S地鐵鋁合金車體制造工藝

呂曉蘭，王 釗， 費鵬飛

(青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司，山東 青島 266111)

隨著近年城市軌道交通的迅猛發(fā)展，對地鐵和輕軌的需求量急劇增加。如何優(yōu)化設計并采用先進的制造工藝，生產(chǎn)出高質(zhì)量的車體是各制造企業(yè)努力追求的目標。本文研究了S地鐵鋁合金車體的制造工藝。該地鐵要求質(zhì)保期為33年，因此對車體生產(chǎn)質(zhì)量提出了較高的要求。

1 S地鐵車體基本結(jié)構(gòu)

S地鐵為每列4輛編組，由A1→B1→B2→A2組成(見圖1)。其中，A1/A2為帶有駕駛?cè)耸业念^車，B1/B2為中間車。

圖1 S地鐵車輛編組

S地鐵車體主結(jié)構(gòu)為擠壓鋁型材焊接而成的薄壁筒形結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢提高了制造和組裝效率，同時還得到了一個剛度很大的車體[1]。主要擠壓鋁型材材料采用近年來在軌道行業(yè)高速車上應用相對成熟的6系高強度鋁合金材料ENAW-6005A。相比照碳鋼和不銹鋼造車體，鋁的密度約為鋼的1/3，可使車輛部件減重到50%，是軌道車輛輕量化實現(xiàn)節(jié)電、高速運行的重要途徑之一[2]；同時擠壓鋁型材的形式又使車體的密閉性優(yōu)于碳鋼和不銹鋼車。除鋁合金型材外，輔助板材全部采用相當強度的板材ENAW5083-H111，管材為ENAW6060 T6，所有材料均符合標準EN 755-2—2008。車體斷面圖如圖2所示，車體基本尺寸圖如圖3所示，S地鐵車體基本尺寸表見表1。

圖2 S地鐵車體斷面圖

圖3 S地鐵基本尺寸圖

(mm)

S地鐵車體由底架、側(cè)墻、車頂、端墻和駕駛?cè)耸夜羌芙M成，其構(gòu)成圖如圖4所示。

圖4 S地鐵車體構(gòu)成圖

2 S地鐵車體制造工藝流程

車體制造工藝流程如下：底架安裝→端墻安裝→側(cè)墻安裝→駕駛?cè)耸野惭b→車體寬度調(diào)整→車頂安裝→車體焊接→車體吊運→車體附件焊接→車體檢驗→車體清理防護→車體交檢。

3 S地鐵車體主要大部件組焊工藝

3.1 底架組焊

底架組焊如圖5所示。具體步驟如下。

1)牽引梁組焊：車鉤板焊接→車鉤板機加工→底板焊接→蓋板焊接→交檢。

2)枕梁組焊：空簧座組焊→枕梁焊接→枕梁機加工→枕梁總成→枕梁交檢。

3)中部地板組焊：地板自動焊→焊后調(diào)修→地板焊后機加工→地板機加工后打磨。

4)小地板組焊：兩平直地板組焊→彎梁組焊→焊后調(diào)修。

5)底架組焊：底架正位組焊→底架反位組焊→底架附件焊接→底架焊后調(diào)修→底架交檢。

圖5 底架組焊

工藝重點：空簧座壓套工藝； 底架寬度調(diào)整。

保證措施：采用專用的壓套工裝，進行多次反復試驗后，確定出最適合圖樣尺寸要求的配合尺寸；調(diào)整底架工裝側(cè)面在底架邊梁的壓緊位置，使底架半寬尺寸最終控制在公差(0，-6) mm內(nèi)，且滿足車體組裝要求。

3.2 側(cè)墻組焊

側(cè)墻組焊如圖6所示。具體步驟如下。

1)側(cè)墻自動焊：側(cè)墻反位組裝→側(cè)墻反位自動焊→側(cè)墻正位自動焊→輪廓度檢測及打磨。

2)側(cè)墻總成組焊：側(cè)墻反位打磨→側(cè)墻正位打磨→側(cè)墻反位門立柱及其他附件焊接→側(cè)墻正位門立柱及其他附件焊接→安裝鉚螺母→側(cè)墻交檢。

圖6 側(cè)墻組焊

工藝重點：側(cè)墻輪廓度控制，側(cè)墻預撓度控制。

保證措施：采用專用組裝工裝通過模板控制輪廓度，通過頂緊歸攏裝置得到預設撓度。

3.3 車頂組焊

車頂組焊如圖7所示。具體步驟如下。

1)小頂棚組焊：小頂棚反位組裝→小頂棚反位自動焊→小頂棚正位自動焊→小頂棚輪廓度檢測→焊縫打磨清理。

2)車頂組焊：空調(diào)框架組焊→頂棚正位組裝及焊接→頂棚反位焊接→頂棚反位附件焊接及安裝→車頂交檢。

圖7 車頂組焊

工藝重點：車頂輪廓度、空調(diào)框架與車頂板連接錯邊量控制。

保證措施：專用組焊工裝及輪廓模板保證輪廓度；專用壓緊梁分別壓緊頂板和空調(diào)框架連接焊縫兩側(cè)，使兩側(cè)平齊。

3.4 端墻組焊

端墻組焊如圖8所示。具體步驟如下：反位組裝及點固→正位點固及焊接→反位焊接→測量和打磨→鉆孔及鉚螺母、螺紋襯套安裝→附件焊接→防寒釘位置劃線→端墻交檢。

圖8 端墻組焊

工藝重點：門口寬度及高度尺寸控制、鉆孔精度控制。

保證措施：專用端墻組焊工裝上設置準確定位塊及調(diào)整墊；在專用鉆孔工裝上通過鉆孔模板鉆孔，以保證鉆孔精度。

3.5 駕駛?cè)耸夜羌芙M焊

駕駛?cè)耸夜羌芙M焊如圖9所示。具體步驟如下：各零件在工裝上預組裝及研配打磨→焊接上部組件①→焊接下部組件②→焊接上下B柱接縫③。

圖9 駕駛?cè)耸夜羌芙M焊

工藝重點：B柱上部焊后偏頭。

保證措施：調(diào)整焊接順序，并預設反變形。

4 S地鐵車體組裝及焊接主要工藝

車體的組焊順序為：底架→端墻→側(cè)墻→駕駛?cè)耸夜羌堋図敗?/p>

4.1 底架安裝

通過枕梁下平面和邊梁下平面放置底架，其中，邊梁支撐預先按照撓度設置調(diào)整高度。通過下拉裝置和邊梁C型槽、枕梁翼板固定底架。用水平儀檢測車鉤板安裝中心與枕梁下平面的高度差。高度差公差控制在±2 mm內(nèi)。底架邊梁的撓度設置值如圖10所示。撓度值中部點1為14 mm，兩側(cè)點2和點3為10 mm， 枕梁中心位置為撓度0點。

圖10 撓度設置

4.2 端墻安裝

吊運端墻落到底架端橫梁上部，端墻中心對齊底架端橫梁中心，端墻外端面與底架端橫梁外側(cè)平齊，用斜撐桿把端墻與底架支撐。通過端門口橫撐桿調(diào)整門寬及端墻兩側(cè)與底架兩側(cè)焊縫錯邊量，同時控制端門高度公差(0，+3)mm和下部焊接間隙2.5～3 mm。調(diào)整端墻斜撐桿控制端墻外張，且垂直度≤2 mm。

4.3 側(cè)墻安裝

A1/A2車側(cè)墻縱向以底架邊梁駕駛?cè)耸议T切口定位，B1/B2車側(cè)墻縱向以中部側(cè)門近一位端側(cè)門切口縱向定位。A車從一位端開始，B車先從中門向一位端開始、再從中門向二位端，逐個調(diào)整側(cè)門橫撐桿，控制側(cè)門寬度公差(+1，+3)mm，逐段定位焊接側(cè)墻與底架間焊縫。橫向采用內(nèi)定位方式：用橫撐桿控制兩側(cè)側(cè)墻內(nèi)部寬度，用斜撐桿對角支撐兩側(cè)墻，用經(jīng)緯儀從兩側(cè)測量并調(diào)整半寬，調(diào)整斜撐桿使兩側(cè)墻半寬公差都在(-1，-3)mm范圍內(nèi)。測量調(diào)整側(cè)門高度公差(0，+1)mm。

4.4 駕駛?cè)耸夜羌馨惭b

兩側(cè)駕駛?cè)耸夜羌芘c上部橫梁預先組焊后，整體吊運至底架上方，落于底架前端兩側(cè)的斜梁上，研配并打磨兩側(cè)骨架下部焊縫位置至骨架與底架間焊接間隙滿足焊接工藝規(guī)范(WPS)要求，點固焊接背板到駕駛?cè)耸夜羌芟虏俊Ｑ信漶{駛?cè)耸夜羌芘c側(cè)墻上部對接焊縫連接部位，打磨調(diào)整側(cè)墻上部側(cè)墻或背板。上下研配完畢后，調(diào)整固定骨架下部測量點尺寸公差為±3 mm，點固焊接骨架下部與底架連接處。用經(jīng)緯儀從兩側(cè)測量駕駛?cè)耸夜羌苌喜繙y量點和中部測量點半寬，最終半寬尺寸公差分別按照±3 mm控制，并用撐桿把半寬固定，點固焊接駕駛?cè)耸夜羌芘c側(cè)墻上部連接處。

4.5 車頂安裝

雙天車吊運車頂，縱向以車頂中心對齊側(cè)墻中心，橫向以車頂中心對齊端墻中心，把車頂落于側(cè)墻、端墻(駕駛?cè)耸夜羌?上部。先調(diào)整車頂與側(cè)墻中心對齊，中心偏差控制在≤2 mm，再通過連接側(cè)墻與車頂?shù)睦o裝置調(diào)整側(cè)墻與車頂搭接量，使左右側(cè)搭接量盡量一致且左右側(cè)搭接量偏差在2 mm內(nèi)來調(diào)整車頂橫向中心。調(diào)整空調(diào)安裝框架車內(nèi)高度，中間位置按(-1，-3)mm控制，兩端按(-5，-3)mm控制；同時，用水平儀測量空調(diào)框架上部兩側(cè)6點高度偏差2 mm。先點固焊接車內(nèi)，再點固焊接車外，車內(nèi)車外都從中間向兩端進行點固焊接。

4.6 車體焊接

S地鐵車體焊接原則，先焊接車內(nèi)再焊接車外，從下向上焊接。先焊接車內(nèi)底架與側(cè)墻間，再焊接車內(nèi)車頂與側(cè)墻間，上下兩道焊縫都由4個人從中門兩側(cè)向兩端同時左右對稱焊接。車內(nèi)縱向焊接的同時進行車內(nèi)端墻周圈焊接，先焊接端墻與底架，再焊接端墻與側(cè)墻，最后焊接端墻與車頂。車外焊接順序與車內(nèi)完全相同，需要4人左右側(cè)同時對稱焊接的，可以采用左右手的分段退焊代替左右手焊接。

5 車體組焊工藝難點及解決措施

5.1 底架撓度設置

因S地鐵車體與動車組或高速車相比定距短了超過1/3，具體設計撓度及底架實際撓度列表見表2。

表2 底架撓度列表 (mm)

從表2數(shù)據(jù)可以看出，S地鐵車體底架定距短，但預先撓度設置比動車組和高速車要大，并且要設置3個點的撓度。因為S地鐵的邊梁截面比動車組和高速車的截面抗彎模量大，因此要想達到焊后5～9 mm的撓度，組裝時撓度的預設值應更大。借鑒動車組的撓度預設經(jīng)驗，每輛車底架安裝完畢后，用水平儀測量每側(cè)邊梁3個測量點及2枕梁位置共計5點高度差，經(jīng)近10輛車的摸索調(diào)整后，S地鐵車體底架撓度預設可以固定為：相對枕梁位置底架邊梁下平面，中部點1支撐高度差為14 mm，2個近中部點2和點3的高度差為10 mm，同時保證各底架邊梁下平面與支撐平面貼緊密，這樣車體焊接后的撓度值滿足設計要求。

5.2 側(cè)門高度偏低

最初幾輛車，車體側(cè)門高度普遍偏低，且低于設計公差要求的下偏差，分析原因如下：1)5塊側(cè)墻板組焊后高度方向焊后收縮3 mm；2)門口上部型材設計時，把門口上平面融合進型材中，使門口上部機加工時工藝放量受限制，最大為3 mm；3)側(cè)墻機加工時因與底架撓度配合預先頂出10 mm撓度，使機加工時帶著撓度加工門口，在門口上部高度不一致。

側(cè)門高度示意圖如圖11所示。

解決措施：1)修改側(cè)墻型材擠壓公差，各型材高度方向增大1 mm；2)側(cè)墻機加工時，改為垂直于撓度方向加工門口尺寸。

5.3 駕駛?cè)耸夜羌軐挾瓤刂?/h3>

S地鐵駕駛?cè)耸夜羌苄枰刂瞥叽缛鐖D12所示，控制點為骨架前端上下A柱6點寬度和長度方向尺寸。 其中，長度方向尺寸由單個骨架組焊時工裝保證，寬度方向尺寸為車體組焊后形成尺寸。因車體組焊后駕駛?cè)耸夜羌苌喜繙y量點為自由端，焊前調(diào)整好后，焊后撐桿松開后釋放趨勢不受控制，可能因內(nèi)部應力使測量點尺寸變化。

圖12 駕駛?cè)耸夜羌軐挾?/p>

解決措施：把左右側(cè)骨架與中間橫梁一并在專用工裝上組裝并焊接。組裝時，下部測量點尺寸與裝配底架前端尺寸寬度匹配，上部測量點按照-3 mm公差控制。車體組裝時，整體吊運骨架，并在骨架前后立柱間增加撐桿連接，組裝完畢后松開撐桿。

5.4 空調(diào)框架車內(nèi)高度偏低

S地鐵車體內(nèi)高主要由端墻和側(cè)墻決定。但車內(nèi)空調(diào)框架位置高度因側(cè)墻焊后收縮、側(cè)墻只有側(cè)門上部位置連接，屬于薄弱環(huán)節(jié)，特別是底架向上預設撓度至14 mm，所以車內(nèi)空調(diào)框架中部位置為車內(nèi)高度最低點，松開豎直撐桿及焊后容易形成高度最低點(見圖13)。

圖13 空調(diào)框架高度

解決措施：1)修改側(cè)墻型材擠壓公差，各型材高度方向尺寸增大1 mm；2)調(diào)整減小車頂與兩側(cè)側(cè)墻的搭接量使車內(nèi)高度增大，搭接量可以最小到8 mm，且左右側(cè)搭接量差≤2 mm。

5.5 焊縫易產(chǎn)生氣孔

車體焊接過程中，分別在不同位置的連接焊縫處出現(xiàn)氣孔，影響焊接質(zhì)量。從如下各項入手分析原因：1)焊接時環(huán)境溫度；2)焊接時環(huán)境相對濕度；3)保護氣體純度；4)焊絲干燥及清潔程度；5)焊前焊接件清理程度；6)焊接參數(shù)選擇。

解決措施：1)檢查環(huán)境溫度及濕度，確保施焊時環(huán)境溫度≥10 ℃，環(huán)境相對濕度≤65%；2)檢測并確保保護氣體氬氣(Ar2)純度≥99.99%；3)嚴格按

照通用技術(shù)文件要求清理打磨母材待焊接區(qū)域；4)檢查并確認焊絲存放；5)焊前采用預熱；6)調(diào)整選擇正確的焊接參數(shù)。

6 結(jié)語

通過上述總體工藝的應用以及對難點問題的具體解決，使S地鐵車體完成后完全滿足了設計對尺寸及焊接質(zhì)量的要求，順利交付了首批車體。