中速磁浮車輛車體組裝技術(shù)

焦銳，劉海濤

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

目前，國內(nèi)外運(yùn)營的低速磁浮車輛車體多采用全鋁合金材料，車體結(jié)構(gòu)的連接及密封通過全弧焊焊接。中速磁浮車輛是一種定位于市域或城際中等距離的新型磁浮軌道交通系統(tǒng)，最高運(yùn)行速度為200km/h，在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用仍處于空白。

為適于城際應(yīng)用，曲線通過能力更好，車長較短，同時(shí)采用輕量化設(shè)計(jì)，因此車體采用復(fù)合材料，相比鋁合金車體可減重20%以上[1，2]。為實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度、減少弧焊焊接變形，車體應(yīng)用多種連接技術(shù)，包括鉚接、激光焊接、弧焊焊接以及粘接技術(shù)。

2 車體連接工藝概述

中速磁浮車輛車體主要采用鋁合金長直型材、PMI泡沫三明治復(fù)合材料、鋁合金板材，以及鋁合金拉彎、折彎件，各大部件之間的連接主要采用鉚接及激光焊接工藝，復(fù)合材料需使用激光焊封邊，頂蓋上部框架梁之間的連接使用弧焊焊接。

除地板采用弧焊焊接工藝之外，設(shè)備夾層骨架組裝的其他所有連接均采用鉚接。車體上使用的連接工藝及在各零部件上的應(yīng)用情況見表1。

表1 各零部件連接工藝及應(yīng)用情況

3 鉚接工藝

3.1 鉚釘選型

（1）LMB型抽芯鉚釘 主要用于結(jié)構(gòu)連接，是一種高強(qiáng)度防松單面鋼制緊固件，具備良好的抗拉和抗剪切強(qiáng)度，并融合了單面緊固件安裝速度快的優(yōu)點(diǎn)。該鉚釘是承載較大部位、在接觸空間有限時(shí)的理想選擇，主要用于車體主要梁之間的連接，其密封主要靠母材間預(yù)涂的密封膠實(shí)現(xiàn)。

（2）防漏型抽芯鉚釘 是一種多鉚接厚度結(jié)構(gòu)型緊固件，可實(shí)現(xiàn)全封閉連接以及可見鎖定。通過徑向膨脹體可以很好地實(shí)現(xiàn)螺孔填充，獲得強(qiáng)有力抗振連接，具有大縫隙閉合作用?？捎迷谲圀w側(cè)面，要求鉚接后鉚釘本身具有水密性。

（3）環(huán)槽鉚釘 抗剪切強(qiáng)度高，適合高強(qiáng)度裝配，可控強(qiáng)力夾緊，防松性能好，主要用于夾層隔板的連接。

3.2 鉚接工藝制定

為提高鉚接孔的制孔效率及精度，保證鋁合金鉚接接頭的防腐性能、鉚釘以及鉚接接頭的密封性能，通過研究及驗(yàn)證，采用以下工藝較為合理：在零件上加工導(dǎo)孔、噴底漆、鉚接面涂膠、裝配、按導(dǎo)孔擴(kuò)孔、锪孔、放鉚釘、鉚接。鉚釘均采用液壓式或氣壓式鉚接器，鉚接器按單面鉚釘?shù)闹睆揭?guī)格劃分，每種直徑規(guī)格的單面鉚釘對應(yīng)一把鉚接器。

3.3 鉚釘?shù)臏y試及驗(yàn)收方法

鉚釘在使用前應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，包括安裝試驗(yàn)與力學(xué)性能測試。安裝試驗(yàn)的主要目的是對鉚釘?shù)馁|(zhì)量及鉚接工藝進(jìn)行確認(rèn)，單面鉚釘鉚接后，鉚釘表面不允許出現(xiàn)裂紋、折疊、飛邊、毛刺、浮銹及漏涂鍍等影響使用性能的缺陷。在鉚接完成后要檢查鉚釘變形、拉斷后的尺寸是否滿足設(shè)定要求。鉚釘安裝在產(chǎn)品上以后的外觀及尺寸檢測要求與安裝驗(yàn)收要求一致。

力學(xué)性能測試主要驗(yàn)證與產(chǎn)品相同的接頭在使用鉚釘鉚接安裝后的力學(xué)性能，包括剪切試驗(yàn)、拉脫試驗(yàn)。鉚接接頭力學(xué)性能測試方法如圖1所示。鉚釘按型號(hào)、規(guī)格（直徑）設(shè)定了最小剪切強(qiáng)度、拉脫強(qiáng)度，并規(guī)定了試驗(yàn)數(shù)量及合格標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)選取3個(gè)單面鉚釘進(jìn)行試驗(yàn)，如果該試驗(yàn)項(xiàng)的3個(gè)試驗(yàn)全部合格，則該項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證合格。如果某試驗(yàn)項(xiàng)的3個(gè)試驗(yàn)中有1個(gè)不合格，則需再另取3個(gè)單面鉚釘進(jìn)行附加試驗(yàn)，如果附加試驗(yàn)全部合格，則試驗(yàn)項(xiàng)驗(yàn)證合格。否則，視為該試驗(yàn)項(xiàng)驗(yàn)證不合格。

圖1 鉚接接頭力學(xué)性能測試方法

4 激光焊接工藝

4.1 激光焊接工藝方法選定

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為避免因MIG/TIG焊高熱輸入而影響復(fù)合材料性能，并同時(shí)保證車體接頭水密性和氣密性，車體上使用的所有復(fù)合材料需要采用激光焊接工藝，復(fù)合材料與車體框架的連接也同時(shí)需要采用激光焊接工藝。為此，開展了6系薄板鋁合金的激光焊接工藝研究，擬將手持式激光自熔焊、機(jī)器人激光自熔焊、機(jī)器人激光填絲焊等3種工藝進(jìn)行對比試驗(yàn)。但經(jīng)實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)存在以下問題，需要運(yùn)用工裝對接頭進(jìn)行消縫隙處理；使用機(jī)器人焊接時(shí)因焊接設(shè)備行程受限，所以需制作大型工裝或者焊接過程要對產(chǎn)品進(jìn)行變位；由于利用機(jī)器人激光焊設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)，因此最終選定了手持式激光自熔焊作為產(chǎn)品制造應(yīng)用工藝。

4.2 手持式激光自熔焊工藝

本試驗(yàn)主要針對中速磁浮項(xiàng)目用到的z1及z2搭接接頭進(jìn)行手持式激光焊焊接評定，按照ISO 15614-11：2002《金屬材料焊接程序的規(guī)范和鑒定 焊接程序試驗(yàn) 第11部分：電子和激光束焊接》，評定激光自熔焊能否實(shí)現(xiàn)該接頭形式的焊接。焊接參數(shù)見表2。

表2 手持式激光自熔焊焊接參數(shù)[3]

試驗(yàn)合格后，采用復(fù)合材料樣件及鋁合金窗口加工型材余料模擬實(shí)物焊接，焊接完成后進(jìn)行外觀檢查、取樣，進(jìn)行斷面金相檢查，驗(yàn)證模擬實(shí)物焊接件的質(zhì)量狀況。焊縫外觀及斷面宏觀金相如圖2所示。

圖2 焊縫外觀及斷面宏觀金相

4.3 手持式激光自熔焊應(yīng)用

使用手持式激光自熔焊完成了多組試件、模擬產(chǎn)品實(shí)物樣件的焊接及相應(yīng)檢測試驗(yàn)（見圖3）。焊接前要對焊縫區(qū)域氧化膜及油污進(jìn)行徹底清理，要保證搭接接頭根部間隙在0.2mm以內(nèi)，若清理不到位或裝配間隙超差，則會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔、表面孔洞、成形不良及裂紋等缺陷。為控制焊接變形，針對2mm與3mm搭接接頭，在復(fù)合材料邊框與大部件骨架之間設(shè)置2mm的反變形、將長直焊縫以1m為單位間隔分段焊接的情況下，產(chǎn)品擁有最好的平面度以及焊接質(zhì)量。使用手持式激光自熔焊完成車體焊接后，接頭還需經(jīng)過無損檢測及淋雨試驗(yàn)，以檢測接頭的水密性、氣密性質(zhì)量。

圖3 手持式激光自熔焊

5 組裝工藝

5.1 組裝流程設(shè)計(jì)[4]

車體組裝工藝流程如圖4所示。本項(xiàng)目中的鉚接、激光焊接、粘接均采用搭接結(jié)構(gòu)，由于相互之間距離近，為保證搭接接頭的裝配質(zhì)量、防腐性能、密封性能及較好的生產(chǎn)效率，故需統(tǒng)籌加工、涂裝、粘接、鉚接、激光焊接及弧焊焊接，保證各工序有效銜接，并避免上下工序間的負(fù)面干擾。

圖4 車體組裝工藝流程

為保證鉚接底孔的精度，所有鉚接長梁均采用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控中心進(jìn)行加工；所有需要鉚接的梁，在加工完成后進(jìn)行底漆噴涂，保證鉚接面的抗腐蝕性能；在鉚接接頭裝配前，在鉚接面涂抹密封膠，以填補(bǔ)鉚接間隙，保證車體的水密性；在鉚接之前，完成骨架之間的弧焊，并完成調(diào)修，保證骨架的輪廓尺寸；在激光焊接之前，完成鉚接連接，通過鉚接固定減少激光焊接接頭間隙。

5.2 工裝方案

本項(xiàng)目車體較傳統(tǒng)地鐵項(xiàng)目車體更寬，并使用了大輪廓頂蓋、上部開口型底架，因此部件尺寸控制難度大，對工裝設(shè)計(jì)提出了更高要求。底架骨架、頂蓋骨架及車體組裝工序需配備大型專用工裝（見圖5），工裝重點(diǎn)考慮不同車型的通用性、產(chǎn)品反變形實(shí)現(xiàn)能力，以及焊接、鉚接可達(dá)性，在重點(diǎn)保證各部件組裝后關(guān)鍵尺寸滿足圖樣要求[5]、關(guān)鍵焊縫焊接質(zhì)量達(dá)標(biāo)的同時(shí)，還需兼顧操作方便性、生產(chǎn)操作效率。

圖5 大型專用工裝

6 檢測技術(shù)

由于車體為大圓弧曲面結(jié)構(gòu)，所以采用傳統(tǒng)線性尺寸檢測車體難以完全反饋出車體尺寸質(zhì)量狀態(tài)。為此，通過開發(fā)應(yīng)用激光跟蹤儀、激光掃描儀等先進(jìn)檢測技術(shù)，完成了對車體外輪廓、門框輪廓、整車撓度以及車體底部平面度等的檢測，并對檢測超差尺寸進(jìn)行了校形。

7 結(jié)束語

本文介紹了自主開發(fā)的適合中速磁浮車體鉚接、激光焊接以及組裝工藝，重點(diǎn)介紹了各工藝工程化應(yīng)用的研究成果。通過實(shí)際應(yīng)用，并進(jìn)行車輛最終檢測和整車運(yùn)行驗(yàn)證，得出制定的包括鉚接、激光焊接、粘接等工藝在內(nèi)的中速磁浮車體組裝工藝是完全可靠的。工藝的成功開發(fā)實(shí)現(xiàn)了商用中速磁浮列車的自主研制，此工藝技術(shù)將擁有廣闊的市場應(yīng)用場景。