裝配條件下焊接變形控制的研究

顏曉麗，郭永碩，劉建利，劉宇航，于 海

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 前言

焊接是一個(gè)驟熱驟冷過程，不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接變形，不利于生產(chǎn)實(shí)際。焊接變形[1]的大小與焊接方法、材質(zhì)、板厚、焊接參數(shù)、填充道數(shù)等多因素有關(guān)，根據(jù)不同材料的熱變形特點(diǎn)，可以預(yù)先做與焊接變形相反趨勢(shì)的反變形量，以抵消焊接變形對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。但是并非所有結(jié)構(gòu)和材料都能做反變形，而且反變形并不能使得工件焊后完全達(dá)到理想狀態(tài)。控制焊接變形需要多種方法相結(jié)合，包括焊前、焊中、焊后全過程的控制，焊前控制如預(yù)先做反變形，制定合理的焊接順序加上適當(dāng)?shù)膲嚎ㄑb置可以控制焊接過程中的焊接變形，焊后的機(jī)械調(diào)修和火焰調(diào)修等方法也可有效調(diào)修工件。

板材、型材等材料在自由狀態(tài)下焊接時(shí)，由于沒有機(jī)械外力的阻礙，焊接變形很大，且各焊縫的相互影響使得焊后工件狀態(tài)不可控。高速列車采用鋁合金材料，能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化目標(biāo)[2-4]，因鋁合金材料獨(dú)特的物理化學(xué)特性，焊接時(shí)變形很大[5]。工件的焊接往往在匹配的工裝上進(jìn)行，配合工裝自帶的壓卡裝置或F卡等固定裝置，裝配工件的各個(gè)部件后進(jìn)行焊接。裝配與焊接配合并合理調(diào)整順序控制焊接變形十分重要。本研究以高速列車上的垂直墻為例，介紹一種裝配條件下焊接變形的控制方法。

1 問題的提出

垂直墻是空氣動(dòng)力學(xué)的重要組成部分[6]，是連接地板與前墻的重要部分，對(duì)平面度和垂直度都有很高的要求。高速列車的垂直墻由前墻左下部連接梁、前墻左上部連接梁、底架下部縱梁、車鉤安裝立柱、排障器安裝座、連接板6部分組成，如圖1所示。垂直墻對(duì)平面度和垂直度要求較高，但實(shí)際生產(chǎn)時(shí)焊接變形較大，且各個(gè)部件板厚較大，不易調(diào)整，這要求垂直墻在焊前和焊中盡可能控制焊接變形，減小焊后調(diào)修的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖1 垂直墻各部件組成

當(dāng)前垂直墻的生產(chǎn)存在以下問題：

（1）板厚較大，焊縫較多，易變形，平面度不易控制。垂直墻各部件板厚為12mm、10mm或28mm，焊縫形式為12V、10V和10HY+a10。垂直墻各部件板厚較大，焊縫需多層多道焊接，焊接過程中的焊接收縮較大，平面度不易控制，且焊后由于板厚較大，整體工件的剛度較大，不易調(diào)整。

（2）垂直墻在沒有工裝的條件下很難進(jìn)行壓卡和定位，且垂直墻為正反對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在焊接過程中翻轉(zhuǎn)困難，難以控制焊接變形，急需相應(yīng)的壓卡和定位裝置。

（3）結(jié)構(gòu)不方正，垂直度難以保證。

底架下部縱梁與連接板間的垂直度、底架下部縱梁與車鉤安裝立柱的垂直度是垂直墻焊接過程控制的難點(diǎn)。底架下部縱梁長(zhǎng)度和板厚較大，連接板厚度較小，若固定底架下部縱梁，連接板與之配合，由于連接板剛度較小，焊接過程中的焊接變形較大，垂直度不易保證。底架下部縱梁與車鉤安裝立柱焊后，兩者間的直角易小于90°，垂直度難以保證。

2 解決方案與實(shí)施過程

2.1 劃部件裝配方法控制平面度

劃部件裝配是指將多個(gè)部件的焊接整體分散開，2個(gè)或3個(gè)部件分別組焊，再將組焊好的各個(gè)大模塊組裝進(jìn)行焊接。

垂直墻原來(lái)在平臺(tái)上焊接，如圖2所示，將①、②、③、④裝配后進(jìn)行點(diǎn)固，再將部件間焊縫進(jìn)行正反面對(duì)稱焊接，再焊接⑤，機(jī)加工后焊接⑥。這樣裝配和焊接的缺點(diǎn)是：垂直墻在沒有壓卡的限制下，整體的平面度不易控制，焊接件的直角一般會(huì)小于90°，尤其是連接板厚度較小，長(zhǎng)度較大，焊后易變形，垂直度很難滿足要求。

圖2 平臺(tái)上焊接垂直墻

針對(duì)以上垂直墻平面度和垂直度難以達(dá)到要求的問題，對(duì)垂直墻進(jìn)行劃部件裝配和焊接。對(duì)于垂直墻來(lái)說(shuō)，前墻左下部連接梁、前墻左上部連接梁較為方正，可分成一組進(jìn)行焊接；底架下部縱梁與連接板間的焊縫相對(duì)其他焊縫較為獨(dú)立，可分成一組進(jìn)行焊接，用5組F卡卡緊連接板，大大減小連接板的焊接變形；車鉤安裝立柱與其他部件間焊縫有較多聯(lián)系和交叉，可與這兩組焊好的部件組進(jìn)行焊接；最后焊接板厚較大、相對(duì)獨(dú)立的部件排障器安裝座，如圖3～圖6所示。劃部件焊接能夠避免小件間焊縫在工件翻轉(zhuǎn)過程中的變形，有利于保證工件整體平面度，且顯著減小勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

2.2 3D平臺(tái)設(shè)置定位塊和壓卡控制尺寸

在3D平臺(tái)上設(shè)置壓卡和定位塊，可以有效控制工件的變形情況，改善垂直墻的焊接變形大、不易保證平面度和垂直度的問題，3D平臺(tái)上的壓卡裝置和檢測(cè)裝置分別如圖7、圖8所示。

2.3 做反變形控制垂直度，合理調(diào)整焊接方法控制變形

底架下部縱梁與車鉤安裝立柱間的垂直度是控制難點(diǎn)，底架下部縱梁長(zhǎng)度較大，焊接過程中的焊接收縮不均勻，焊后很難保持90°，一般焊后該角度為銳角?；?D平臺(tái)的壓卡裝置，在直角處的定位塊上加2 mm墊片做反變形并壓緊，使焊前底架下部縱梁與車鉤安裝立柱間的角度為鈍角，焊后基本能夠保證該處角度為直角，大大減少后期調(diào)修的難度和強(qiáng)度。預(yù)制反變形如圖9所示。

此外，底架下部縱梁與連接板間的垂直度要求也較高，若固定底架下部縱梁，連接板與之配合，因連接板剛度較小，焊接過程中焊接變形較大，垂直度不易保證。因此采用連接板在3D平臺(tái)上進(jìn)行固定裝卡，再以連接板為基準(zhǔn)裝卡底架下部縱梁，對(duì)底架下部縱梁與連接板間的10V焊縫分段段焊6段進(jìn)行固定，保證其垂直度，如圖10和圖11所示。

根據(jù)以上方案調(diào)整垂直墻的生產(chǎn)，大大改善了工件質(zhì)量，對(duì)比結(jié)果如表1和表2所示。

圖3 前墻左下部連接梁與前墻左上部連接梁間焊縫焊接

圖4 架下部縱梁與連接板間焊縫焊接

圖5 車鉤安裝立柱與其他部件間的焊接

圖6 排障器安裝座的焊接

圖7 3D平臺(tái)上的壓卡裝置

圖8 3D平臺(tái)檢測(cè)裝置

表1 兩種方法工件焊后平面度比較

2.4 結(jié)果

（1）整體焊接工件焊后平面度可達(dá)3～5 mm，需要機(jī)械調(diào)修和火焰調(diào)修配合使用3次調(diào)修，基本滿足平面度2 mm以內(nèi)；采用本研究方法進(jìn)行組焊，工件焊后平面度基本可以達(dá)到2 mm，一次機(jī)械調(diào)修和火焰調(diào)修配合或不調(diào)修即可滿足平面度要求。

（2）整體焊接工件，焊后底架下部縱梁與連接板間的角度為87°～89°，且連接板易出現(xiàn)波浪變形，需機(jī)械調(diào)修和火焰調(diào)修配合使用2次調(diào)修；采用本研究的方法進(jìn)行組焊，連接板變形較小，垂直角度基本可達(dá)到90°，機(jī)械調(diào)修微調(diào)或不調(diào)即可滿足要求。

（3）整體焊接工件，焊后底架下部縱梁與車鉤安裝立柱間角度為88°～89°，很難通過調(diào)修達(dá)到90°；組焊后垂直角度基本可以達(dá)到90°。

綜上所述，調(diào)整各個(gè)部件裝配和焊接方法，垂直墻焊后垂直度和平面度基本能夠達(dá)到要求，小強(qiáng)度的調(diào)修或不調(diào)修即可滿足要求。

圖9 反變形定位塊

圖10 連接板的固定

圖11 底架下部縱梁與連接板間焊縫分段段焊

表2 兩種方法工件焊后垂直度比較

3 結(jié)論

采用劃部件裝配和焊接方法保證平面度，同時(shí)利用3D平臺(tái)上的定位塊和裝卡控制垂直度，并在定位裝置上加反變形，有效控制了垂直墻的底架下部縱梁與連接板間的垂直度、底架下部縱梁與車鉤安裝立柱的垂直度，大大減小垂直墻焊接過程中平面度和垂直度，避免焊后大強(qiáng)度的調(diào)修，減少人力、物力和時(shí)間的投入，顯著提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也滿足生產(chǎn)和使用要求，對(duì)于高速列車工件的生產(chǎn)具有非常重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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