高速動車組端墻焊接變形控制

趙麗玲，葛少平，唐衡郴，桂洪利，于 巖

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

焊接過程中加熱和冷卻過程的不均勻會導致焊后殘余應力和變形的產生，從而降低產品尺寸精度和穩(wěn)定性，嚴重影響焊接結構的制造和使用性能，焊接變形問題至今仍是工業(yè)生產中亟需解決的重要課題之一[1-2]。隨著鐵路運輸行業(yè)的飛快發(fā)展，輕量、高速已成為現(xiàn)代化鐵道車輛的重要標志，鋁合金憑借其自身物理化學特性，廣泛應用于高速鐵路中[3]。然而鋁合金的線膨脹系數較高，導熱性良好，焊接過程中易產生焊接變形，影響整體的裝配精度，減少使用壽命，降低強度，因而優(yōu)化焊接變形十分必要[4]。

250 km標準動車組是目前主要的動車組之一，端墻是車體的重要組成部件之一，承擔安裝風擋、連接車輛的重要作用，風擋安裝區(qū)有著較為嚴格的平面度要求。作為一個整體部件，風擋安裝區(qū)結構復雜，焊縫較多，生產過程中需要工裝壓卡，外加拘束會影響加熱與冷卻過程中形成的非協(xié)調應變，進而影響焊接變形的大小及分布[5]，因此需要在生產的各個階段控制端墻整體焊接變形。

1 焊接變形的產生與控制

1.1 產生原因

鋁合金在焊接過程中，不均勻加熱使得焊縫及其附近的溫度很高，發(fā)生膨脹，隨著焊接的進行，冷卻過程中焊縫產生不同程度的收縮和內應力（縱向內應力和橫向內應力），膨脹收縮的不平衡導致焊后殘余應力和應變的存在，使焊接結構產生各個方向的變形。從微觀組織分析，鋁合金內部發(fā)生晶粒組織轉變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形[6]。例如對于端墻等構件來說，焊縫在結構中的位置、焊接結構的裝配、焊接方向及順序、焊接方法、焊接工藝參數等因素是影響焊接變形較為重要的因素，也是可控因素。但是，各種影響焊接變形的因素并非獨立存在，這就要求在分析焊接結構的應力和變形時應考慮各種影響因素，以便能夠制定出較為合理的控制方案[7]。

1.2 變形控制

控制焊接變形，可從設計和工藝兩大方面進行考慮。構件在結構設計時，在保證其設計合理性的基礎上，應盡量減少焊縫數量和尺寸，對稱布置焊縫，從而使焊接時產生均勻變形，防止彎曲變形。從工藝手段來講，具體焊接變形控制方法可分為焊前、隨焊和焊后變形控制。焊前控制方法主要包括反變形法、剛性固定法以及制定合理的裝焊順序等；隨焊控制法主要包括優(yōu)化焊接工裝、優(yōu)化焊接工藝參數，盡量減少焊接熱輸入、限制和縮小焊接受熱面積，如采用冷卻法、采用合理的焊接順序、采用新型焊接應力低、焊接變形小的焊接方法等；焊后控制方法包括火焰調修方法、機械調修方法、熱冷綜合調修方法等[6-8]。

對于端墻的生產制造來說，設計圖紙已經基本固定，只能從工藝方面控制焊接變形的不良影響。

2 端墻的焊接變形與控制

2.1 端墻的結構

鋁合金車體主要由底架、車頂、側墻、端墻等大部件組焊而成，端墻主要由擠壓型材6005A和固溶熱處理強化高強度鋁合金6082（多為冷軋板材）拼焊而成，主要結構包括端墻板組成、端角柱、中部彎梁、頂部彎梁、頂部側彎梁、蓋板以及風擋安裝座等附件，結構示意如圖1所示。其結構與CRH380系列動車組的端墻不同，正裝為端墻平面一側，而非內凹一側（CRH380端墻正裝為內凹側），焊接變形的控制難度相對加大。其次，端墻的側彎梁為整體弧度形式，相較CRH380的側彎梁，外輪廓弧度的控制難度進一步加大。

焊接接頭形式包括對接接頭、搭接接頭、角接頭。對接接頭主要是各大部件的拼接處，包括V型和Y型焊縫；搭接接頭、角接頭和主要是附件的焊接。

圖1 端墻結構示意

2.2 端墻的生產工藝流程

端墻的生產主要由3道工序組成：首先焊接端墻板，端墻板由上、左、右墻板以及2個補強門角組焊而成，焊后進行機加工，之后進入第2道工序，加工好的端墻板與中部彎梁、頂部彎梁、頂部側彎梁、端角柱、蓋板進行組焊，下胎調修后完成最后工序，焊接風擋安裝座、補板、接地端子等附件。3道工序完成后進行檢測調修，交驗端墻，其工藝流程如圖2所示。

2.3 端墻焊接變形的影響

250標動項目端墻組成，設計圖紙要求內風擋安裝區(qū)域距門口400 mm范圍內的平面度不超過1.5 mm，將外風擋安裝座分為3個區(qū)域測量，每個區(qū)域內安裝座平面度小于等于2.5 mm。在生產過程中，車頂連接梁與側彎梁有不同程度的焊接變形，導致下塌和上翹，端墻的焊后平面度超差，如圖3a所示，調修量較大，甚至有刨焊縫進行返修的情況。此外，焊接變形也導致端墻外部輪廓度超差（端墻的輪廓度用檢測樣板進行最終檢測，理論值為20±2 mm），如圖3b所示。焊接變形導致端墻的生產進入“焊接—返修—調修—焊接”的不良循環(huán)，為加快生產周期、提高產品質量，需通過優(yōu)化工藝來消除焊接變形的不良影響。

圖2 端墻工藝流程

圖3 端墻焊接變形

2.4 端墻焊接變形控制

2.4.1 端墻組成工裝的優(yōu)化

端墻側彎梁、車頂連接梁、端角柱均為型材，裝配、點固時易出現(xiàn)錯邊。鑒于此，原始工裝雖然在側彎梁的兩端安裝壓卡以調節(jié)焊前和焊中的錯邊以及保證輪廓度，但不能保證側彎梁中部的錯邊量。為此，在左右側彎梁中部位置增加1根絲杠，如圖4所示，絲杠高度方向與左右側彎梁厚度方向中心對齊，焊接時起到向內頂緊作用。

圖4 增加側向壓卡

端墻組焊胎裝配左右側彎梁時，左右側彎梁下方由旋轉壓臂支撐，為配合與上表面壓臂對齊支撐，壓臂支撐座會跨過左右側彎梁與蓋板之間的8V焊縫，使得部分焊縫需在胎下補焊，減小支撐力。為此，將旋轉壓臂的長度由250 mm縮短為150 mm，支撐座的直徑由80 mm減小為50 mm，如圖5所示，使壓臂的壓卡準確且能夠提供足夠的支撐力。

圖5 壓臂改造

2.4.2 裝配工藝的優(yōu)化

按照圖紙要求，依次裝配車頂連接梁、端角柱、左右側彎梁、左右蓋板，其中裝配間隙按照Y型焊縫無間隙、V型焊縫4 mm進行裝配，具體要求如下。

（1）車頂連接梁裝配。

內彎梁與端墻板在胎下焊接，胎上首先裝配車頂連接梁，由于內彎梁是焊接件，不可避免會出現(xiàn)不同程度的變形，再加上此處是兩型材的配裝，所以車頂連接梁在裝配時無法達到0錯邊量。車頂連接梁裝配要點如圖6所示，裝配時車頂連接梁中部頂緊工裝絲杠（見圖6a），其錯邊量不能大于1 mm；兩端頭（見圖6b）的錯邊量不得大于2 mm。

圖6 車頂連接梁裝配要點

（2）端角柱裝配。

端角柱與端墻板連接處為正反面的8V焊縫，端角柱自帶墊板，配裝時為插接形式。端角柱裝配要點如圖7所示，由于連接處的型材均存在公差，在配裝時可能會出現(xiàn)間隙較大的情況，有時可達2 mm，如圖7a所示。由于單件的尺寸無法更改，要保證焊后的平面度，規(guī)定以下要點：①點固前調整端角柱與側型材的間隙，使其分布在正反兩側的焊縫；②點固時，用撬棍支撐先將間隙較大的地方進行點固，如圖7b所示，再將其余地方進行點固；③若間隙較大，為控制端角柱與側彎梁接口處的平面度，部分點固長度可適當增加。

（3）左右側彎梁裝配。

側彎梁入胎裝配，使用優(yōu)化后的工裝絲杠頂緊側彎梁，要求側彎梁與車頂連接梁和端角柱接口處錯邊量不超過2 mm，若出現(xiàn)超差情況進行磨配。待蓋板裝配完成后，使用水平尺、塞尺整體測量端角柱、蓋板、側彎梁三者之間的平面度，此平面度需控制在1 mm范圍內。

圖7 端角柱裝配要點

2.4.3 增加中間過程輪廓度檢測工裝

生產過程中，根據工裝以及尺寸、平面度等的要求，往往為調整焊接、尺寸等因素而忽略了輪廓度，按照工藝流程，輪廓度的檢測在焊接完成下胎后，若出現(xiàn)超差情況無法挽回。為此，要使輪廓度在中間過程可控，根據輪廓度樣板制作了中間檢測輪廓度的小工裝，如圖8所示，根據其測量結果適當調整胎上壓卡位置，在裝配、點固時將輪廓度調整到合格尺寸，保證焊后最終要求。

2.4.4 焊接順序優(yōu)化

為更好地保證端墻正裝風擋區(qū)的平面度，調整焊接順序，整體思路為：先將正裝焊縫打底、填充焊接，再焊接反裝所有焊縫，最后進行正裝焊縫的蓋面焊接（之前的正反裝焊接順序與此相反）。具體為：首先打底焊接正裝部分側彎梁與車頂連接梁5Y焊縫，然后打底、填充焊接端角柱處8V長焊縫，再焊接剩余的8V短焊縫；翻轉工件，按照上述順序打底、填充、蓋面焊接反面對應焊縫；再翻轉工件，蓋面焊接正裝焊縫。該焊接順序可最大程度地實現(xiàn)熱輸入量正反面均分的目的，再配合之前的工裝優(yōu)化和焊前精度控制，使得下胎后內風擋安裝區(qū)域平面度控制在1.5～1.7 mm，外風擋安裝座各個區(qū)域平面度為2.5～2.8 mm，大幅度減少調修工作量。

圖8 中間過程輪廓度檢測工裝

3 結論

通過優(yōu)化工裝壓卡方式和位置，減少裝配過程中借助外力的頂緊工作；明確裝配控制重點和尺寸要求，使操作員工有據可查，減少詢問和反復嘗試時間；優(yōu)化焊接順序，有效控制端墻的焊接變形，特別是風擋安裝區(qū)的平面度和整體輪廓度得到穩(wěn)定的控制。此外，此次優(yōu)化未增加端墻生產過程中的工作量，簡化工序，在提高生產效率的同時提升了產品質量，減少調修工作量，獲得一線工人和領導的廣泛好評，解決了制約生產的瓶頸問題。

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