A型鋁合金地鐵車輛側(cè)墻組焊工藝研究

歐陽(yáng)超，李賢清

摘要：側(cè)墻單元是地鐵車體的骨架，需要與頂蓋和底架分別進(jìn)行焊接，起支撐整個(gè)車體的作用。側(cè)墻單元的焊接主要采用MIG焊，因鋁合金自身的焊接特性，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生焊接變形;其次，側(cè)墻的焊接工序繁多，需要分別進(jìn)行上門角組焊、下門角組焊、側(cè)墻單元組焊等一系列工序，且每道工序都需嚴(yán)格控制方能保證整體的尺寸精度。通過(guò)分析側(cè)墻單元的焊接難點(diǎn)，優(yōu)化工藝參數(shù)，采用合適的組對(duì)工裝和合理的焊接順序，有效保證了側(cè)墻單元的工藝尺寸和焊接質(zhì)量，為后續(xù)類似側(cè)墻單元的組焊提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：鋁合金車體;側(cè)墻單元;焊接變形;組焊;焊接順序

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0136-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.23

0? ? 前言

地鐵是城市快速軌道交通的先驅(qū)，最高速度可達(dá)120 km/h，旅行速度可達(dá)60 km/h以上，可為3～8節(jié)編組。地鐵車輛采用大斷面、高強(qiáng)度、輕量化鋁合金型材整體焊接制造，具有編組靈活、承載力強(qiáng)、發(fā)車密度高等特點(diǎn)[1]。地鐵主要由底架、側(cè)墻單元和頂蓋三部分組成。其中，側(cè)墻單元是車體的骨架，需要與頂蓋和底架分別進(jìn)行焊接，起支撐整個(gè)車體的作用。側(cè)墻單元的焊接工藝要求比較高，組焊工序繁多，如何有效對(duì)側(cè)墻單元進(jìn)行組焊，保證其工藝尺寸和焊接質(zhì)量，在整個(gè)地鐵生產(chǎn)中具有十分重要的意義。上海線和武漢線屬于A型地鐵，其側(cè)墻單元的數(shù)量和種類都較多。以武漢7號(hào)線地鐵為例，一列武漢7號(hào)線地鐵由6節(jié)車廂連接組成，包括2節(jié)A車、2節(jié)B車、2節(jié)C車，其中B車和C車的側(cè)墻相同。每一節(jié)車廂由12塊側(cè)墻單元拼裝組成。其中，組成A車的側(cè)墻單元種類最多，有7種。

1 焊接難點(diǎn)分析

1.1 側(cè)墻單元焊接難點(diǎn)分析

側(cè)墻單元是車體中連接車廂頂蓋和車廂底架的重要組成部件，組焊要求高，其結(jié)構(gòu)形式為“ 門立柱-側(cè)墻板-門立柱 ”，即側(cè)墻板分別與兩種門立柱進(jìn)行焊接[2]，如圖1所示。每條焊縫長(zhǎng)度約為1.9 m，由于鋁合金的線膨脹系數(shù)為2.35×10-5，約為鋼的2倍，凝固時(shí)的體積收縮率達(dá)6.6%左右，因此在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生焊接變形，焊接變形量較大。其焊縫形式有3HV和Z5兩種，焊縫等級(jí)為CP C2級(jí)，技術(shù)要求3HV焊縫需要進(jìn)行PT檢測(cè)以保證產(chǎn)品質(zhì)量。并且，工藝要求側(cè)墻單元組焊完成后需要保證其對(duì)角線公差、平面度公差、寬度公差都為±2 mm，側(cè)墻單元與底架的組裝間隙不超過(guò)2 mm。在門立柱與側(cè)墻板焊接前，門立柱兩端還需要進(jìn)行門角的焊接，焊接工序繁多，工藝復(fù)雜。由于鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率大、比熱容較大，焊接時(shí)熱輸入過(guò)小容易造成未熔合，焊前裝配間隙小或電弧挺度小容易造成未焊透、熔合不良等缺陷[3-5]。

1.2 門立柱組焊難點(diǎn)分析

在側(cè)墻單元的組焊工序中，門立柱組焊工序非常重要，即需要將門立柱與門角進(jìn)行焊接，組成形式如圖2所示。門立柱材質(zhì)如表1所示。

（1）上門角與門立柱的焊接需要保證門立柱與門角的上邊緣平齊，門立柱與門角不能錯(cuò)邊，平面度公差要求為±0.5mm，其焊縫形式有三種，分別為4V、6V和8V，整體形狀呈月牙形，如圖3所示。

（2）下門角與門立柱的焊接與上門角的焊接類似，焊縫形式有4V、6V和8V三種，如圖4所示。

下門角的裝配要求較上門角更為嚴(yán)格。下門角焊接完成后，需保證其與門立柱底邊的距離為90 mm。下門角在組焊過(guò)程中不僅要保證門角整體的垂直度，還要保證其伸出量，故難度更大。

2 焊接工藝

就武漢7號(hào)線地鐵而言，其側(cè)墻組焊順序?yàn)椋荷祥T角組焊→下門角組焊→側(cè)墻組焊，每道工序都分別獨(dú)立執(zhí)行。由于鋁合金自身的焊接特性，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生變形，出現(xiàn)未焊透、熔合不良等缺陷，為了保證其整體尺寸和焊接質(zhì)量，需要采用合適的焊接工藝進(jìn)行控制。

2.1 側(cè)墻單元組焊工藝流程

工藝流程如圖5所示。

2.2 上門角組焊工藝

為了保證焊接質(zhì)量，焊接之前必須對(duì)門立柱和門角進(jìn)行打磨拋光，去除表面的氧化皮;同時(shí)，為了保證熔深，確保門立柱與門角的裝配間隙為2 mm，在按圖紙尺寸加工門立柱時(shí)，需對(duì)加工的尺寸進(jìn)行一定的工藝放量;為了有效控制焊接變形，組焊前需借助上門角裝配模板進(jìn)行裝配，如圖6所示。

上門角裝配模板類似于直角尺，在門立柱與門角的裝配處留有一個(gè)0.5 mm的小臺(tái)階，確保組對(duì)時(shí)門角上邊緣突出門立柱上邊緣0.5 mm，如圖6中A處所示。同時(shí)門立柱和門角須緊貼模板進(jìn)行裝配，如圖7所示。

門角組對(duì)完成后，點(diǎn)焊固定，然后開始焊縫的焊接。焊接時(shí)需注意焊接順序及焊接方向，如圖8所示。同時(shí)，需要對(duì)4V和6V焊縫進(jìn)行相互交叉焊接，從而有效控制門角的焊接變形，以保證整體的平面度。待4V和6V的焊縫焊接完成后，再進(jìn)行8V焊縫的焊接，確保上門角與門立柱平齊。上門角焊接完成后，再用直角尺檢驗(yàn)門角的垂直度，確認(rèn)垂直度滿足工藝要求。上門角焊接工藝參數(shù)如表2所示。

2.3 下門角組焊工藝

下門角的組焊與上門角相似，為確保焊接完成后符合工藝要求，需采用下門角裝配模板進(jìn)行裝配，如圖9所示。

為了保證下門角焊接完成后的垂直度，下門角裝配模板必須依照下門角與門立柱的裝配輪廓進(jìn)行設(shè)計(jì)。下門角與門立柱底邊的距離為90 mm，這個(gè)尺寸為關(guān)鍵尺寸，考慮到下門角焊接完成后會(huì)有收縮，所以將模板的伸出量設(shè)定為91 mm，裝配如圖10所示。

下門角裝配完成后，將門角進(jìn)行點(diǎn)焊固定，然后焊接，焊接順序及方向與上門角焊接類似，如圖11所示。焊接完成后，再用直尺檢測(cè)下門角垂直度，下門角工藝參數(shù)如表3所示。

2.4 側(cè)墻單元組焊工藝

2.4.1 組焊工裝

側(cè)墻單元由側(cè)墻板與門立柱組焊而成，其焊縫形式分別為Z5和3HV。側(cè)墻單元的整體質(zhì)量達(dá)到了125.6 kg，在焊接過(guò)程中需要借助變位機(jī)對(duì)側(cè)墻進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)，才能完成所有焊縫的焊接。值得注意的是，在側(cè)墻與變位機(jī)之間需增加鋁合金墊塊，隔離側(cè)墻板與變位機(jī)。其次，由于焊縫長(zhǎng)度達(dá)到了2 m，焊接過(guò)程中存在很大的焊接變形，因此需采用工裝來(lái)進(jìn)行控制，以保證側(cè)墻的整體的尺寸及平面度，使用的工裝明細(xì)如表4所示。

2.4.2 焊接工藝

側(cè)墻單元的焊接主要分為以下幾個(gè)步驟：

（1）焊前檢查。焊接之前需要檢查側(cè)墻板的工藝尺寸及平面度，同時(shí)確認(rèn)門立柱等配件的質(zhì)量。按工藝要求，側(cè)墻板機(jī)械加工完成后，其對(duì)角線超差公差為±2 mm，平面度公差為±2 mm。

（2）焊前拋光。焊接前將側(cè)墻板和門立柱放置于打磨支架上，使用清洗液清除側(cè)墻板表面以及門立柱焊接區(qū)域的油污，然后用白棉布擦拭干凈。使用拋光機(jī)去除側(cè)墻板和門立柱焊縫兩側(cè)的氧化膜（30 mm范圍內(nèi)），使待焊區(qū)域呈現(xiàn)亮白色金屬光澤。

（3）側(cè)墻裝配。將側(cè)墻板和門立柱置于組焊工裝上進(jìn)行裝配，由于焊接存在收縮，所以組裝寬度要比理論寬度大2～3 mm。寬度調(diào)整完成后，用長(zhǎng)平尺確認(rèn)門立柱與側(cè)墻板上下兩端的直線度，確保兩端平齊。側(cè)墻的寬度和直線度組對(duì)完成后，再檢測(cè)對(duì)角線尺寸是否滿足±1 mm公差要求。待所有尺寸確定無(wú)誤后，用工裝上的懸臂夾壓緊門立柱和側(cè)墻板，確保變位機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)側(cè)墻整體不會(huì)移動(dòng)。

（4）點(diǎn)固焊。側(cè)墻裝配完成后，首先進(jìn)行Z5焊縫的點(diǎn)焊，焊接順序?yàn)棰佟凇邸堋荨蕖?/p>

⑦→⑧→⑨→⑩→⑩→⑩如圖14所示。先將側(cè)墻的4個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)焊固定，然后在每條焊縫中間均勻焊接4點(diǎn)焊縫，焊縫長(zhǎng)度約為50 mm。為了保證焊接質(zhì)量，每條焊縫的起弧與收弧處必須使用風(fēng)動(dòng)銑刀進(jìn)行修磨，并用不銹鋼絲刷清理黑灰。點(diǎn)焊完成后，翻轉(zhuǎn)變位機(jī)，以相同的方式進(jìn)行3HV焊縫的點(diǎn)焊，如圖15所示。側(cè)墻單元點(diǎn)固焊工藝參數(shù)如表5所示。

（5）滿焊。點(diǎn)焊完成后，首先將3HV焊縫進(jìn)行滿焊，焊接順序遵循交叉對(duì)稱的原則，由中間向兩端進(jìn)行，焊接順序?yàn)棰佟凇邸堋荨蕖?/p>

→⑧→⑨→⑩，如圖16所示。3HV焊縫焊接完成后，轉(zhuǎn)動(dòng)變位機(jī)，將側(cè)墻旋轉(zhuǎn)180°，然后按同樣的順序進(jìn)行Z5焊縫的焊接，如圖17所示，焊接參數(shù)見表6。

（6）打磨。焊接完成后，將側(cè)墻轉(zhuǎn)移至打磨支架，使其自然冷卻。根據(jù)工藝要求，待焊縫冷卻至室溫，先用不銹鋼絲刷及白棉布清除焊縫表面的黑灰，然后再將焊縫打磨平整。

（7）焊后檢測(cè)。焊縫打磨完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查及PT檢測(cè)。同時(shí)，側(cè)墻整體的寬度、直線度及對(duì)角線尺寸都需要一一確認(rèn)，保證所有尺寸都滿足工藝要求，外形尺寸檢測(cè)記錄如表7所示。

3 結(jié)論

地鐵A型車的側(cè)墻焊接工序較多，焊縫形式多樣，工藝要求嚴(yán)格，因此其焊接難度大。通過(guò)分析側(cè)墻單元和門立柱的焊接難點(diǎn)，制作合適的組對(duì)工裝，采用合理的焊接工藝，有效地解決了側(cè)墻單元組焊時(shí)焊接變形較大、工藝尺寸很難保證等焊接難題。文中所述的工藝措施已經(jīng)被中車株洲電力機(jī)車有限公司等企業(yè)廣泛運(yùn)用到A型車側(cè)墻單元的批量生產(chǎn)中，其焊接質(zhì)量和工藝尺寸完全滿足車體組焊的要求。實(shí)踐證明該焊接工藝具有可行性和可操作性，可為同類型側(cè)墻單元的焊接提供借鑒和參考。

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