地鐵不銹鋼車體大部件組焊及吊運夾具設(shè)計與分析

黃豐田

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

地鐵不銹鋼車體大部件組焊及吊運夾具設(shè)計與分析

黃豐田

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

文章介紹了我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展對地鐵不銹鋼車體密封、外觀美觀、環(huán)保無涂裝等的要求，介紹了不銹鋼地鐵車體激光焊接技術(shù)的解決方案，從不銹鋼側(cè)墻組焊件的裝配精度、工藝設(shè)備的定位精度、夾緊力、快速預(yù)組裝等方面分析了車體大部件組焊夾具的優(yōu)點，并針對組焊精度、裝夾效率的影響因素提出了車體大部件組焊夾具的思考。

激光焊接；組焊工具；吊運夾具；軌道交通；地鐵工程；不銹鋼車體

1 地鐵不銹鋼材料、焊接技術(shù)發(fā)展背景

近年來，隨著我國城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，除了成熟的高鐵、地鐵鋁合金車體外，有軌電車、跨坐式單軌車輛、懸掛式空中列車、市域列車、低速磁懸浮等新型軌道交通不銹鋼車體將陸續(xù)應(yīng)用到軌道交通網(wǎng)絡(luò)中。這些車輛將廣泛采用信息化、智能化、模塊化，新材料、新能源等技術(shù)，對車輛舒適感、材質(zhì)輕量化的要求愈加強烈，要求車輛運行中空間密封性好，車體材料輕量化，因此近年來已開始采用更加綠色、環(huán)保、可靠的新材料，如外表無需涂裝的不銹鋼材料、高分子復(fù)合材料等，車體部件焊接技術(shù)已開始采用更加可靠、環(huán)保、高效、焊縫密閉性好的激光焊接等新技術(shù)。

這些先進材料、焊接技術(shù)的應(yīng)用已開始引發(fā)制造工藝的變革，同時對焊接工藝裝備的設(shè)計和制造水平也提出了全新的、更高的要求。其中以不銹鋼車體大部件激光焊接對焊接工藝、焊接輔助工藝設(shè)備的要求最高，本文將分析激光焊接技術(shù)對所配置的整體組焊夾具及吊運夾具的設(shè)計思路。

2 不銹鋼車體焊接工藝介紹

地鐵不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)包含車頂棚、車底架、兩邊側(cè)墻、端墻、司機室等大部件。傳統(tǒng)大部件組焊一般采取電弧焊、電阻焊等方式，這些方式都存在焊接效率不高，焊點痕跡難以去除，外表美觀度低等情況，尤其是不能焊接長距離的焊縫，不能密閉焊接件之間的空心，只有通過后期填補膠密閉焊接件間隙，導致車體密封性一般，乘客的乘坐舒適感差，列車無法高速運行，制約著進一步提升發(fā)展空間。而激光焊接不會對焊接材料留下任何焊點，外表無涂裝、無焊點的不銹鋼車體側(cè)墻外面是主要的乘客界面，焊痕非常輕且非常美觀，并且能夠進行密封焊接。

通常不銹鋼車體側(cè)墻主要包含門上梁、側(cè)墻骨架、門立柱、外墻板等部件。

2.1 焊接對車體工件裝配精度的要求

車體側(cè)墻大部件的裝配精度要求提高：焊接位置必須保證焊接件之間的間隙小于0.2mm，才能達到激光焊接的工藝要求。直接導致梁柱件的定位精度由過去±1mm提高到±0.5mm，側(cè)墻外輪廓度過去±0.5mm提高到±0.1mm。

2.2 焊接對定位夾緊空間范圍和加緊裝置的要求

焊接設(shè)備的焊接工藝范圍與車體側(cè)墻大部件的外形尺寸非常接近，在狹小的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)對工件進行有效的定位壓緊，同時又要兼顧多種車型、實現(xiàn)模塊化切換。

由于車體側(cè)墻大部件的結(jié)構(gòu)特點和組焊工藝，需要根據(jù)大部件斷面尺寸的變化范圍，工件的支撐夾緊裝置需要隨之相應(yīng)改變，尤其是支撐定位裝置的改變需要自動切換、精確定位。夾緊裝置需要在車型變化范圍內(nèi)實現(xiàn)任意方位的切換，無任何加緊盲區(qū)，同時對工件實施最有效的加緊。

根據(jù)上述大部件組焊的工藝特點，設(shè)計方案中的夾具需要采用多點柔性化技術(shù)，實現(xiàn)任意斷面尺寸的支撐需求。兩側(cè)加緊采用自主開發(fā)柔性化的加緊裝置，主要是壓臂研發(fā)活接無間隙接觸技術(shù)，實現(xiàn)壓臂多方位旋轉(zhuǎn)和任意曲張，從而對工件實施全方位的最有效壓緊。

焊接設(shè)備對車體側(cè)墻大部件焊接的壓緊要求：（1）實現(xiàn)焊接處均勻壓緊并留出焊槍的作業(yè)范圍焊接；（2）側(cè)墻板與橫梁立柱焊接前間隙不得大于0.2mm；（3）保證側(cè)墻板在漲拉狀態(tài)完全貼附于預(yù)制胎位模板上。

2.3 側(cè)墻預(yù)組輔助時間將會大大延長

雖然激光焊在其他領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用，并且實現(xiàn)側(cè)墻大單元的焊接，但車體側(cè)墻大部件的焊接尚屬首次，加之焊接定位工裝空間位置狹小，導致輔助作業(yè)時間遠遠大于焊接作業(yè)時間，在提高焊接質(zhì)量的同時卻將導致生產(chǎn)效率大大降低。

為提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，通過將側(cè)墻大部件在焊接工藝裝備夾具上進行預(yù)組，再整體吊入焊接區(qū)域進行焊接，將會有效地提高生產(chǎn)效率。過程中須保證側(cè)墻大部件的焊接狀態(tài)符合焊接工藝要求。

3 車體大部件組焊夾具設(shè)計及分析

根據(jù)側(cè)墻的工藝設(shè)計尺寸和整體吊運需要，側(cè)墻大部件組焊夾具外形尺寸較大，長約30米、寬約4米、高約0.6米，整體結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架上布置側(cè)墻反裝位胎模，因受焊接廠房天車吊重的限制，桁架自重要求不能超過15噸。

根據(jù)焊接設(shè)備支撐平臺和桁架加工制造工藝的要求，設(shè)計方案是將整體桁架分為5塊分別加工制造，再將5部分裝配后整體一次加工，保證現(xiàn)場組裝完成的精度。

3.1 桁架裝配介紹

桁架的5部分之間相互橫向采用端面鍵連接保證定位精度，縱向采用定位銷定位，以定位銷之間的距離確定定位精度，保證夾具體縱向定位精度，相互之間采用校核過有足夠剛度、強度、定位精度的M20的鉸制孔螺栓連接，保證桁架各塊之間縱向連接剛度。

根據(jù)焊接工藝的需要，桁架整體平面尺寸必須保證激光焊接設(shè)備要求的焊接平面度0.1mm。為此需要采用整體加工工藝，保證每個單元加工的尺寸及精度。

3.2 夾具機構(gòu)介紹

夾具機構(gòu)布置于桁架上部，是焊接阻焊夾具的定位和夾緊機構(gòu)，主要包含：（1）支撐模塊安裝基準定位機構(gòu)；（2）工件的定位機構(gòu)；（3）工件的快速切換壓緊機構(gòu)；（4）工件的預(yù)拉伸機構(gòu)等。

夾具機構(gòu)按功能分主要分為定位機構(gòu)和夾緊機構(gòu)。主要設(shè)計目的是為保證工件的定位準確和保證焊接中有足夠的壓緊力以減小變形，并且保證夾緊機構(gòu)在工件切換中無盲點，通過利用工件的內(nèi)部空間設(shè)計出有足夠剛度和強度的焊接定位夾具機構(gòu)，對關(guān)鍵機構(gòu)的剛度和強度均進行校核計算，在制造過程中對材料采取焊接退火處理等工藝方式。

4 車體大部件整體吊運夾具設(shè)計及分析

剛性吊運設(shè)計：整體吊運機構(gòu)（如圖1）設(shè)計要求以上平面為基準保證在吊運過程中工件不變形。

側(cè)墻大的焊接尤其是采用激光焊時，工裝必須準確地將側(cè)墻各零部件多點均勻約束在專用胎具內(nèi)，操作檢測時間較長，為提高設(shè)備利用率，工件在工裝的裝配安排在預(yù)組胎位完成。

預(yù)組作業(yè)完成需要整體將工裝與工件整體吊運至焊接區(qū)域內(nèi)，在整個吊運過程中，工件與工裝之間位移量不得大于0.1mm，否則無法滿足后工序的焊接工藝要求，直接影響焊接質(zhì)量和增加大量的檢測項點，因此整個吊運過程必須采用剛性吊運，確保吊運過程的準確度。

圖1 整體吊運機構(gòu)

剛性桁架吊運可保證夾具焊接精度要求，采用與側(cè)墻等長的專用多點剛性連接桁架將大部件整體工裝約束固定在吊運桁架上，控制兩部天車同時同步起吊，完成吊運作業(yè)。

5 結(jié)語

車體大部件組焊夾具工裝具有經(jīng)濟性、靈活性、精確性和耐用性的特點，在焊裝生產(chǎn)過程中，選用性能優(yōu)越的焊接工裝夾具對提高焊接產(chǎn)品的精度和質(zhì)量、縮短焊接預(yù)組時間起著非常重要的作用，同時設(shè)計專用大部件整體吊運夾具，滿足焊接精度要求，并提高焊接效率。

[1]劉志華，趙兵，趙青．21世紀航天工業(yè)鋁合金焊接技術(shù)展望[J]．導彈與航天運載技術(shù)，2002，（5）.

[2]張帥，劉紅，王樹青．淺談鋼結(jié)構(gòu)焊接安裝施工工藝[J]．魅力中國，2011，（7）.

[3]王亞軍．中國航空焊接/連接技術(shù)的發(fā)展與未來[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005．

（責任編輯：王 波）

U270

1009-2374（2017）12-0167-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.086

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