地鐵車體總成關(guān)鍵焊縫焊后變形量工藝研究

付寧寧,經(jīng)中濤

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司, 江蘇 南京 210031)*

為了解決交通擁堵和汽車尾氣造成的空氣污染問題，并提高城市整體運轉(zhuǎn)效率，城市軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)正受到人們越來越多的關(guān)注.鋁合金儲量豐富、密度低、比強度高等特點，大大降低了地鐵車體生產(chǎn)及運營成本，得到業(yè)主和廣大消費者的普遍認(rèn)可[1-4].在實際生產(chǎn)中，鋁合金熔點低，焊后變形量大，給車體尺寸精度的控制帶來巨大挑戰(zhàn)[5-6].雖然車間使用的液壓下拉機構(gòu)、撐桿等工具對車體尺寸定位和預(yù)置反變形可以對車體尺寸控制起到一定作用，但預(yù)置反變形和工藝放量尺寸都是根據(jù)經(jīng)驗而來，缺少理論數(shù)據(jù)支撐，導(dǎo)致部分車體焊后需要重新矯正和調(diào)修，既影響了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)進(jìn)度，也增加了車間的工作量[7-8].因此研究地鐵車體關(guān)鍵焊縫焊后變形量對生產(chǎn)工藝改進(jìn)具有重要意義.

1 地鐵車體及試驗材料和方法介紹

1.1 地鐵車體總成概述

鋁合金地鐵車體由底架、車頂、側(cè)墻*2、端墻*2(或端墻+司機室)六大部件組成，側(cè)墻由模塊1-5五個子模塊組成，如圖1.部件在各自臺位成產(chǎn)，交檢合格后運至總成臺位；預(yù)組裝過程使用液壓下拉機構(gòu)對底架進(jìn)行起撓，車體撓度工藝見圖2.

圖1 地鐵車體結(jié)構(gòu)

圖2 底架向上起撓工藝圖

使用撐桿對車體部件進(jìn)行尺寸約束和預(yù)變形，見圖3，并在關(guān)鍵部位如門腳處打上定位焊，見圖4.根據(jù)工藝文件要求先內(nèi)部手工焊后外部自動焊，焊縫質(zhì)量檢查合格后將車體運至打磨交檢臺位，對焊縫進(jìn)行打磨和小零件焊接并再次檢查質(zhì)量；最后進(jìn)行車體司機室安裝并交檢(僅Tc車).

圖3 車體尺寸約束 圖4 門立柱定位焊

1.2 試驗材料

車體鋁合金型材為6005A-T6；鋁合金MIG焊絲為ER5356[AlMg5]，直徑為1.2 mm；鋁合金型材及焊絲的力學(xué)性能見表1， 化學(xué)成分見表2.其中，上部焊縫的焊接電壓為20 V，電流為180A，焊接速度為10 mm/s；下部焊縫的焊接電壓為22 V，電流為200 A，焊接速度為10 mm/s；保護(hù)氣體為Ar 99.999%.焊縫接頭形式見圖5.

圖5 焊縫接頭示意圖

表1 鋁合金型材和焊絲的力學(xué)性能

表2 鋁合金型材和焊絲的化學(xué)成分 %

1.3 測量方法

車體預(yù)組裝完成后以焊縫為中線使用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺在焊縫兩側(cè)做70 mm的標(biāo)記，見圖6.上部焊縫、下部焊縫的標(biāo)記間距分別為1 m和0.5 m，標(biāo)記從每段自動焊起始位置開始；為了減少劃線標(biāo)記間距與實際測量間距的誤差，需適當(dāng)放大標(biāo)記間距，多次測量發(fā)現(xiàn)標(biāo)記間距設(shè)為70.60 mm時，實際測量值為70.00 mm誤差小于±0.10 mm.

圖6 焊縫標(biāo)記圖

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 下部焊縫變形量分析

圖7(a)(b)(c)是同一列車中三種車型(Tc、M1、M2)的一位側(cè)、二位側(cè)下部焊縫變形量曲線圖,7(d)是由(a)(b)(c)的平均值并且根據(jù)門角收縮量小的規(guī)律適當(dāng)延伸而得.

(a) Tc

(b) Ml

(c) M2

(d) 一、二位側(cè)延伸

門角處焊縫組焊后變形量小于1 mm，這是因為在預(yù)組裝時門角處打了定位焊，因此門對角尺寸方差組焊后變化不大.在門角定位焊約束和焊縫收縮力的綜合作用下，焊縫收縮量焊縫整體呈現(xiàn)起伏；又由于車體底架、側(cè)墻、車頂整體結(jié)構(gòu)前后對稱，因此焊后收縮量呈前后對稱.

側(cè)墻模塊1、3、5變形量較小且均勻，模塊2、4變形量則呈現(xiàn)明顯增大.分析認(rèn)為：底架邊梁在門2、門3處由于高度小，因此預(yù)組裝起撓后，側(cè)門下邊寬度大于上邊寬度.這導(dǎo)致安裝側(cè)墻時，側(cè)門模塊2、模塊4在門角位置存在錯邊，見圖8(a).

圖8 液壓撐桿工作圖

生產(chǎn)過程中，工人使用液壓撐桿從中間向兩側(cè)調(diào)整側(cè)墻模塊，使側(cè)墻門立柱與底架門角位置一致，見圖8(b).這又導(dǎo)致側(cè)墻存在一定的下凹弧度，操作工使用液壓機構(gòu)等強約束使側(cè)墻變形以適應(yīng)底架的撓度，并在門角處打上定位焊.這導(dǎo)致在側(cè)墻模塊2、3中間相對于其他側(cè)墻模塊存在很大的扭曲應(yīng)力.在焊接過程中，焊縫金屬熔化、收縮并釋放扭曲應(yīng)力，因此產(chǎn)生很大的焊接變形量.

2.2 上部焊縫變形量分析

圖9是同一列車中三種車型(Tc、M1、M2)及相對應(yīng)的一位側(cè)、二位側(cè)上部焊縫變形量曲線圖.從圖中可以看出上部焊縫是一條完整的曲線，一位側(cè)、二位側(cè)焊接變形量在相同位置呈現(xiàn)出同大同小的趨勢，在對應(yīng)于門角的位置焊縫變形量小，在側(cè)墻模塊2、4中間焊縫變形量較大，這和下部焊縫變形量趨勢幾乎一致.分析認(rèn)為：一方面車體一位側(cè)、二位側(cè)整體幾何尺寸對稱，同時生產(chǎn)過程中，各工步對稱施工；另一方面車體組裝過程中，側(cè)墻和車頂發(fā)生扭曲變形以適應(yīng)底架的下?lián)?其中主要的扭曲變形集中在側(cè)墻上，這導(dǎo)致相同位置的上部焊縫和下部焊縫變形量整體趨勢一致.

(a) Tc

(b) Ml

(c) M2

2.3 焊縫變形量平均值及擬合曲線圖分析

圖10是一列車(6輛)上部焊縫和下部焊縫焊后變形量平均值.可以看出，門角位置平均收縮量為0.55 mm；上部焊縫收縮量平均值為1.05 mm且變化很??；下部焊縫收縮量為1.67 mm，如果不計算門角處變形量較小的數(shù)據(jù)，則上部焊縫收縮量平均值約為1.89 mm.上下部焊縫收縮量平均值差值為0.63 mm，分析認(rèn)為：這是由于下部焊縫相對于上部焊縫厚度更大，焊接電流也更大造成的.

圖10 變形量平均值及擬合曲線圖

3 結(jié)論

(1)受底架撓度影響，側(cè)墻模塊2、4中間位置存在很大的扭曲應(yīng)力，焊后橫向收縮較大；實際生產(chǎn)中，應(yīng)適當(dāng)加大側(cè)墻模塊2、4對應(yīng)位置側(cè)墻高度放量，同時對側(cè)墻模塊3兩端的門立柱長度適當(dāng)減小，以匹配底架撓度；

(2)車體一、二位側(cè)焊縫焊接變形量在相同位置呈現(xiàn)相同的趨勢；在相同位置的上部焊縫和下部焊縫變形量整體趨勢一致；實際車體預(yù)組裝生產(chǎn)中，應(yīng)在車體一二位側(cè)對稱位置上設(shè)置相同的尺寸放量；

(3)門角位置平均收縮量約0.55 mm，上下部焊縫平均焊后收縮量為1.05 mm和1.67mm， 上下部焊縫收縮量平均值差值約為0.63 mm，應(yīng)針對門腳及上下部焊縫收縮不同特點，預(yù)組裝時在車體高度方向上設(shè)置至少2 mm的尺寸放量.