高速動(dòng)車組鋁合金司機(jī)室焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張碩韶，白彥超，閻 鋒

（1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035；2.青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

0 前言

高速動(dòng)車組鋁合金司機(jī)室作為頭車的一部分必須滿足四個(gè)方面的要求：一是滿足頭車氣動(dòng)外形的要求；二是司機(jī)室各部件及其組成件的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合EN 15085[1]焊接標(biāo)準(zhǔn)；三是司機(jī)室需要有一定的強(qiáng)度與剛度，強(qiáng)度應(yīng)滿足EN12663：2000[2]《鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》的要求；四是司機(jī)室在工程化設(shè)計(jì)時(shí)要考慮開閉機(jī)構(gòu)、外部照明設(shè)備、司機(jī)室旋轉(zhuǎn)窗和前風(fēng)擋玻璃的設(shè)置與安裝，這些設(shè)備的外形要與氣動(dòng)外形相吻合，司機(jī)室結(jié)構(gòu)形式要滿足這些設(shè)備的安裝。

根據(jù)選定的頭車氣動(dòng)外形，按照總體結(jié)構(gòu)要求來確定鋁合金司機(jī)室部分的氣動(dòng)外形，按自頂向下的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分拆，完成司機(jī)室的工程化設(shè)計(jì)。鋁合金司機(jī)室按照EN 15085焊接標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，母材選用符合DIN 5513[3]標(biāo)準(zhǔn)的5000系和6000系鋁合金，焊接材料按ISO 18273[4]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。司機(jī)室的焊接接頭型式按EN 15085進(jìn)行設(shè)計(jì)，司機(jī)室大部分型材設(shè)計(jì)成自帶焊接墊板的型式，這種接頭型式可以很好的保護(hù)焊接熔池，焊接時(shí)因其自帶墊板，且墊板凹槽斷面一致，可以提高焊接質(zhì)量。司機(jī)室由三維彎曲鋁型材和三維彎曲板材焊接而成，與頭車的底架、側(cè)墻、車頂組焊在一起，參與整體承載。為滿足司機(jī)室總成和焊接要求，將司機(jī)室設(shè)計(jì)成左右側(cè)墻、前墻、風(fēng)擋玻璃框、車頂彎梁、車頂板和后框等幾部分，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分拆和司機(jī)室總裝工藝是一一對(duì)應(yīng)的，在司機(jī)室總組成時(shí)，車頂彎梁和車頂板是散裝的，能夠適應(yīng)三維彎曲的大部件的最后組裝。按照EN 12663：2000《鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》[5]進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)，司機(jī)室各處應(yīng)力均小于彈性極限，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，司機(jī)室設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 司機(jī)室設(shè)計(jì)流程

1 司機(jī)室母材及焊接材料的選擇

1.1 司機(jī)室母材

為滿足司機(jī)室鋁合金強(qiáng)韌性、焊接性、加工性和三維彎曲成形等綜合性能的要求，選用符合DIN 5513標(biāo)準(zhǔn)的5000系和6000系鋁合金，根據(jù)司機(jī)室各部位對(duì)鋁合金的特殊要求，對(duì)5000系和6000系的具體牌號(hào)和熱處理狀態(tài)進(jìn)行了細(xì)分。

EN AW-5083擁有良好的焊接性能和抗腐蝕性。它在H111的狀態(tài)下，可塑性很好，但擠壓加工性較差，難以得到薄壁及中空型材。司機(jī)室前窗框周圍的三維板材選用EN AW-5083鋁合金。

EN AW-6005A合金既具有中等強(qiáng)度，相比其他如EN AW-6082或EN AW-6061合金，它可以擠壓出形狀更為復(fù)雜的產(chǎn)品，特別是對(duì)于薄壁空心型材更為明顯。司機(jī)室各彎梁、縱向梁和彎曲立柱等各骨架件，都是選用T4狀態(tài)下的EN AW-6005A合金型材先進(jìn)行三維彎曲，再經(jīng)熱處理到T6狀態(tài)。

EN AW-6008是在EN AW-6005A的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的合金，這種合金的產(chǎn)品具有均勻一致的再結(jié)晶晶粒結(jié)構(gòu)，能夠擠壓出復(fù)雜斷面的型材，在厚度小于等于8 mm時(shí)具有中等強(qiáng)度，并且可焊性良好，適合TIG和MIG焊。司機(jī)室?guī)Ъ訌?qiáng)筋的各側(cè)墻板、車頂板等件，都是選用T4狀態(tài)下的EN EN AW-6008合金型材先進(jìn)行三維彎曲，再經(jīng)熱處理到T6狀態(tài)。

EN AW-6082是一種熱處理后具備高強(qiáng)度的鋁合金，適用做空心型材，同時(shí)它有好的耐腐蝕性，對(duì)于MIG和TIG有很好的焊接性，在T4狀態(tài)時(shí)模鍛性很好，并且它的機(jī)械性能很好。司機(jī)室的防撞梁就是選用T6狀態(tài)下的EN AW-6082鋁型材。

司機(jī)室所選用的材料見表1。

表1 司機(jī)室選用的材料及其性能

1.2 焊接材料

鋁合金司機(jī)室是由鋁合金板材和型材拼焊的全焊接結(jié)構(gòu)，由于鋁合金的特殊屬性，表現(xiàn)出它的焊接接頭有明顯的弱化傾向，一般來講，強(qiáng)化鋁合金的焊接接頭與母材相比強(qiáng)度會(huì)下降30%以上，試驗(yàn)表明，6061-T6的臨界失效面抗拉強(qiáng)度約為母材初始值的0.59倍[6]，因此，選擇匹配的焊接材料來保證焊接接頭的質(zhì)量就顯得尤為重要。

焊接材料（填充金屬）選擇考慮以下因素：

與母材的化學(xué)成分相兼容，例如焊接裂紋傾向；接頭力學(xué)性能要求（整體考慮焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬性能）；焊接部件或焊接構(gòu)件的后續(xù)處理，例如表面處理、陽(yáng)極氧化和裝飾拋光；對(duì)接頭的耐腐蝕性要求；最佳焊接性。

考慮到以上綜合因素，為保證焊接接頭的力學(xué)性能，在ISO 18273標(biāo)準(zhǔn)中選用了匹配的焊接材料，牌號(hào)為Al 5087，化學(xué)名稱為AlMg4.5MnZr。經(jīng)焊接工藝評(píng)定驗(yàn)證，此焊接材料完全符合設(shè)計(jì)要求。

2 鋁合金司機(jī)室焊接結(jié)構(gòu)

2.1 司機(jī)室總成

根據(jù)高速動(dòng)車組鋁合金車體設(shè)計(jì)概念的要求，利用頭車的空氣動(dòng)力學(xué)外形，采用自頂向下發(fā)布幾何、復(fù)制幾何的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行司機(jī)室的三維設(shè)計(jì)。

該動(dòng)車組的司機(jī)室采用較大截面的有壓筋的墻頂板與梁柱組焊而成，梁柱多為開口型材，組焊后司機(jī)室的變形小，曲面過渡光滑，外表美觀。因梁柱多在同一截面，使得司機(jī)室的抗扭、抗彎能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。

司機(jī)室由六部分組成，即司機(jī)室前端、司機(jī)室后框、司機(jī)室左側(cè)墻、司機(jī)室右側(cè)墻、司機(jī)室車頂和司機(jī)室前窗玻璃安裝框（見圖2）。

圖2 頭車司機(jī)室的結(jié)構(gòu)分解圖

2.2 司機(jī)室焊接接頭型式

司機(jī)室各型材主要采用兩種焊接接頭型式，分別為接頭A和接頭B，如圖3、圖4所示。

圖3 接頭型式A

圖4 接頭型式B

這種接頭型式因其自帶墊板，焊接時(shí)省去了安裝墊板的時(shí)間，提高了焊接裝配效率；可以很好的保護(hù)焊接熔池，焊接時(shí)因其自帶墊板，且墊板凹槽斷面一致，可以提高焊接質(zhì)量。

這種接頭型式因其墊板可以起到一定的限位作用，可以提高焊前裝配精度，保證焊縫熔深均勻、焊縫余高均勻，既可以提高焊接質(zhì)量，又可使焊縫表面美觀。因其接頭尺寸經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，已經(jīng)系列化，采取此種接頭型式，可以提高設(shè)計(jì)效率。

2.3 司機(jī)室焊接結(jié)構(gòu)

2.3.1 焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

司機(jī)室由三維彎曲鋁型材和三維彎曲板材焊接而成，焊接標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行EN 15085[5]。在設(shè)計(jì)司機(jī)室焊接結(jié)構(gòu)時(shí)有兩點(diǎn)是非常重要的，一是焊接接頭的連接強(qiáng)度，另一個(gè)是結(jié)構(gòu)上的抗焊接變形能力。

司機(jī)室的骨架除窗間立柱外，基本采用的是槽型和乙型的開口型材。各梁柱之間通過開V型或Y型坡口進(jìn)行焊接，組焊成完整的骨架。

司機(jī)室側(cè)墻縱向梁與側(cè)墻立柱加永久焊接墊板開V型坡口焊接，可以讓側(cè)墻縱向梁與側(cè)墻立柱焊透，這種連接型式能保證足夠的焊接強(qiáng)度，連接及焊接型式如圖5所示。

為了保證司機(jī)室側(cè)墻在焊后減少變形，將司機(jī)室的側(cè)墻板設(shè)計(jì)成帶加強(qiáng)筋的開口型材型式，司機(jī)室側(cè)墻立柱、縱向梁與側(cè)墻板采用角接型式焊接，這種連接型式既能保證足夠的連接強(qiáng)度，又能使側(cè)墻板外表面焊后變形很小，沒有明顯的突起和凹坑，目測(cè)表面非常光滑，連接及焊接型式見圖6。

司機(jī)室車頂板也是設(shè)計(jì)成帶加強(qiáng)筋的開口型材型式，它與車頂彎梁采用角接型式焊接，與側(cè)墻板相似，車頂板焊后變形也較小，連接及焊接型式見圖7。

圖7 車頂彎梁與車頂板的連接型式

2.3.2 焊接結(jié)構(gòu)工藝驗(yàn)證

為了保證焊接件的尺寸和焊接質(zhì)量，第一需保證三維彎曲型材的空間尺寸，第二需保證焊接接頭的設(shè)計(jì)能制作過程中的可視、可達(dá)和可檢的要求。除了運(yùn)用設(shè)計(jì)手段，采用合適的焊接工藝參數(shù)和匹配的焊接工裝卡具也提高了焊接質(zhì)量，司機(jī)室前窗框各件壓卡及限位型式見圖8。

圖8 司機(jī)室前窗框各件壓卡及限位型式

在司機(jī)室制作過程中，共制作二維和三維彎曲模具35套，制作小型焊接工裝5套，大型焊接工裝6套。多種彎曲模具的使用，保證了單件的尺寸精度，目前，司機(jī)室三維彎曲件的制作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。多套剛度足夠并運(yùn)用反變形技術(shù)的焊接工裝減少了司機(jī)室各部件和整個(gè)司機(jī)室的焊接變形，司機(jī)室總成焊接工裝見圖9。

圖9 司機(jī)室總成焊接工裝

2.4 靜強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)

2.4.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

依據(jù)EN12663：2000《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》，對(duì)高速列車頭車車體靜強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，計(jì)算的載荷工況見表2。車體有限元模型見圖10，基本采用殼單元shell63來建立，對(duì)于較為復(fù)雜的不規(guī)則模型采用三維實(shí)體單元solid45進(jìn)行離散。

在垂向載荷、縱向拉壓、車端壓縮、扭轉(zhuǎn)載荷、抬車及氣密載荷等各載荷工況下，分別對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元計(jì)算，圖11為第十一種工況下的司機(jī)室應(yīng)力云圖，所有個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果表明，該車體結(jié)構(gòu)均滿足靜強(qiáng)度要求，司機(jī)室母材和焊縫的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。

序號(hào)1234567891 0 11 12 13 14載荷工況垂向載荷 1.3（m1+m2）車鉤區(qū)域壓縮載荷1 500 kN+垂向載荷m1車鉤區(qū)域壓縮載荷1 500 kN+垂向載荷m1+m2車鉤區(qū)域拉伸載荷1 000 kN+垂向載荷m1車鉤區(qū)域拉伸載荷1 000 kN+垂向載荷m1+m2一位端地板上方150 mm高度400 kN壓縮載荷一位端窗臺(tái)高度300 kN壓縮載荷二位端地板上方150 mm高度400 kN壓縮載荷二位端腰帶高度300 kN壓縮載荷二位端上邊梁高度300 kN壓縮載荷一位端抬車二位端抬車整車抬車氣壓載荷6 000 Pa與垂向載荷m1+m2組合

表2 計(jì)算載荷工況

圖10 司機(jī)室整體有限元模型

圖11 司機(jī)室應(yīng)力云圖

2.4.2 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

按照表2所列的載荷工況，對(duì)樣車進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)。靜強(qiáng)度試驗(yàn)在專用的靜強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，能模擬各個(gè)工況載荷的施加。圖12為一位端地板上方150 mm高度，400 kN縱向壓縮載荷試驗(yàn)照片，圖13為氣密強(qiáng)度試驗(yàn)照片。試驗(yàn)結(jié)果表明，頭車車體的強(qiáng)度滿足EN12663：2000《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》的要求。

圖12 一位端地板上方150 mm高度400 kN縱向壓縮載荷試驗(yàn)

圖13 氣密強(qiáng)度試驗(yàn)照片

3 結(jié)論

經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)證明，板梁焊接結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度司機(jī)室與頭車的底架、側(cè)墻、車頂組焊在一起后，能夠參與車體的整體承載，其強(qiáng)度滿足EN12663：2000《鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》的要求，同時(shí)其焊接結(jié)構(gòu)的工藝性也得到了相應(yīng)的驗(yàn)證。

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[1]EN 15085：2007，鐵路應(yīng)用——鐵道車輛及其部件的焊接[S].

[2]BS EN 12663：2000，鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求[S].

[3]DIN 5513：2007，軌道車輛材料——鋁和鋁合金[S].

[4]ISO 18273：2004，焊接消耗品——鋁和鋁合金焊接用焊絲和焊條[S].

[5]200 km/h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定[S].

[6]李靜斌.鋁合金焊接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40（2）：25-32.