底架反位和正位4V焊縫采用IGM進(jìn)行自動(dòng)化焊接，考慮到場地和工裝成本費(fèi)用，現(xiàn)提出底架正位和反位組焊一體化工裝，即底架反位焊接完成后，再翻轉(zhuǎn)至正位進(jìn)行焊接。工裝設(shè)有邊梁橫向拉緊裝置、邊梁豎直壓緊裝置、底架橫向中心定位裝置、底架正反位工裝轉(zhuǎn)換裝置、調(diào)整側(cè)邊梁的推進(jìn)裝置，定位側(cè)邊梁的定位裝置，底架反位組焊工裝示意如圖2所示。

圖2 底架反位組焊工裝示意圖

2 底架框架組焊現(xiàn)存問題

2.1 邊梁與地板組裝尺寸

通常情況下，邊梁和地板作為長大型材，為保證組裝尺寸的一致性，均是在增加同等工藝放量尺寸后進(jìn)行機(jī)加工，然后在公差范圍內(nèi)進(jìn)行組裝調(diào)整，然而實(shí)際組裝中經(jīng)常會(huì)發(fā)生邊梁與地板端部錯(cuò)邊，測量發(fā)現(xiàn)邊梁長度超出公差尺寸上限，為此需要對邊梁長度進(jìn)行尺寸分析，打磨邊梁長度滿足公差要求，難于保證產(chǎn)品質(zhì)量，且影響生產(chǎn)進(jìn)度。

2.2 底架框架組裝難于調(diào)整

底架框架的組裝過程為：吊運(yùn)定位側(cè)邊梁，并將其固定于工裝上，以此作為組焊定位基準(zhǔn)，再吊運(yùn)摩擦焊地板，最后吊運(yùn)調(diào)整側(cè)邊梁，而摩擦焊底板是由地板型材拼焊而成，質(zhì)量約1.5 t，因此面對重而大的地板組成，與邊梁組裝后的尺寸調(diào)整成為難題，直接影響生產(chǎn)進(jìn)度。

2.3 自動(dòng)焊縫間隙超差

地板兩側(cè)與邊梁的自動(dòng)焊4V焊縫，為達(dá)到有效熔深，保證焊縫質(zhì)量，焊接工藝要求至少需要保證1 mm的焊縫間隙尺寸，底架框架的自動(dòng)焊順序?yàn)椋合韧瓿傻准芊次缓附樱偻瓿傻准苷坏暮附?。問題在于：底架反位焊接完成后，因受焊接收縮變形的影響，底架正位的焊縫間隙超出公差要求，較長距離的焊縫間隙為零，難于保證焊縫質(zhì)量。

2.4 底架框架焊后調(diào)修尺寸控制

為使焊后底架框架在地板平面度、邊梁直線度、底架寬度方面滿足圖紙要求，需要對底架框架進(jìn)行焊后調(diào)修處理，實(shí)際上調(diào)修操作過程中僅關(guān)注了圖紙對底架的技術(shù)要求，往往忽視了隱含的對下工序有影響的技術(shù)要求，即邊梁相對于地板的垂直度和邊梁下端的底架寬度，避免底架邊梁呈平行四邊形的傾斜。

3 底架框架組焊優(yōu)化工藝措施

底架框架組焊作為底架生產(chǎn)的前工序，其焊后尺寸直接影響到后工序前端底架組裝及附件定位焊接，因此對底架框架組裝進(jìn)行過程和質(zhì)量控制意義重大，本文通過對底架型材機(jī)加工藝優(yōu)化，使邊梁來料尺寸在公差(-2，+2)mm內(nèi)；通過對框架組焊過程的工藝優(yōu)化，規(guī)范了組裝步驟，保證了焊縫間隙，明確了調(diào)修關(guān)鍵控制尺寸，進(jìn)而優(yōu)化了底架框架尺寸的公差帶，即將底架寬度公差(-5，+2)mm優(yōu)化為(-1，+2)mm，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，保證了后工序的順利進(jìn)行，底架框架組焊工藝流程如圖3所示，同時(shí)將底架框架的組裝和焊后調(diào)修設(shè)置為關(guān)鍵工序而進(jìn)行工藝優(yōu)化。

圖3 底架框架組焊工藝流程圖

3.1 型材機(jī)加工藝優(yōu)化

鋁合金型材機(jī)加工后其長度尺寸會(huì)隨溫度變化而變化，通常情況下，當(dāng)溫度變化5 ℃時(shí)，20 m的型材整體長度變化1.5～2 mm，因此當(dāng)受季節(jié)溫度變化、加工環(huán)境溫度的較大溫差影響時(shí)，測量尺寸偏差可達(dá)到4.5～6 mm，已經(jīng)超過圖紙機(jī)加工公差(-2，+2)mm的要求，造成邊梁與地板組裝端部錯(cuò)邊的產(chǎn)生。針對溫度變化對長大型材機(jī)加工的影響，對機(jī)加工編程進(jìn)行工藝優(yōu)化，總的原則為：鋁型材因區(qū)域溫度不同產(chǎn)生熱脹冷縮，編程時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整機(jī)加工編程公差。例如：當(dāng)車間溫度小于10 ℃時(shí)，按圖紙要求理論尺寸的下偏差進(jìn)行編程加工；當(dāng)車間溫度為10 ℃～30 ℃時(shí)，按圖紙要求的理論尺寸進(jìn)行編程加工；當(dāng)車間溫度大于30 ℃時(shí)，按圖紙要求理論尺寸的上偏差進(jìn)行編程加工。型材機(jī)加工編程工藝優(yōu)化后，經(jīng)過批次車輛的跟蹤，邊梁、地板來料均在公差范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3.2 組焊過程工藝優(yōu)化

摩擦焊地板重約1.5 t，質(zhì)量大、體積大、組裝難于調(diào)整是目前存在的主要問題，同時(shí)邊梁與地板組裝的焊縫間隙調(diào)整是精細(xì)的操作過程，底架反位焊接完成后，底架正位焊縫間隙受底架反位焊接收縮變形的影響較大[3-4]，如何使底架正位自動(dòng)焊縫間隙滿足焊接工藝規(guī)范的要求，保證焊縫質(zhì)量，又是一個(gè)亟待解決的問題。因此將邊梁地板組裝過程定義為關(guān)鍵工序，規(guī)范其組裝操作步驟，并對其組裝過程進(jìn)行工藝優(yōu)化，如圖3所示。反位組裝底架框架操作步驟如下：吊運(yùn)定位側(cè)邊梁至工裝上，使邊梁中心位置孔與底架橫向中心定位裝置對齊，中心定位后用邊梁橫向拉緊裝置拉緊固定；然后吊運(yùn)地板，使地板縱向中心與邊梁中心對齊，放置的地板離定位側(cè)邊梁距離以能抽出吊帶為宜，分別在地板兩端部和中心3個(gè)位置的型材立面放置千斤頂，同時(shí)緩慢推動(dòng)地板使其與邊梁焊縫型材搭接2～3 mm，停止推進(jìn)并進(jìn)行確認(rèn)，注意：切勿推進(jìn)過量，然后繼續(xù)二次推動(dòng)地板至焊縫間隙滿足焊接工藝規(guī)范焊縫間隙(+2，+3)mm的要求，對定位側(cè)邊梁區(qū)域焊縫下方進(jìn)行點(diǎn)焊固定；吊運(yùn)調(diào)整側(cè)邊梁至工裝上保證邊梁型材中心對齊工裝定位中心，通過調(diào)整側(cè)邊梁推進(jìn)裝置推進(jìn)邊梁至已設(shè)定的地板寬度尺寸，然后用邊梁橫向拉緊裝置拉緊固定，最后將邊梁豎直壓緊裝置壓緊，測量底架框架預(yù)組尺寸；組裝尺寸檢測合格后，在豎直壓緊和側(cè)向拉緊狀態(tài)下對底架正反位4 V焊縫進(jìn)行定位點(diǎn)焊和段焊。

工藝優(yōu)化前點(diǎn)焊和段焊順序?yàn)椋旱准芊次缓缚p點(diǎn)焊—底架反位焊縫段焊—底架正位焊縫點(diǎn)焊—底架正位焊縫段焊。組裝或焊接過程發(fā)現(xiàn)，隨著焊接的進(jìn)行，正位焊縫局部焊縫間隙不均勻，表現(xiàn)為局部焊縫為零間隙，不滿足焊接工藝對焊縫間隙的要求。工藝優(yōu)化后點(diǎn)焊和段焊順序?yàn)椋旱准芊次缓缚p點(diǎn)焊—底架正位焊縫點(diǎn)焊—底架正位焊縫段焊—底架正反位焊縫段焊，段焊長度80～100 mm，點(diǎn)焊和段焊位置如圖4所示，段焊完成后，松開邊梁拉緊和壓緊裝置，完成底架反位IGM自動(dòng)焊接。批次底架組裝過程表明，優(yōu)化后的工藝有效解決了底架框架難于組裝和調(diào)整的問題，滿足了焊接工藝規(guī)范對焊縫間隙的要求，優(yōu)化了底架框架寬度尺寸的公差帶，使底架寬度公差由(-5，+2)mm優(yōu)化為(-1，+2)mm。

圖4 點(diǎn)固焊和段焊位置示意圖

3.3 調(diào)修過程工藝優(yōu)化

底架框架組焊步驟的規(guī)范及組裝過程的工藝優(yōu)化，使底架寬度公差達(dá)到工藝的預(yù)期要求，實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)品尺寸控制質(zhì)的飛躍。然而生產(chǎn)中偶爾會(huì)出現(xiàn)調(diào)修后兩底架邊梁呈平行四邊形傾斜的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了底架附件的定位尺寸安裝及車體涂裝，其原因?yàn)椋旱准芸蚣苷{(diào)修僅關(guān)注了圖紙對底架正位寬度、長度及平面度的技術(shù)要求，忽視了隱含的對下工序影響的技術(shù)要求，即邊梁外側(cè)相對于底架正位地板平面的垂直度要求，現(xiàn)對調(diào)修過程進(jìn)行工藝優(yōu)化，邊梁外側(cè)相對于底架正位地板平面的垂直度不大于1 mm；邊梁相對于底架正位地板平面的平面度不大于1 mm，且邊梁禁止下?lián)?；邊梁外?cè)下部的底架寬度公差為(0，+2)mm，調(diào)修控制尺寸經(jīng)過工藝優(yōu)化后，底架框架尺寸穩(wěn)定，極大地保障了后工序的順利進(jìn)行。

4 結(jié)束語

針對底架框架組焊過程中的現(xiàn)存問題，制定了工藝流程圖，規(guī)范組裝操作步驟，將組裝過程和調(diào)修過程作為關(guān)鍵工序進(jìn)行控制，對問題的分析與質(zhì)量控制具有重要的指導(dǎo)意義。通過對底架型材機(jī)加編程、框架組焊和調(diào)修過程的工藝優(yōu)化，有效解決了底架框架難于組裝和調(diào)整的問題，保證了焊接工藝規(guī)范對焊縫間隙的要求，優(yōu)化了底架框架寬度尺寸的公差帶，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了后工序的尺寸需求。