不銹鋼地鐵車輛的頂棚變形原因分析與工裝改進(jìn)

曹津銘

摘要：針對不銹鋼地鐵車輛頂棚鋼結(jié)構(gòu)組焊后存在“反撓”“竄角”“塌腰”的問題，本文進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出了頂棚組焊工裝改進(jìn)措施。詳細(xì)的介紹了頂棚鋼結(jié)構(gòu)胎位改造，制作相應(yīng)輔助工裝方法等措施來控制不銹鋼地鐵車輛頂棚鋼結(jié)構(gòu)焊接變形。實(shí)踐證明，通過工裝改進(jìn)及制作相應(yīng)的輔助工裝，控制了頂棚鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的問題，大幅提高了頂棚鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：焊接變形;胎位改造;頂棚鋼結(jié)構(gòu);輔助工裝改進(jìn)

中圖分類號：U270.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0072-02

0? 引言

一般地鐵車輛頂棚上具有空調(diào)機(jī)平臺和受電弓平臺，在空調(diào)機(jī)平臺立板和受電弓平臺立板與頂棚端彎梁，蒙皮與頂棚端彎梁處均有長大焊縫，存在大量的焊接變形。目前，我們生產(chǎn)的不銹鋼地鐵車輛頂棚存在“反撓”、“竄角”、“塌腰”的問題，直接影響了頂棚質(zhì)量，同時(shí)也影響了車體總成裝配質(zhì)量。

1? 頂棚鋼結(jié)構(gòu)組焊后變形的原因分析

影響不銹鋼地鐵車輛頂棚鋼結(jié)構(gòu)變形的原因很多。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐分析得出焊縫分布不均勻、焊接結(jié)構(gòu)的特殊性、及頂棚工裝胎具的不完善是影響頂棚焊接變形的主要原因。

1.1 焊縫分布對頂棚鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的影響? 一般來說，焊縫在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮使其盡量均勻合理，焊縫位置分布不均勻，則焊縫密集區(qū)變形大于焊縫稀疏區(qū)，這樣就要求設(shè)計(jì)時(shí)盡量使焊縫分布均勻，且使焊縫對稱于構(gòu)件截面的中心軸或使焊縫接近中心軸，可減小彎曲變形[1]。

但頂棚鋼結(jié)構(gòu)具有其自身的特殊性見圖1，空調(diào)機(jī)組座分布于頂棚的左右兩端，且分別存在8條長大焊縫，且焊縫1、2、3，焊縫6、7、8，焊縫9、10、11和焊縫14、15、16分布特別集中，此外該處焊接量大，存在焊接收縮和焊縫應(yīng)力集中必然導(dǎo)致大幅的焊接變形。

1.2 結(jié)構(gòu)剛度對頂棚鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的影響? 通常結(jié)構(gòu)剛度大的構(gòu)件，焊后變形小;結(jié)構(gòu)剮度小的構(gòu)件，焊后變形大。結(jié)構(gòu)的剛性取決于結(jié)構(gòu)截面的形狀和尺寸，截面越大，結(jié)構(gòu)剛性越大，變形就越小，反之變形就越大。

不銹鋼地鐵車輛的頂棚是由彎梁、端彎梁、上懸梁、側(cè)頂板、蒙皮、空調(diào)機(jī)組座等組成，見圖2。通過彎梁與2跟上懸梁和2個側(cè)頂板之間的點(diǎn)焊構(gòu)建了頂棚的“骨架”，該結(jié)構(gòu)剛度小，所以在端彎梁與空調(diào)機(jī)立板，及空調(diào)機(jī)處端彎梁與蒙皮間進(jìn)行長大焊縫弧焊時(shí)產(chǎn)生了很大的收縮變形。

1.3 工裝胎具對頂棚鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的影響

頂棚組焊需經(jīng)過骨架組對胎，波紋板自動點(diǎn)焊胎，頂棚正面胎，頂棚反面胎，頂棚淋雨調(diào)修胎這5個胎位來進(jìn)行。若要保證頂棚的質(zhì)量需在每個胎位的每道工序上都要嚴(yán)格控制組對尺寸和焊接變形。目前頂棚變形主要產(chǎn)生在頂棚正面胎位上。這就需要在上一道工序即波紋板自動點(diǎn)焊胎上加強(qiáng)頂棚骨架的剛度，然后在頂棚正面胎上，需借助工裝支撐拉桿抵制“反撓”、“竄角”、“塌腰”變形。同時(shí)采用錘擊、火焰調(diào)修和專業(yè)去應(yīng)力設(shè)備等手段來消除焊縫的內(nèi)應(yīng)力。以此來保證頂棚不變形的理想狀態(tài)。

2? 頂棚鋼結(jié)構(gòu)組焊胎位的改進(jìn)

2.1 頂棚自動點(diǎn)焊胎的改進(jìn)

頂棚自動點(diǎn)焊胎是對頂棚彎梁與波紋板、側(cè)頂板之間的電阻點(diǎn)焊，由前邊敘述焊接裝配對鋼結(jié)構(gòu)變形的影響可知：在實(shí)施大量弧焊前應(yīng)先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行點(diǎn)焊加強(qiáng)強(qiáng)度。

改革前工藝：頂棚經(jīng)組對胎組裝后，直接吊運(yùn)在自動點(diǎn)焊胎上，在完全自由沒有任何外力的情況下進(jìn)行電阻電焊。由于SMC自動點(diǎn)焊設(shè)備的特點(diǎn)，上下兩極焊槍在對頂棚鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時(shí)，下電極焊槍會對頂棚鋼結(jié)構(gòu)有外力作用（垂直于頂棚弧面切線，向上），導(dǎo)致點(diǎn)焊過程中頂棚鋼結(jié)構(gòu)有竄動，影響點(diǎn)焊位置的均勻性，更由于復(fù)雜力學(xué)作用會影響鋼結(jié)構(gòu)的形狀，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)形狀變化不可控。

自動點(diǎn)焊胎改造：原有點(diǎn)焊胎對頂棚鋼結(jié)構(gòu)沒有制約，為完全自由狀態(tài)。根據(jù)工藝要求，基于大量工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在原有點(diǎn)焊胎兩側(cè)特定位置安裝卡具?？ň叻弦韵乱螅孩俦ＷC將頂棚鋼結(jié)構(gòu)固定在點(diǎn)焊胎位上，保證其不會因焊槍作用影響鋼結(jié)構(gòu)位置。②保證頂棚相對位置受力均勻，不會影響鋼結(jié)構(gòu)形狀。③保證兩側(cè)夾具的直線度，平面度。

在設(shè)定位置，使用繃帶將波紋板與側(cè)頂板固定住，保證波紋板電阻點(diǎn)焊的位置，確保鋼結(jié)構(gòu)相對應(yīng)位置受力均勻，控制鋼結(jié)構(gòu)變形。通過對頂棚正面胎改造，在胎具上運(yùn)用外力干預(yù)的方法，制約鋼結(jié)構(gòu)變形的趨勢。

2.2 頂棚正面胎的改進(jìn)

針對上述“反撓”、“竄角”、“塌腰”3個典型問題，對頂棚正面胎進(jìn)行了如下改造：

①針對反撓問題：長期以來由于空調(diào)機(jī)機(jī)組座平臺八條長、大焊縫的影響，頂棚鋼結(jié)構(gòu)一、二位端都有上翹的現(xiàn)象，頂棚結(jié)構(gòu)工藝要求有正撓度17～19mm，然而通常焊接完成后會出現(xiàn)反撓的情況，為此制作了工裝如圖3所示。

如圖3所示應(yīng)用繃帶一根、橫梁方管兩根以及頂棚正面胎，在頂棚正面胎后兩根立柱之間焊接兩根橫梁，繃帶固定兩側(cè)橫梁與頂棚二位端后側(cè)，將繃帶拉緊。把焊接應(yīng)力轉(zhuǎn)化成相互作用力，進(jìn)而改善頂棚工藝，提高頂棚質(zhì)量。工裝應(yīng)用應(yīng)注意兩點(diǎn)：

1）在正面胎焊接作業(yè)前固定、調(diào)試工裝。

2）在焊接作業(yè)完成后，焊縫涼透后去掉工裝。

②針對竄角問題：由于頂棚鋼結(jié)構(gòu)剛性小，焊接量大的原因，頂棚鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常會出現(xiàn)兩側(cè)側(cè)頂板直線度達(dá)不到生產(chǎn)要求的情況，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)頂棚鋼結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則的狀態(tài)，俗稱“竄角”。為了解決上述問題制作了工裝如圖4。

如圖4所示，應(yīng)用5m鋁合金型材、拉桿以及卡具等工具，每一側(cè)側(cè)頂板固定有四根鋁合金型材，用專用卡具將側(cè)頂板與型材卡緊并保證卡緊后側(cè)頂板直線度。在頂棚一位端，二位端和車體中心處分別固定與車體寬度尺寸相同的拉桿，保證頂棚設(shè)計(jì)理論寬度。此工裝在正面胎焊接前組裝，調(diào)試完成;在正面胎胎位生產(chǎn)完畢并且焊接處完焊縫涼透后拆除。202延長線車輛頂棚生產(chǎn)應(yīng)用了此工裝，使用此套工裝后使頂棚鋼結(jié)構(gòu)側(cè)頂板位置的變形得到了控制，改善了因大量焊接導(dǎo)致的側(cè)頂板變形情況。

③針對塌腰問題：由于頂棚鋼結(jié)構(gòu)二位端廢排安裝座位置設(shè)計(jì)特點(diǎn)，切割廢排安裝口時(shí)會切割到彎梁，由于廢排口與二位端很近，在自由狀態(tài)下焊接廢排后，被切割彎梁會出現(xiàn)“塌腰”的情況，影響產(chǎn)品質(zhì)量，是頂棚生產(chǎn)中又一難點(diǎn)。針對上述問題，制作了工裝如圖5所示。

如圖5所示：應(yīng)用廢棄底架邊梁300mm×4根、鋁合金型材2m×2根、500mm方管下根以及專用卡具兩個，將加工完成的底架邊梁放置在廢排兩側(cè)，與頂棚波紋板契合。2m鋁合金型材放置在底架邊梁上，500mm方管放置在彎梁下方，用專用卡具將鋁型材與方管卡住。需要注意兩點(diǎn)：1）卡具必須將鋁型材與方管卡的足夠緊，保證外力可以制約焊接應(yīng)力;2）方管需在彎梁正下方，將切斷彎梁連接起來，保證被截?cái)鄰澚号c兩側(cè)彎梁處于同一高度。

此工裝應(yīng)用內(nèi)力的相互作用的原理，用工裝的形式把焊接產(chǎn)生的焊接應(yīng)力轉(zhuǎn)化成同一個整體內(nèi)力的相互作用，這樣不管產(chǎn)生多大的焊接應(yīng)力都會產(chǎn)生相對應(yīng)的反作用力去抵消它，達(dá)到制約焊接應(yīng)力對頂棚二位端變形的影響。

3? 結(jié)論

①使用改造后的頂棚自動焊胎，并利用外力干預(yù)的方法，可以控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形量。②使用改進(jìn)后頂棚正面胎的工裝，解決了焊接過程中出現(xiàn)的“竄角”、“塌腰”情況。③“反撓”問題得到了一定的控制，但由于頂棚空調(diào)機(jī)組座和長大焊縫焊接的限制并沒有完全解決。后期，我們會詳細(xì)測量并繪制頂棚反撓曲線，并設(shè)想建立與頂棚反撓曲線相吻合的工裝撓度來抵消變形。

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