鋁合金地鐵側(cè)墻輪廓度控制

李國(guó)偉，王小兵，周慶贊，王安平，蔣磊

中車成都機(jī)車車輛有限公司 四川成都 610511

1 序言

隨著地鐵車輛逐步向輕量化、模塊化方向發(fā)展，地鐵車體的制造經(jīng)歷了由碳素鋼、不銹鋼材質(zhì)向鋁合金材質(zhì)的轉(zhuǎn)變。相比碳素鋼和不銹鋼車體，鋁合金車體具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、外觀平整度好且容易制造復(fù)雜曲面及比強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，在世界各國(guó)軌道交通行業(yè)均得到了廣泛應(yīng)用。鋁合金車體是由底架、側(cè)墻、端墻和車頂組成的一個(gè)封閉六面體，各個(gè)大部件模塊的制造及最后的總組均采用焊接工藝。大量焊接勢(shì)必引起焊接變形，如果不加以控制，則將嚴(yán)重影響車體強(qiáng)度和外觀質(zhì)量。

側(cè)墻作為鋁合金地鐵車輛不可或缺的大部件模塊之一，總組時(shí)與車頂、端墻、底架通過焊接方式將車體封閉為鼓形結(jié)構(gòu)（見圖1）。側(cè)墻結(jié)構(gòu)主要由若干塊鋁合金中空擠壓型材單元插接組焊而成。本文以國(guó)內(nèi)某地鐵項(xiàng)目側(cè)墻大部件為例，對(duì)其生產(chǎn)過程中輪廓度的控制展開研究。

圖1 車體結(jié)構(gòu)示意

2 現(xiàn)狀分析

2.1 鋁合金的焊接特性

由于鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率高，所以焊接時(shí)必須采用能量集中、功率大的熱源，因此鋁合金中厚板一般都采用熔深大、熔敷效率高的MIG焊。鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時(shí)體積收縮率約為6.5%，焊接量越大時(shí)，熱輸入量也越大，焊后導(dǎo)致的變形和應(yīng)力也就越大。

側(cè)墻板焊縫為單V形的對(duì)接焊縫，此類焊縫的焊接主要會(huì)引起兩個(gè)方向的角度變形，分別為縱向收縮引起的撓曲角度變形、橫向收縮引起的彎曲角度變形[1]，此外還會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)方向的收縮變形，分別為沿著焊縫方向的收縮變形、橫向收縮引起的寬度收縮變形[2]。引起側(cè)墻板輪廓度超差的主要是橫向收縮引起的彎曲角度變形，生產(chǎn)中需要使用壓緊器等剛性固定方式對(duì)此類變形加以控制。因此，為了減少焊接變形，在焊接過程中需要嚴(yán)格控制焊縫的熱輸入量，優(yōu)化焊接順序，選用合理的焊接參數(shù)[3]。

2.2 側(cè)墻板組焊后輪廓度超差問題分析

側(cè)墻組焊工序正反組工裝胎位均采用尼龍墊塊作為底座，墊塊加工安裝后必須保證與側(cè)墻板表面密貼，且同一位置上的所有墊塊高度保持相同，誤差＜1mm，工裝胎位局部如圖2所示。

圖2 工裝胎位局部示意

側(cè)墻組焊分正面自動(dòng)焊接和反面自動(dòng)焊接。正面自動(dòng)焊前將側(cè)墻各單元型材按順序拼接在工裝上，將撓度、高度及門口寬度、對(duì)角線等尺寸調(diào)整到工藝許可范圍后，在所有焊縫兩側(cè)及兩端使用壓緊器將側(cè)墻板壓緊至與工裝密貼，然后進(jìn)行定位焊接，如圖3所示。

圖3 側(cè)墻板組裝

側(cè)墻單元板焊接采用IGM自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接，IGM焊機(jī)有主手和副手兩個(gè)焊接裝置，可分別對(duì)兩條焊縫同時(shí)進(jìn)行焊接，如圖4所示。焊接順序采用交錯(cuò)焊接方式，按圖4中①→②→③的順序焊接，最大程度地減少焊接熱輸入量，以減少焊后變形量。

圖4 焊接順序

為保證最終產(chǎn)品能順利通過限界試驗(yàn)，側(cè)墻外輪廓度與側(cè)墻輪廓度樣板間隙應(yīng)控制在3mm以內(nèi)，但在實(shí)際制造過程中側(cè)墻外表面輪廓度與輪廓度樣板間隙往往會(huì)大于臨界值，造成輪廓度超差的主要原因是側(cè)墻反面焊接過程中熱輸入量過大，從而導(dǎo)致變形較大。為保證側(cè)墻高度尺寸，焊前一般會(huì)使用F卡蘭、壓緊器等對(duì)側(cè)墻進(jìn)行剛性固定，但焊接結(jié)束后一旦松開壓緊器，側(cè)墻板便有向內(nèi)部凹陷的趨勢(shì)，導(dǎo)致側(cè)墻外輪廓度超差，如圖5所示。

圖5 側(cè)墻輪廓度超差現(xiàn)狀

3 對(duì)比試驗(yàn)

3.1 選取合理的焊接參數(shù)。

為盡可能模擬現(xiàn)車實(shí)際情況，本次選用兩塊1.5m的6000系單元型材進(jìn)行試驗(yàn)。型材按現(xiàn)車要求進(jìn)行組裝，錯(cuò)邊量≤1mm，焊接采用PA位置，對(duì)接形式，焊接保護(hù)氣體為純度≥99.999%的氬氣，焊絲選用ER5356，焊接設(shè)備使用IGM自動(dòng)焊機(jī)。焊前按工藝文件要求清理氧化膜、油污、雜質(zhì)等，同時(shí)確保焊接現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度符合工藝文件要求，溫度≥8℃，濕度≤80%，風(fēng)速＜1m/s。

采用控制變量法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。此焊縫焊接工藝規(guī)程（WPS）中焊接電流（180～200A）、電弧電壓、焊接速度等焊接參數(shù)是一個(gè)范圍值，具有區(qū)間選擇性。在側(cè)墻板組裝過程中，為保證側(cè)墻高度滿足工藝要求，組板時(shí)會(huì)通過調(diào)整焊縫間隙來達(dá)到所需要求，因此不同的焊縫間隙選擇的焊接參數(shù)會(huì)有所不同。通過對(duì)比不同的焊縫間隙下采用相應(yīng)的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，觀看焊縫的外觀成形和宏觀檢測(cè)情況，最終選出合理的焊接參數(shù)[4]。在焊縫零間隙的情況下，為保證焊縫熔深達(dá)到質(zhì)量要求，應(yīng)盡可能選擇較大的焊接電流，當(dāng)組對(duì)焊縫存在間隙時(shí)，為保證焊縫背面不被燒穿或出現(xiàn)焊瘤等缺陷，焊接電流應(yīng)相應(yīng)減小。最后，在保證焊縫外觀成形和熔深狀態(tài)良好的同時(shí)，最大限度地降低焊接熱輸入量。當(dāng)焊縫零間隙時(shí)，采用195A的焊接電流進(jìn)行焊接，當(dāng)焊縫存在間隙時(shí)，采用180A進(jìn)行焊接，最終焊縫外觀成形和熔深狀態(tài)均滿足質(zhì)量要求，焊縫成形效果如圖6所示。

圖6 焊縫成形效果

3.2 預(yù)置反變形

焊縫橫向收縮引起的彎曲角度變形和寬度收縮變形，使各單元結(jié)構(gòu)位置均發(fā)生不同的凹陷和凸起，因此需根據(jù)焊縫變形規(guī)律預(yù)置反變形[5]。側(cè)墻反面自動(dòng)焊局部工裝如圖7所示，焊前對(duì)圖中①、②、③頂針高度做出合理調(diào)整，提前預(yù)置反變形，以抵消部分焊縫收縮變形導(dǎo)致的凹陷。

圖7 側(cè)墻反面自動(dòng)焊工裝

側(cè)墻反變形量的確定按照“輪廓度數(shù)值統(tǒng)計(jì)、分析→確定反變形參數(shù)→工裝預(yù)置反變形→焊后輪廓度檢測(cè)→確定最優(yōu)反變形量”流程反復(fù)試驗(yàn)，確定最佳反變形預(yù)置量。經(jīng)過該項(xiàng)目4面?zhèn)葔υ囍?，最終確定反變形預(yù)置量為2mm、1mm、2mm，反變形數(shù)據(jù)調(diào)整記錄見表1。

表1 反變形數(shù)據(jù)調(diào)整記錄

3.3 火焰調(diào)修

在預(yù)置反變形的基礎(chǔ)上，焊接完成后部分位置輪廓度仍存在不滿足技術(shù)要求的情況，此時(shí)需采用火焰調(diào)修法進(jìn)行調(diào)整。焊接完成后使用側(cè)墻輪廓度樣板對(duì)側(cè)墻外輪廓度進(jìn)行檢測(cè)，超限部位做好標(biāo)記，測(cè)量結(jié)束后進(jìn)行火焰調(diào)修。調(diào)修過程遵循以下原則。

1）火焰調(diào)修作業(yè)區(qū)域應(yīng)為凸起的焊縫，不可對(duì)凹陷焊縫或非焊縫區(qū)域進(jìn)行加熱。

2）火焰調(diào)修時(shí)，火焰方向應(yīng)垂直于焊縫，使用火焰局部加熱的同時(shí)需要進(jìn)行水冷，火焰與水流間距控制在40mm以內(nèi)（見圖8），加熱溫度控制在250℃以下，加熱時(shí)隨時(shí)觀察工件表面，避免出現(xiàn)凸起或凹陷。

圖8 火焰調(diào)修

3）同一焊縫火焰調(diào)修次數(shù)不得超過3次，如調(diào)修的變形量過大時(shí)，可在火焰加熱的同時(shí)采用錘壓或頂壓等配合手段，盡量減少火焰調(diào)修次數(shù)。

4）一次調(diào)修結(jié)束后，使用側(cè)墻輪廓度樣板測(cè)量并記錄側(cè)墻輪廓度，若輪廓度樣板與側(cè)墻外輪廓度間隙＞3mm時(shí)，應(yīng)再次進(jìn)行火焰調(diào)修（火焰調(diào)修次數(shù)不得超過3次），當(dāng)輪廓度樣板與車頂外輪廓度間隙＜3mm時(shí)，調(diào)修作業(yè)結(jié)束。

4 結(jié)束語

通過對(duì)側(cè)墻輪廓度超差的現(xiàn)狀分析和對(duì)比試驗(yàn)，總結(jié)出側(cè)墻輪廓度的控制方法。針對(duì)側(cè)墻板組焊后輪廓度超差，可通過選用合理的焊接參數(shù)、預(yù)置反變形、火焰調(diào)修相結(jié)合的工藝方法來消除。