自動(dòng)化焊接在CRH380A型動(dòng)車組枕梁中的應(yīng)用

■ 仇志遠(yuǎn)，金昌海，陳貝

關(guān)鍵字：自動(dòng)化；枕梁內(nèi)焊縫焊接；焊接順序；組裝精度

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CRH380A型動(dòng)車組枕梁組成內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫數(shù)量多且空間狹小，制造難度大、成本高，而枕梁結(jié)構(gòu)是CRH380A型高速動(dòng)車組車體的關(guān)鍵部件之一，它的焊接質(zhì)量要求高，如何能夠既保證焊接質(zhì)量，又能降低制造難度和制造成本成為枕梁生產(chǎn)的首要任務(wù)。

本文通過對(duì)CRH380A型動(dòng)車組枕梁內(nèi)焊縫焊接的研究，確定了枕梁內(nèi)焊縫采用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化焊接的工藝方案。

1. 枕梁組成結(jié)構(gòu)

鋁合金枕梁是中車青島四方機(jī)車車輛股份公司生產(chǎn)的CRH380A型動(dòng)車組的關(guān)鍵部件之一，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的內(nèi)部包含12塊L形補(bǔ)強(qiáng)板、2塊方型厚板、6塊長(zhǎng)方形厚板，內(nèi)腔空間最狹窄尺寸僅為170mm，因此，它的焊接質(zhì)量要求高、制造難度大、成本高。

圖1 枕梁三維圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物

2. 自動(dòng)化焊接設(shè)備

自動(dòng)化焊接設(shè)備采用奧地利公司生產(chǎn)的IGM自動(dòng)焊機(jī)，焊接機(jī)器人此系統(tǒng)配備帶旋轉(zhuǎn)的懸臂立柱機(jī)構(gòu)RST，可在地軌RTS上左右移動(dòng)。在懸臂下方左右兩側(cè)可平行布置各兩臺(tái)焊接工位。系統(tǒng)采用單回轉(zhuǎn)式變位機(jī)，夾具與變位器旋轉(zhuǎn)面板連接緊固。機(jī)器人可以依靠懸臂機(jī)構(gòu)可在四個(gè)焊接工位上方空間運(yùn)動(dòng)，保證焊縫可達(dá)。在中央計(jì)算機(jī)的控制下自動(dòng)控制工業(yè)機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、焊接電源和焊槍清理機(jī)構(gòu)等協(xié)調(diào)動(dòng)作。機(jī)器人配備傳感器，用于焊縫起始點(diǎn)尋找與焊縫跟蹤。

圖2 安裝樣板設(shè)計(jì)

圖3 枕梁內(nèi)焊縫焊接順序

圖4 枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊程序編號(hào)

3. 枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)化焊接工藝

（1）枕梁組裝 自動(dòng)化焊接對(duì)枕梁內(nèi)焊縫各個(gè)零件的組裝精度要求較高，為保證枕梁組裝精度，本文設(shè)計(jì)制作了如圖2所示的安裝樣板，樣板采用激光整體下料，嚴(yán)格保證零件組裝精度。

（2）枕梁組裝后在自動(dòng)焊胎位的固定 枕梁零件組裝后使用天車吊運(yùn)枕梁至枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊胎位，為方便機(jī)器人找點(diǎn)，在工裝上設(shè)置端部定位塊及側(cè)面定位塊，枕梁吊運(yùn)時(shí)需保證枕梁與端部及側(cè)面定位塊靠緊?？烤o后使用程序控制風(fēng)動(dòng)液壓裝置壓緊枕梁（工裝兩側(cè)各3個(gè)液壓裝置，共計(jì)6個(gè)），以控制枕梁內(nèi)焊縫焊接變形。

（3）枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊焊接工藝 第一，雙工位枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊交替順序：枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊接采用雙工位交替焊接方式焊接，機(jī)器人設(shè)備焊接流程：工位Ⅰ（或Ⅱ）打底焊接 工位Ⅱ（或Ⅰ）打底焊接 工位Ⅰ（或Ⅱ）蓋面焊接工位Ⅱ（或Ⅰ）蓋面焊接。工位Ⅰ（或Ⅱ）焊接時(shí)，工位Ⅱ（或Ⅰ）進(jìn)行上件、焊前清理、層間處理及焊縫修整。

第二，單個(gè)枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊接順序：先焊接枕梁與下蓋板搭接焊縫，再焊接下蓋板與補(bǔ)強(qiáng)板T形對(duì)接焊縫，最后焊接枕梁立面與補(bǔ)強(qiáng)板T形對(duì)接焊縫。焊接方向采取由中心向兩端的方式進(jìn)行逐次焊接，具體如圖3所示。

第三，單工位枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊程序編號(hào)及焊接位置說明。程序編號(hào)代表焊縫說明及焊接順序：①A1-A9-B1-B8為枕梁與下蓋板船型焊，胎位為45°傾斜，打底焊及覆蓋層均有焊接尋位。②C1-C9-D1-D8為枕梁與下蓋板船型焊，胎位為45°傾斜，打底焊及覆蓋層均有焊接尋位。③E1-E6-F1-F6-G1-G6-H1-H6為補(bǔ)強(qiáng)板與下蓋板平角焊，胎位水平，打底焊有焊接尋位，無覆蓋層。④M1-1-M1-6-M2-1-M2-6--M3-1-M3-6-M4-1-M4-6為補(bǔ)強(qiáng)板與枕梁平角焊，胎位為90°垂直，打底焊有焊接尋位，無覆蓋層。⑤M5-1-M5-6-M6-1-M6-6--M7-1-M7-6-M8-1-M8-6為補(bǔ)強(qiáng)板與枕梁平角焊，胎位為90°垂直，打底焊有焊接尋位，無覆蓋層。具體如圖4所示。

4. 現(xiàn)車驗(yàn)證

采用上述工藝措施后，枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊進(jìn)行了現(xiàn)車焊接驗(yàn)證，同時(shí)模擬現(xiàn)車情況制作了工作試件分別進(jìn)行金相試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如下。

（1）現(xiàn)車焊縫外觀 使用枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊焊完現(xiàn)車后觀察焊縫成形美觀，焊縫尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具體如圖5所示。

（2）宏觀金相 金相試樣垂直于焊接方向取樣，首先使用水砂紙打磨焊縫截面，然后拋光，其次使用混合型酸溶液在室溫下腐蝕20～30s，最后在Zeiss-AIM光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫金相組織形貌，如圖6所示。由圖6可以看出，焊縫整體成形美觀，未見裂紋和明顯的夾渣等焊接缺陷。

（3）焊縫微觀組織 顯微組織中未見微裂紋及其他缺陷，焊縫組織較為致密，呈枝晶狀，焊接效果良好。在焊接過程中熔合區(qū)組織靠近焊縫一側(cè)為沿散熱方向以聯(lián)生結(jié)晶形式形成的柱狀晶組織，而靠近基體一側(cè)則為纖維狀組織；熱影響區(qū)組織比焊縫區(qū)的略為粗大，第二相發(fā)生聚集長(zhǎng)大；母材晶粒沿軋制方向伸長(zhǎng)，晶粒呈纖維狀，且與軋制方向相同，組織為少量的析出強(qiáng)化相。

（4）拉伸試驗(yàn)結(jié)果 對(duì)兩組拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的接頭常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示抗拉強(qiáng)度均超過269.5MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）彎曲試驗(yàn)結(jié)果 對(duì)兩組彎曲試樣進(jìn)行試驗(yàn)獲得的接頭常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。焊接接頭試樣側(cè)彎達(dá)到180°時(shí)均完好，表明接頭的彎曲性能均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊后焊縫

圖6 枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊焊縫宏觀金相

5. 結(jié)語

本文通過對(duì)枕梁結(jié)構(gòu)及前期枕梁內(nèi)焊縫焊條電弧焊接工藝的研究，最終確定了枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊的焊接工藝：焊前采用樣板安裝保證安裝精度，焊接工裝設(shè)置端部及側(cè)面定位塊方便機(jī)器人找點(diǎn)，工裝同時(shí)設(shè)置合理的剛性固定裝置控制焊接變形，雙工位焊接兼顧焊接質(zhì)量及工作效率，制定合理的單個(gè)枕梁焊接順序控制焊接變形。

采取上述工藝措施后，枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊焊縫成形美觀，焊接性能滿足試驗(yàn)要求，焊接質(zhì)量高，操作簡(jiǎn)單，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。目前枕梁內(nèi)焊縫自動(dòng)焊已同時(shí)在城際動(dòng)車組及標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組中得到了廣泛應(yīng)用。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果