減少客車張拉蒙皮失穩(wěn)變形的措施研究

張聰炳，徐春江，周良國，邢真武

（江西博能上饒客車有限公司，江西上饒334000）

減少客車張拉蒙皮失穩(wěn)變形的措施研究

張聰炳，徐春江，周良國，邢真武

（江西博能上饒客車有限公司，江西上饒334000）

從設(shè)計和工藝兩方面探討客車兩側(cè)張拉蒙皮變形的影響因素及產(chǎn)生機理，并提出車間實踐的預(yù)防和改善措施，有具體的量化指標(biāo)，供同行改進張拉蒙皮質(zhì)量參考。

客車；張拉蒙皮；失穩(wěn)變形；改進措施

客車兩側(cè)的蒙皮俗稱“大板”[1]，常采用張拉蒙皮，它的平整度是衡量車身蒙皮制作水平的重要因素，也是降低刮灰量，提高油漆光澤度，減輕或防止蒙皮在面漆后出現(xiàn)波浪紋、凹坑（在光反射肉眼觀看）的關(guān)鍵參數(shù)之一，可以說它既關(guān)系到產(chǎn)品的美觀、車的使用壽命，也直接影響整車制造成本。目前，影響客車蒙皮張拉失穩(wěn)的參數(shù)（如焊接選材、影響失穩(wěn)焊接因數(shù)、骨架設(shè)計、斜撐工裝及工藝保證等）陳舊且不全面，需要更新總結(jié)，因此對它進行改進和補全很有必要。

1 張拉蒙皮工藝及失穩(wěn)分析

1.1 工藝分析

客車張拉蒙皮是使蒙皮產(chǎn)生一定的機械彈性變形或者熱變形，通過焊接方式將蒙皮與車身骨架固定，從而保證客車車身側(cè)面的平整性的一種加工方式。張拉方式一般分為機械張拉（冷張拉）和熱張拉。

機械張拉方法通過外力使蒙皮產(chǎn)生一定的彈性變形和少量塑性變形，保證車身側(cè)圍的剛性和平整度。機械張拉設(shè)備主要由基礎(chǔ)軌道、拉伸架、拉伸頭、高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、拉伸架調(diào)整鎖緊機、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。四個拉伸架沿車身兩側(cè)布置，每側(cè)拉伸架一端固定，另一端可沿基礎(chǔ)道移動。熱張拉方法采用電加熱，使客車側(cè)圍蒙皮發(fā)熱產(chǎn)生膨脹并通過氣缸拉伸，然后把蒙皮與車身骨架焊接。電熱張拉設(shè)備主要由主體桁架、機械夾緊式電極、拉伸裝置、變壓器及電控系統(tǒng)組成，其主要工作原理：電極夾緊蒙皮，通電加熱使蒙皮自身產(chǎn)生電渦流發(fā)熱，伸長后迅速焊接在車身骨架上，待蒙皮冷卻收縮后而達到張緊的效果[2]。

另外，施工中存在張拉蒙皮在焊接固定到車身骨架上時，焊接受熱導(dǎo)致的蒙皮失穩(wěn)，因此焊接過程如何保證蒙皮不失穩(wěn)也是必須考慮的一個關(guān)鍵因素。

1.2 薄板失穩(wěn)變形的機理

在焊接過程中，焊接熱源的熱輸入使得薄板上產(chǎn)生不均勻的焊接溫度場，由于受到約束作用，最終在焊接區(qū)域形成殘余應(yīng)力和不協(xié)調(diào)的塑性變形[3]。當(dāng)殘余應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界應(yīng)力時，薄板就會發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生變形。在未失穩(wěn)前，殘余應(yīng)力與變形是通過變形有效釋放殘余應(yīng)力，保持平衡狀態(tài)。

焊接加熱過程受約束的因素包括材料、工藝和車身結(jié)構(gòu)，焊接冷卻是受力逆向過程。材料因素主要為材料熱膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服強度、熔化溫度以及金屬相變等；工藝因素主要為焊接方法、焊接工藝和焊接順序、支承條件等，結(jié)構(gòu)因素主要為薄板形狀、厚度、寬度、面積等。由于多種約束因素相互作用、不斷變化使得焊接應(yīng)力和變形問題變得較為復(fù)雜，在實踐中往往通過工藝試驗的方法來摸索其規(guī)律，達到控制和調(diào)整焊接應(yīng)力與變形的目的[4-5]。

2 控制變形的主要措施方法

可以從降低殘余應(yīng)力和提高薄板結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界應(yīng)力、剛度著手，以減少薄板變形。

2.1 設(shè)計方面

1）鋼蒙皮材料的選擇。選用參數(shù)包括焊接性能、熱膨脹系數(shù)、線能量、失穩(wěn)臨界應(yīng)力。選用焊接性能好的低碳鋼和熱膨脹系數(shù)小、熔化溫度低的鍍鋅鋼板，其焊接應(yīng)力、變形均更??；低碳鋼彈性模量變化不大，一旦選定，彈性模量可認為是一常數(shù)；屈服強度增大，焊接殘余應(yīng)力會增大，變形一般會減少，但受材料其他物理指標(biāo)比如焊接輸入的線能量、支撐條件等多重因素影響，殘余應(yīng)力達到結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界應(yīng)力時，焊接殘余應(yīng)力反而易轉(zhuǎn)換為變形，使薄板變形增大[6]。目前客車企業(yè)張拉蒙皮多選用1 mm厚低碳鋼熱鍍鋅卷板（DX51D+Z或DX52D+Z），電鍍鋅卷相對價格更貴，用的少些。

2）蒙皮結(jié)構(gòu)形式。薄板壓制成帶凸筋結(jié)構(gòu)可以減小或防止焊接波浪變形。公司團體車用的凸字型輥邊輥壓蒙皮結(jié)構(gòu)，蒙皮焊后平整度較好，刮灰量少，涂裝后表面質(zhì)量更好。

3）板厚與板寬的比值。它越小，失穩(wěn)臨界應(yīng)力就越小，薄板也就越容易失穩(wěn)變形，板厚確定為1 mm后，一般板寬超過1 000 mm時，板長越長蒙皮焊后變形會更大[7]，設(shè)計時板寬不要超過1 250 mm。

4）車身骨架結(jié)構(gòu)。應(yīng)保證一定的強度，多用封閉式結(jié)構(gòu)，少用開放式結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量采用整體式結(jié)構(gòu)以增強車身強度，滿足蒙皮張拉力卸去后側(cè)骨架主橫梁無大的內(nèi)凹變形，全長直線度應(yīng)小于3 mm，不然會影響蒙皮外觀質(zhì)量。

5）合理布置張拉蒙皮內(nèi)側(cè)骨架的斜撐。合理的斜撐跨距不僅僅加強骨架，也能夠?qū)γ善て鹁庵巫饔谩Ｒ钥刂泼善ぴ陬A(yù)期的變形范圍內(nèi)為目的，斜撐跨距不要過大，一般長或?qū)?00 mm左右就布置斜撐，具體還得根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尺寸確定。實際工作中對蒙皮張拉焊接后出現(xiàn)變形超標(biāo)的區(qū)域采用加檔支撐的辦法解決。

6）海綿條厚度。內(nèi)側(cè)骨架的斜撐與蒙皮間隙（10 mm或13 mm）間用40 mm寬的單面貼海綿條支撐蒙皮，海綿條的彈性可補償斜撐與蒙皮間隙不一致的問題，也可降低車輛運動中蒙皮振動發(fā)出的響聲。海綿條厚度的確定最終以對蒙皮支撐效果來評判：蒙皮平整度好，挺拔飽滿、無松軟現(xiàn)象。

7）采用電熱張拉工藝時海綿條厚度一般為斜撐與蒙皮間隙（10 mm或13 mm）+壓縮預(yù)留量3 mm；冷張拉工藝時海綿條厚度一般為斜撐與蒙皮間隙（10 mm或13 mm）+壓縮預(yù)留量（5～15 mm）。具體還得根據(jù)海綿條的發(fā)泡密度、彈性大小來確定最佳值。

8）焊縫設(shè)置。設(shè)計時盡量減少焊縫數(shù)量，且焊縫布置、對接、搭接、角接方式要合理；選擇較大的焊縫間距、較小的焊縫長度，減少焊接變形同時保證蒙皮焊接強度及防止原子灰開裂；粘接蒙皮在客車左右側(cè)張拉蒙皮上的實際運用還很少，蒙皮四邊焊接固定的四條邊焊接是必須的。裙部各種艙門邊、輪胎圈、側(cè)邊開孔也有切割或焊接作業(yè)，這些切割或焊接作業(yè)對左右側(cè)張拉蒙皮的焊接變形存在很大的影響，也是引起張拉蒙皮變形、松動鼓動的關(guān)鍵因素之一。側(cè)邊開孔的方式可以通過工藝方法、手段解決；裙部各種艙門膠條止口的折制件、艙門鉸鏈與張拉蒙皮、骨架方鋼連接方式均可通過減少焊接次數(shù)、焊縫數(shù)量或在張拉前先焊接，從而減小對張拉蒙皮變形的影響。焊縫盡可能考慮對稱、變形抵消的布置。對接、搭接、角接考慮變形、刮灰量最小的方式。

2.2 工藝方面

1）骨架校整。強化六大片骨架合裝后的左右側(cè)骨架校整工作，骨架校整工作不到位對張拉蒙皮施工后的質(zhì)量影響極大，龍門框?qū)蔷€誤差≤2 mm，直線度≤2 mm，1 000 mm2平面度≤2 mm，總成上表面的平面度≤3 mm。

2）預(yù)應(yīng)力張拉工藝。采用機械預(yù)拉伸或電加熱預(yù)拉伸的方法使薄鋼板得到預(yù)先的拉伸、伸長，這時在張緊的薄鋼板上進行焊接，焊后去除拉伸力或加熱到規(guī)定溫度后立即斷開電源進行焊接。此方法已在客車企業(yè)普及，可防止蒙皮變形，但是其拉伸力（或拉伸量）要控制到位，應(yīng)嚴(yán)格按工藝文件要求進行。張拉（或拉伸量）不夠，焊接時產(chǎn)生的變形依然很大[8]。張拉長度與張拉力的確定公式如下[9]：

式中：△L為伸長量；L為蒙皮的總長度；E為彈性模量；σ為屈服應(yīng)力；P為張拉力；A為截面面積。

3）焊接方法。張拉蒙皮的焊接用CO2保護焊或電阻點焊，兩種焊接方法的熱輸入線能量存在差異，CO2保護焊焊接熱輸入線能量相對大，加熱的高溫區(qū)范圍大，變形區(qū)大，因此用電阻點焊焊接比CO2保護焊焊接變形小，但是其生產(chǎn)效率低、成本高。綜合考慮，采用CO2保護焊和電阻點焊并存方式，可以采用電阻點焊方式的區(qū)位優(yōu)先采用電阻點焊。CO2保護焊在蒙皮焊接方式上有板邊點焊、鉆孔塞焊、反面拉焊等方式[10]。應(yīng)因地制宜，在保證蒙皮變形最小、滿足結(jié)構(gòu)強度的目標(biāo)下采取最佳組合的焊接方式。

4）剛性固定限制焊接變形?？蓢L試用磁鐵焊接夾具將薄板易變形處用吸力固定來限制焊接變形，或在焊縫布置上設(shè)計簡易夾具工裝定位緊固，防止波浪變形。

5）焊接工藝參數(shù)優(yōu)化。通過工藝驗證不斷優(yōu)化CO2保護焊及電阻點焊焊接熱鍍鋅板的焊接工藝參數(shù)，在保證焊接強度、生產(chǎn)效率的前提下減少焊接變形?？蛙囆袠I(yè)電阻點焊的間距為40 mm已成常規(guī)，CO2保護焊的焊點間距一般選擇65 mm。

6）焊接順序。根據(jù)不同的蒙皮結(jié)構(gòu)和焊縫的布置，工藝部門持續(xù)進行工藝驗證，優(yōu)化焊接順序，達到焊接變形最小化的目的，切忌沿立柱與蒙皮相連接的邊緣從內(nèi)向外焊。橫向、縱向蒙皮焊接均可從中間向兩頭先定位焊，再加密焊，到達繃緊蒙皮的作用。作業(yè)方法形成工藝作業(yè)指導(dǎo)書。

7）新工藝的引進、吸收、推廣。對于低應(yīng)力無變形焊接技術(shù)—薄板構(gòu)件的LSND焊接技術(shù)，考量產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可運用性及投入費用，有選擇性地考慮該技術(shù)的運用；按工藝文件要求實施隨焊即冷措施，減小焊接變形。因為隨焊即冷措施可以使焊縫處熱量迅速散走，減小薄板金屬涉及的受熱面。

8）焊后局部變形校正。通過火焰加熱等方法對局部變形蒙皮處進行適當(dāng)?shù)募訜幔眉訜釙r的膨脹變形和冷卻時的收縮變形來矯正原來的變形，再采用木錘錘擊法校正薄板變形。

3 結(jié)束語

在實際工作中，對張拉蒙皮焊接變形的控制和預(yù)防應(yīng)具體問題具體分析，選擇相應(yīng)合適的措施并不斷地進行改進、實踐，優(yōu)化參數(shù)指標(biāo)，以達到最優(yōu)的效果。

[1]劉開春.客車車身設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]王瑞雪，胡運學(xué)，施金超.全承載客車側(cè)圍蒙皮張拉工藝設(shè)備開發(fā)應(yīng)用[J].裝備維修技術(shù)，2015（4）：58-62.

[3]江鋒，劉民.客車車身焊接變形形式及其控制措施[J].客車技術(shù)與研究，2000，22（3）：34-36.

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修改稿日期：2016-09-29

Research of Measures to Reduce Instability Deformation of Coach Tension Skins

ZhangCongbing,Xu Chunjiang,Zhou Liangguo,XingZhenwu
（Jiangxi B-EnergyShangraoCoach Co.,Ltd,Shangrao334000，China)

The authors explore the factors affectingthe tensioning skins deformation of the coach's two sides and it's generation mechanism from the two aspects of design and process,and put forward the prevention and improvement measures in workshop practice,includingthe specific quantitative indicators.This can provide reference ofthe qualityimprovement ofthe tensioningskin for the colleagues.

coach;tension skin;instabilitydeformation;improvement measures

TH112；TH114

A

1006-3331（2017）01-0040-03

張聰炳（1985-），男，碩士；工程師；主要從事基建項目工藝研究及非標(biāo)設(shè)備設(shè)計與管理工作。