底架組焊的邊梁上拱變形控制和矯正方法

梁濤，黃劍，肖輝

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

底架是城軌鋁合金車體的重要大部件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，其結(jié)構(gòu)一般由端梁、邊梁、端部結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)（短）地板、蓋板及附件組成。底架作為車體工序其他部件組裝的裝配基準(zhǔn)，對(duì)整車的寬度、長(zhǎng)度、撓度、客室門對(duì)角線差值、車體截面對(duì)角線差值等專檢項(xiàng)點(diǎn)有直接影響，因此生產(chǎn)中對(duì)其外形尺寸和幾何公差值有嚴(yán)格的要求。

圖1 底價(jià)結(jié)構(gòu)示意

2 底架組焊后的上拱變形

如圖2所示，在底架交檢過程中，發(fā)現(xiàn)枕梁（端部結(jié)構(gòu)上的部件）位置處的邊梁和長(zhǎng)地板存在上拱變形問題，此處平面度超過＜5mm的技術(shù)要求。

圖2 上拱變形問題

如圖3所示，底架吊入車體總組焊臺(tái)位后，枕梁位置的邊梁（對(duì)應(yīng)車體的1、4號(hào)客室門位置）與設(shè)置了車體撓度的支撐墩有＞12mm的間隙，在車體組焊臺(tái)位的液壓拉緊裝置的作用下，邊梁下表面與邊梁支撐墩仍無法貼緊。

圖3 底架吊入車體總組焊臺(tái)位

3 上拱變形對(duì)車體組焊的影響

通過對(duì)產(chǎn)品問題的追溯和分析，發(fā)現(xiàn)上述變形如果不在底架工序解決，在車體工序強(qiáng)行裝配后，因?yàn)榈准艿膬?nèi)應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致車體組焊后產(chǎn)生以下質(zhì)量問題。

1）當(dāng)?shù)准苓吜号c車體總組焊臺(tái)位的邊梁支撐墩上表面間隙＞8mm時(shí)，會(huì)引起客室門的對(duì)角線差值（技術(shù)要求≤5mm）超差（見圖4a）。

圖4 車體尺寸測(cè)量位置

2）當(dāng)?shù)准茏笥覂蓚?cè)的邊梁上拱值相差超過4mm時(shí)，會(huì)引起車體的截面對(duì)角線差值（技術(shù)要求≤5mm）超差（見圖4b）。

4 上拱變形問題的原因分析

邊梁上拱變形區(qū)域的結(jié)構(gòu)及焊縫如圖5所示。由圖5可看出，枕梁位于長(zhǎng)地板下部，長(zhǎng)地板蓋在枕梁上，且兩側(cè)與邊梁搭接，其結(jié)構(gòu)導(dǎo)致底架邊梁截面（枕梁位置處）的上下焊縫（即枕梁與邊梁對(duì)接、邊梁與長(zhǎng)地板的連接焊縫）分布不均勻，靠近邊梁下表面的焊縫遠(yuǎn)多于上表面。

圖5 邊梁上拱變形區(qū)域的結(jié)構(gòu)及焊縫

主要焊縫的焊接參數(shù)見表1。

表1 主要焊縫的焊接參數(shù)

由表1可知，這些分布不均勻的焊縫對(duì)邊梁此處截面的熱輸入量也不同，邊梁下表面獲得的熱輸入量也遠(yuǎn)多于邊梁上表面。

正是上述原因，導(dǎo)致底架邊梁的上下表面在焊接過程中受熱不均勻，冷卻后的底架邊梁下表面收縮比上表面多，所以最終引起邊梁此處向上拱起，如圖6所示。從圖6可看出，底架組焊后枕梁位置無法與水平支撐墩貼緊，有局部的上拱變形。

圖6 底架邊梁上拱變形

5 解決上拱變形的工藝措施

5.1 反變形法

反變形法是生產(chǎn)中預(yù)防焊接變形的常用方法，即在焊前設(shè)置一個(gè)與焊后變形方向相反的預(yù)變形，使焊后達(dá)到理想狀態(tài)[1]。底架組焊時(shí)邊梁的反變形設(shè)置如圖7所示，反變形設(shè)置參數(shù)見表2。

表2 底架組焊工裝反變形設(shè)置參數(shù) （mm）

圖7 底架組焊反變形設(shè)置

（1）底架正面組焊 由于邊梁焊后變形較大，因此將枕梁至端梁處設(shè)置成上翹狀態(tài)，反變形量為端梁位置的邊梁下表面至基準(zhǔn)面相差25mm。

（2）底架反面組焊 當(dāng)?shù)准芊疵娉蠒r(shí)，在枕梁位置新增A、B兩組支撐墩，將邊梁（枕梁位置）此處向上頂起，反變形量為邊梁下表面至基準(zhǔn)面相差15mm。

（3）邊梁壓臂扭力值設(shè)置 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)是反變形法實(shí)施是否有效的關(guān)鍵。將扭力值規(guī)定為200N·m，使用扭力扳手?jǐn)Q緊壓臂，保證每次反變形作業(yè)時(shí)對(duì)邊梁施加壓緊力的一致性和有效性（見圖8）。

圖8 按規(guī)定扭力值擰緊壓臂

5.2 火焰矯正法

在標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)生產(chǎn)情況下，通過反變形法就能有效地解決邊梁的上拱變形問題，但在批量生產(chǎn)過程中，會(huì)因?yàn)楦鞣N因素的影響，出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，此時(shí)可以采用火焰矯正的方法來返修產(chǎn)品。此位置有一定的特殊性，首先，鋁合金與鋼的材料物理性能存在很大不同，加熱時(shí)要考慮減少對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。其次，因邊梁是內(nèi)腔帶有加強(qiáng)筋的剛性很強(qiáng)的中空擠壓型材，故對(duì)其進(jìn)行火焰矯正時(shí)，在加熱溫度和冷卻方法上與鋼材的火焰矯正有差異。

（1）設(shè)備和工藝參數(shù) 對(duì)底架組焊后的邊梁進(jìn)行火焰矯正，所需的設(shè)備和工藝參數(shù)見表3。

表3 火焰矯正所需的設(shè)備和工藝參數(shù)

（2）加熱位置 選擇正確的矯正位置是火焰矯正能否有效的關(guān)鍵。加熱位置處于底架1號(hào)門和4號(hào)門邊梁的上表面及小部分側(cè)面，加熱長(zhǎng)度比底架邊梁與枕梁、抗側(cè)滾的對(duì)接焊縫長(zhǎng)度稍長(zhǎng)（起點(diǎn)和終點(diǎn)各向外延伸100～150mm），如圖9所示。

圖9 火焰矯正加熱位置示意

（3）加熱技巧 鋁合金熱導(dǎo)率高，要取得良好的火焰矯正效果，要先保證加熱區(qū)域與周邊未加熱區(qū)域形成較大的溫差。因此，加熱時(shí)烤槍火焰要調(diào)至最大，并使用中性焰，焰心距工件2～4mm，烤嘴與工件的角度為80°～90°，此時(shí)，火焰的利用率最高，熱量最集中[2]。

（4）輔助措施 因?yàn)榈准芙M焊后的結(jié)構(gòu)剛度很高，如果僅靠母材加熱后的收縮應(yīng)力去矯正變形，效果會(huì)很不理想。如圖10所示，在長(zhǎng)地板靠近邊梁位置處壓2t重塊（每個(gè)重塊重1t），使邊梁預(yù)先產(chǎn)生一定的向下彎曲變形趨勢(shì)，然后再進(jìn)行火焰矯正，會(huì)取得良好的效果。

圖10 上拱變形的火焰矯正

（5）注意事項(xiàng) 作業(yè)過程中要嚴(yán)格控制加熱溫度和返工次數(shù)（不超過2次），避免對(duì)母材性能造成影響。

6 產(chǎn)生的效益

采用以上工藝措施，底架的平面度一次交檢合格率得到顯著提升，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益（見表4）。

表4 效益核算

7 結(jié)束語

底架枕梁位置的焊后上拱變形是因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的焊縫分布不均勻而造成的。在標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)下，通過反變形法就能有效控制焊接變形，如果問題已經(jīng)產(chǎn)生，使用火焰矯正法也能使產(chǎn)品返修合格。