國內客車頂蓋骨架焊裝技術現狀研究

喻紅梅 鐘月紅 劉海瓊 王焱盛 魏燕紅 陸艷紅 張小山

摘要：車身焊接工藝及裝備水平影響客車整體質量和生產效率，其中骨架制造過程中，焊接方法、焊接順序、焊胎設計的選擇是保證焊接質量的主要措施。結合國內大型客車車身焊裝技術裝備現況，典型的客車頂蓋骨架，由5大片或6大片組成，客車頂蓋的骨架材料逐漸采用低合金高強高，以及鋁合金材料。為了解決應力和變形問題，焊接方法廣泛采用低飛濺、高效的MAG焊以及脈沖焊。在焊接工藝裝備方面逐步發(fā)展為通用化、模塊化、柔性化。初步探析客車車身焊裝技術裝備的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：客車;骨架;焊接技術;工藝裝備

中圖分類號：TG441文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2020）04-0013-04

A Summary of Current Status of Welding Technology for the

Roof Frame of Domestic Passenger Cars

YU Hongmei1， ZHONG Yuehong2，LIU Haiqiong1，WANG Yansheng2，

WEI Yanhong1， LU Yanhong1， ZHANG Xiaoshan1

（1. School of Materials and Environmental Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China;

2. Chengdu Bus Co. Ltd.， Chengdu 611730， China）

Abstract： Body welding technology and equipment level affect the overall quality and production efficiency of passenger cars. Inthe frame manufacturing process， the selection of welding method， welding sequence and welding tire design are the main measures to ensure welding quality. By analyzing the current status of welding technology and equipment for domestic large passenger car bodies， it can be seen that a typical passenger car roof frame is composed of 5 large pieces or 6 large pieces， and the frame material generally uses low-alloy and high-strength materials and aluminum alloy materials. In order to solve the problem of stress and deformation， low-spatter， high-efficiency MAG welding and pulse welding are widely used in welding methods. The welding process equipment has gradually developed into generalization， modularization and flexibility.Finally， the development trend of welding technology and equipment for passenger car body was analyzed.

Keywords：

bus; body; welding technology; craft equipment

我國的客車制造技術與國外還有相當大的差距。國外的知名客車企業(yè)，如德國的奔馳、曼·凱斯鮑爾、尼奧普蘭、法國的雷諾、意大利的依維柯、瑞典的沃爾沃和斯堪尼亞等企業(yè)的生產技術已經非常成熟，基本已經達到全電子化[1-2]，而我國的大部分客車企業(yè)仍然是機械式的管理系統，自動化水平都不是很高。客車行業(yè)小批量、多樣化的特點，使得客車車身骨架在制造過程中，尤其是頂蓋骨架工序復雜，工裝多、雜、亂，不僅占用場地，而且存在維護管理困難、利用率低、成本高、精度低等問題[3-5]。本文比較了目前國內客車骨架結構類型、裝配制造的焊接工藝及裝備現狀，并總結了目前頂蓋骨架工胎夾具等柔性化、通用化、模塊化等方面的發(fā)展趨勢。

1 客車頂蓋骨架結構分析

1.1 客車頂蓋骨架結構分析

客車骨架主要承載車身負荷，且用于連接車身覆蓋件及各種車身附件?？蛙囓圀w結構分為全承載式、半承載式及非承載式3種類型。客車骨架生產制作中必須保證客車骨架的強度、關鍵位置的尺寸和形狀精度。客車骨架是一般為由型材矩形鋼管組成的整體框架，常見的由5大片或6大片部分組合而成。5大片包括前/后圍、頂蓋、左/右側圍。6大片包括前/后圍、頂蓋、左/右側圍和底架。頂蓋骨架由頂橫梁和短縱梁形成網狀結構，矩形管拼焊而成，一般長7～11 m。清潔能源、新能源客車以及低入口城市客車的推廣，使得頂蓋骨架除了布置有空調、天窗外，還布置有天然氣瓶組、燃料電池車型的氫氣瓶組、動力電池組等，極大地增加了頂蓋骨架的結構復雜度，骨架結構三維如圖1所示。

1.2 客車頂蓋骨架的材料

國內客車的選材包括無鍍層的低合金結構鋼、鋁合金、不銹鋼，低合金結構鋼骨架客車一般選用1.5～2.5 mm厚的Q235作為骨架的主要材料，選用Q195作為預埋件鋼板，Q345作為縱梁、STE700TM底部縱桿和長棚桿，因為其強度高且各方面條件都比較適合。其主要的力學性能和用途如表1所示。

隨著輕量化技術在客車上應用的推廣，鋁合金由于具有耐腐蝕性好，平整度好等優(yōu)點，客車車身骨架材料應用越來越廣泛。國內公司參考國外相關技術工作及實驗研究，現已能逐步開發(fā)出鋁合金車身的公交車。2008年宇通公司與國外公司共同開發(fā)研究的一款新能源客車，因整車采用減重鋁合金材料是整車質量減輕1.4t，拉開了國內鋁合金客車生產制造的序幕。由于全鋁合金客車優(yōu)秀的節(jié)能性能，國內的東風、申通客車、蜀都客車等客車制造企業(yè)都逐步對其開展了創(chuàng)新研究探索[6-8]。2015年起，逐步形成了客車鋁合金骨架的完整產業(yè)鏈，如中旺、奧杰、愛普等均是優(yōu)秀的鋁合金型材及客車骨架零部件的供應商。鋁合金骨架一般為特定斷面的鋁合金擠壓型材，材料基本都采用形變鋁合金6061-T6，其材料性能如表2所示。不銹鋼具有較好的焊接性、撞擊性、耐腐蝕性，國內某企業(yè)已開發(fā)制造了不銹鋼全承載式車身結構，主要材料為SUS 301L、SUS 304。[9]

2 客車頂蓋骨架的焊接工藝現狀

2.1 客車頂蓋骨架焊接工藝特點

客車頂蓋骨架焊縫接頭主要是T形接頭，焊縫由對接和角接兩種形式，整體結構以YO線對稱，焊縫多，且分布不均勻，頂蓋中后部因布置氣瓶組、動力電池組及其外飾罩，使得這些位置焊縫比較集中。焊接過程中，熱源的不均勻加熱，在焊接熱循環(huán)的作用下，整體結構會產生較大的殘余變形和內應力，導致了焊接收縮的累積效應，頂蓋焊接完成后，總長收縮量可以達到6～18 mm不等[10-11]，不均勻的收縮導致焊后出現較大的彎曲變形，如圖2所示。

2.2 客車頂蓋骨架焊接工藝現狀

2.2.1焊接方法的選擇

1）低飛濺、高效的MAG焊逐步推廣

客車頂蓋骨架可用的焊接方法眾多，其中應用較多的為焊條電弧焊、CO2焊和熔化極MAG（80%Ar+20% CO2）焊3種，如表3所示。MAG焊熔滴過渡穩(wěn)定，主要以射滴和射流過渡為主，過渡頻率達到100～200次/s，焊接飛濺小、其最大飛濺顆粒直徑小于CO2焊，并且焊縫成形美觀，熔敷效率高，但其成本相對較高。常見頂蓋骨架MAG焊焊接工藝參數如表4所示。

2）脈沖MIG焊提升焊接質量

鋁合金和不銹鋼頂蓋骨架主要采用鉚接、螺栓連接及焊接的混合模式，焊接方法主要是TIG、MIG焊。鋁合金焊接技術難度比碳鋼大，焊后強度損失大，變形大。全數字IGBT逆變控制直流脈沖MIG焊，可有效控制熱輸入，改善接頭性能，有利于消除氣孔、裂紋等問題，保證鋁合金、不銹鋼骨架的焊接質量。

2.2.2 焊接應力及變形研究現狀

焊接變形是客車頂蓋骨架制造過程中常見的一個問題。目前國內外學者、工程技術人員針對焊接過程中產生的焊接變形及焊接殘余應力做了大量研究。Salerno等[12]對厚板焊接殘余應力進行了數值和實驗研究，可以預測殘余應力的大小和位置、延長壽命。許慶華等[13]探討了不同客車骨架焊接方法及其對客車性能的影響。那景新等[14-17]結合有限元分析軟件，研究了焊接工藝對客車骨架T形接頭強度的影響、焊角形狀及尺寸參數對客車接頭強度的影響、焊縫間距與桿件壁厚匹配特性研究并對客車骨架接頭焊縫焊接順序進行了優(yōu)化。通過制定合理的焊接工藝，可以有效地降低了焊接接頭應力值，減少了焊接變形。劉凱[18]針對當前車身骨架焊接技術存在的不足之處，提出了改善車身骨架整體焊接質量的措施，包括從原材料加工、裝配順序等方面，嚴格控制每一個環(huán)節(jié)，保證加工質量。雷其會等[19-20]研究了焊接電流、電弧電壓及焊接速度對全承載式客車骨架中T形接頭焊接變形的影響，并對全承載式客車骨架焊接中的T型接頭建模和數值模擬，為焊接電流、電弧電壓等工藝參數的選擇提供參考。

3 客車頂蓋骨架焊接工藝裝備現狀及趨勢

與小轎車的大批量生產方式相比較，客車生產是勞動比較密集的產業(yè)，人工作業(yè)量很大，而且客車市場競爭激烈性，車型變化快，有旅游客車、公交系列客車、加長型城市快速公交客車等。傳統的頂蓋骨架胎夾具如圖3所示，主要由定位塊組成，對焊接變形比較大的位置進行剛性約束，這種骨架工裝制作量大，成本高，靈活性小。目前，國內大型客車廠的焊接胎夾具向模塊化、通用化發(fā)展。

石成義等[21-22]根據產品的共性，對傳統的合裝胎進行改進，通過模塊化設計，實現合裝工裝兼容多系列多品種車型，構建了通用化模板，減少客車骨架工裝種類及數量，提高工裝設計質量及效率，縮短客車骨架工裝制作周期，減少工裝投入，降低了生產成本。崔勇等[23]提出頂蓋低位作業(yè)的焊裝胎夾具，避免了工人操作不方便、工作負荷大、存在安全隱患的問題。尹會華等[24]設計了新型的滑動機構和曲線設計頂蓋縱向，橫向和流線形的外觀造型的通用工裝，通過對滑槽內螺栓的調節(jié)，可以實現工件長度、寬度和高度3個方向的調整，通用性好，基本能目前客車頂蓋的所有結構。顧揚等[25]從骨架焊胎的設計理念進行了改進，提出應該先完成了對單片骨架的應力分析和工藝設計后，才進入焊胎實質性設計階段。其中，最重要的工作是定位點的設計，他認為彈性約束定位和無約束定位應成為定位塊的主體。

鋁合金骨架制作與低合金鋼骨架不同，要求精度高，完成后不可進行敲擊校正，骨架工裝還在探索中[26-29]。

4 結語

目前客車頂蓋骨架的焊接方法逐漸向先進的低飛濺、高效率的MAG焊方向發(fā)展，目前幾乎稍大的客車企業(yè)均采取的是集中供氣，氣體主要是80% Ar+20% CO2或者75% Ar+25% CO2。隨著鋁合金材料的應用，脈沖MIG焊可以減小鋁合金焊縫中的氣孔、裂紋等問題。從焊角形狀、焊接間距、焊接工藝參數等設計，結合有限元數值模擬等技術，優(yōu)化焊接工藝，降低頂蓋焊接殘余應力，減小頂蓋骨架焊接變形量大的問題。通過設計通用型焊接胎夾具，焊裝夾具逐漸向高精度、模塊化、可變位方向發(fā)展。通過改善焊接方法、焊接工藝、焊裝夾具設計等措施，國內客車企業(yè)的頂蓋骨架制造技術正在縮短與國外先進客車制造企業(yè)的差距。

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