客車(chē)車(chē)身焊裝工藝問(wèn)題及優(yōu)化

黃斐榮, 宋海泉, 胡 玲, 胡 理, 趙 猛

(比亞迪汽車(chē)工業(yè)有限公司, 廣東 深圳 518118)

客車(chē)車(chē)身作為整車(chē)的重要組成部分,不僅承擔(dān)著支撐內(nèi)外飾件和承載載荷的功能,還對(duì)整車(chē)的性能和品質(zhì)有重要影響。根據(jù)承載形式的不同,客車(chē)車(chē)身可分為全承載式、半承載式和非承載式結(jié)構(gòu)[1]。為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減重和提高被動(dòng)安全性,目前國(guó)內(nèi)外中大型客車(chē)(車(chē)身長(zhǎng)度超過(guò)7 m)普遍采用全承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)[2]。全承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)通過(guò)焊裝工藝實(shí)現(xiàn),主要包括骨架合裝、蒙皮固定等工序,焊裝工藝的水平直接影響到客車(chē)的整體質(zhì)量。本文分析客車(chē)車(chē)身焊裝工藝目前存在的問(wèn)題,并提出優(yōu)化措施。

1 客車(chē)車(chē)身焊裝工藝

1.1 客車(chē)骨架合裝工藝

客車(chē)骨架合裝是通過(guò)將客車(chē)車(chē)身骨架六大片合攏并主要通過(guò)焊接技術(shù)連接來(lái)完成。目前,客車(chē)車(chē)身骨架合裝采用具有三維可調(diào)式定位夾緊裝置的立體合攏技術(shù)。合裝自動(dòng)化在提升客車(chē)車(chē)身質(zhì)量穩(wěn)定性,保證客車(chē)制造的專(zhuān)業(yè)化水平方面發(fā)揮著重要作用。

國(guó)內(nèi)大多客車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的鋼車(chē)身骨架的焊接采用MAG焊,而全鋁車(chē)身骨架采用MIG焊,并配置鵝頸焊槍等工具進(jìn)行焊接作業(yè)。骨架焊接作業(yè)的關(guān)鍵是盡量控制車(chē)身結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量,避免在焊接部位形成焊接缺陷。

1.2 客車(chē)蒙皮固定工藝

蒙皮與車(chē)身骨架的固定方式有焊接、鉚接和粘接。焊接工藝生產(chǎn)效率高,但常會(huì)導(dǎo)致蒙皮變形而產(chǎn)生波浪紋;鉚接工藝成本低,但操作繁瑣,生產(chǎn)效率低,還會(huì)在蒙皮表面留下鉚接頭,增加涂裝作業(yè)的難度;粘接工藝讓蒙皮具有減震、降噪的優(yōu)點(diǎn),可保證蒙皮平整度,但由于蒙皮與車(chē)身骨架易發(fā)生剪切問(wèn)題,蒙皮的直線度相對(duì)較難控制,而且由于目前使用的聚氨酯彈性膠的固化時(shí)間長(zhǎng)(一般為24～48 h),生產(chǎn)效率偏低。

為了降低高空作業(yè)的難度和風(fēng)險(xiǎn),頂圍蒙皮采用低位作業(yè)方式與頂圍骨架總成固定。側(cè)圍蒙皮為保證整體的平整度,通常采用先漲拉、再通過(guò)焊接或鉚接的方式固定在側(cè)圍骨架上。漲拉可分為冷漲拉和熱漲拉,目前國(guó)內(nèi)大型客車(chē)廠大都采用冷漲拉工藝[3]。冷漲拉工藝使用漲拉機(jī)對(duì)蒙皮進(jìn)行拉伸,通過(guò)調(diào)整漲拉力的大小來(lái)達(dá)到控制蒙皮直線度的目的,這種工藝不需要加熱,具有節(jié)能環(huán)保和效率高的優(yōu)點(diǎn)。

2 客車(chē)車(chē)身焊裝工藝存在的問(wèn)題及優(yōu)化方法

2.1 車(chē)身骨架焊接變形

2.1.1 車(chē)身骨架焊接變形原因分析

客車(chē)車(chē)身骨架焊接變形的原因主要有裝配間隙引起的焊接變形、工裝定位拘束引起的焊接變形和焊接工藝設(shè)計(jì)和操作引起的焊接變形。

1) 裝配間隙過(guò)大引起焊接變形。為了獲得良好的焊接接頭,在客車(chē)車(chē)身骨架焊接過(guò)程中,工件與工件之間的裝配間隙一般要求在1.5 mm以下。如果間隙過(guò)大,不僅施焊困難,而且會(huì)因固態(tài)金屬對(duì)熔化金屬的表面張力不足而導(dǎo)致熔池脫落,產(chǎn)生焊穿等焊接缺陷[4]。同時(shí),裝配間隙對(duì)焊接的工作量和熱輸入量影響很大,間隙越大焊接所需的時(shí)間就越長(zhǎng),工件的熱輸入量也越大,焊接變形也越嚴(yán)重[5]。

2) 工裝定位拘束不良引起焊接變形。如果工裝定位裝置剛性不好或夾持位置不合適,工件將承受局部外載而發(fā)生拘束不良,彈性變形將留在車(chē)架結(jié)構(gòu)中,當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)或局部外載被去除后,弱變形會(huì)釋放出來(lái),導(dǎo)致焊接變形。

3) 焊接工藝設(shè)計(jì)和操作不當(dāng)引起焊接變形。車(chē)架總成焊縫較長(zhǎng),且分布密集,因此焊接順序和焊縫分布對(duì)焊接質(zhì)量有很大影響。當(dāng)焊接順序不當(dāng)或焊縫布置不對(duì)稱(chēng)時(shí),不僅會(huì)產(chǎn)生收縮變形,而且會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。特別在焊縫截面重心偏離接頭截面重心時(shí),還會(huì)產(chǎn)生角變形。此外,焊接電流過(guò)大和焊接速度過(guò)慢也會(huì)造成焊接變形加劇,因?yàn)檫@些情況都會(huì)增大焊接熱輸入量,擴(kuò)大焊接熔區(qū),導(dǎo)致大的焊接變形[6]。焊接工藝設(shè)計(jì)和操作不當(dāng)導(dǎo)致骨架產(chǎn)生焊接變形,形變的積累使得車(chē)架總成的尺寸精度超出允許的公差尺寸,從而影響了整車(chē)的質(zhì)量和品質(zhì)。

2.1.2 車(chē)身骨架焊接變形的控制方法

1) 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和流程。為了控制焊接變形的風(fēng)險(xiǎn),需要合理設(shè)置焊接順序和參數(shù)。將車(chē)架總成焊縫分成幾個(gè)分總成分別焊接,然后再進(jìn)行總裝焊接,使不對(duì)稱(chēng)的或收縮力較大的焊縫自由收縮。同時(shí),盡可能讓焊縫對(duì)稱(chēng)或靠近截面中心軸,以減少結(jié)構(gòu)總體的彎曲變形。焊縫橫向收縮量比縱向收縮量大,因此應(yīng)將焊縫布置在平行于要求焊接變形小的方向。為減小熱量的集中輸入,長(zhǎng)焊縫應(yīng)采用分段退焊或分段跳焊法。此外,應(yīng)盡可能減少焊縫數(shù)量,避免焊縫過(guò)分集中或焊縫垂直交叉。同時(shí),在保證結(jié)構(gòu)有足夠承載能力的前提下,應(yīng)盡量減小焊縫尺寸。對(duì)于受力較小的T型焊接接頭,應(yīng)選取最小的焊縫尺寸;對(duì)于受力較大的T型接頭或十字接頭,應(yīng)采用開(kāi)坡口角焊縫來(lái)減小焊接變形[7]。

2) 采用反變形和剛性固定方法。反變形法是控制焊接變形的一種有效方法,在組合點(diǎn)焊時(shí)給予一個(gè)相反方向的變形來(lái)抵消焊接變形。焊接變形受多種因素影響,盡管焊接手冊(cè)可查到標(biāo)準(zhǔn)反變形量,但實(shí)際反變形量仍需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定[8]。當(dāng)不便采用反變形時(shí),可采用剛性固定法來(lái)控制焊接變形。剛性固定是利用外加剛性拘束來(lái)減小焊件焊后變形的方法[2],對(duì)角變形和波浪變形較為有效,適用于厚度小于10 mm的焊件?？蛙?chē)車(chē)身骨架型材的壁厚通常為1.5～6 mm,所以采用剛性固定可達(dá)到控制焊接變形的目的。在車(chē)架生產(chǎn)中,通常使用焊接夾具定位和緊固,當(dāng)加固位置合適時(shí),裝夾剛度越大,焊接殘余應(yīng)力越小,焊接變形量也越小[9]。

3) 采用自動(dòng)化焊接技術(shù)。在車(chē)身骨架合裝中應(yīng)用自動(dòng)化焊接技術(shù)不僅可以提升操作效率和質(zhì)量,還可以減少由于人為操作不當(dāng)導(dǎo)致的焊接變形。為了滿(mǎn)足高綱領(lǐng)、高節(jié)拍、高柔性的客車(chē)車(chē)身焊裝生產(chǎn)需求,以及客車(chē)行業(yè)多品種、小批量、定制化的訂單生產(chǎn)模式,解決客車(chē)焊裝總成的柔性制造和自動(dòng)化混流生產(chǎn)尤為重要?？蛙?chē)焊裝柔性制造系統(tǒng)的建成將推動(dòng)客車(chē)企業(yè)由勞動(dòng)密集型向柔性化、自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型。憑借自動(dòng)化焊接控制系統(tǒng),可更好地進(jìn)行焊接工藝選擇、焊接參數(shù)設(shè)置和焊接過(guò)程控制,同時(shí)借助同步工程[10]評(píng)審,有效減小焊接變形和保證焊接質(zhì)量。同步工程評(píng)審可在設(shè)計(jì)層面對(duì)焊接結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行分析和評(píng)估,預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中可能發(fā)生的應(yīng)力集中和焊接變形情況,并根據(jù)材料、結(jié)構(gòu)和工藝情況給出優(yōu)化方案。國(guó)內(nèi)某公司率先開(kāi)發(fā)了焊裝柔性制造系統(tǒng),其中機(jī)器人+激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了焊縫狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別,焊接參數(shù)智能選擇,焊縫軌跡自動(dòng)差補(bǔ),在提升焊接設(shè)備的容差性能和保證焊接質(zhì)量上發(fā)揮了重要作用。同時(shí),冷弧焊、脈沖焊、多層多道焊等焊接方法的綜合應(yīng)用,有效地解決了客車(chē)骨架結(jié)構(gòu)焊縫間隙不均勻、焊接余高偏差大等問(wèn)題。

2.2 車(chē)身外圍蒙皮平整度差

2.2.1 車(chē)身外圍蒙皮平整度差的原因分析

外圍蒙皮采用薄板件制成,剛度較低且難以抵抗外部熱和力的沖擊作用,因此外圍蒙皮平整度差是當(dāng)前客車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中最為普遍的問(wèn)題,主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面:

1) 側(cè)圍蒙皮鼓包現(xiàn)象。大范圍的鼓包主要與蒙皮漲拉不充分有關(guān),尤其在采用一次冷漲拉工藝時(shí)較為常見(jiàn)。蒙皮冷漲拉時(shí),其一端與骨架固定,但骨架自身的剛度有限,實(shí)際允許的漲拉力較小,導(dǎo)致蒙皮漲拉不夠充分。當(dāng)側(cè)圍蒙皮是部分貼合和固定在車(chē)身骨架上時(shí),其整體約束性較差,在外部沖擊和車(chē)身振動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)局部鼓包現(xiàn)象。

2) 外圍蒙皮邊緣波浪紋。電弧焊的熱影響區(qū)域較大,在采用該方法固定外圍蒙皮時(shí),焊點(diǎn)位置會(huì)出現(xiàn)焊接變形,導(dǎo)致外圍蒙皮邊緣出現(xiàn)波浪紋。由于蒙皮是薄板材料(厚度為0.8～2 mm),采用電弧焊存在失穩(wěn)變形的風(fēng)險(xiǎn),焊點(diǎn)位置出現(xiàn)波浪變形。波浪變形是一種壓曲變形,由于焊縫產(chǎn)生的壓應(yīng)力使板材邊緣失穩(wěn),發(fā)生縱橫收縮,從而形成多重彎曲變形,通常發(fā)生在焊接構(gòu)件的邊緣上[11]。波浪變形的程度與板材厚度直接相關(guān),隨著板材厚度的減小,波浪變形加劇。此外,由于焊接位置處的焊接殘余應(yīng)力集中,如果這些殘余應(yīng)力在后續(xù)的熱作用過(guò)程(如電泳烘烤過(guò)程)中被釋放出來(lái),將導(dǎo)致更為復(fù)雜的變形[12]。

2.2.2 車(chē)身外圍蒙皮平整度改善方法

1) 優(yōu)化側(cè)圍蒙皮漲拉工藝。在客車(chē)焊裝工藝中,側(cè)圍蒙皮的漲拉是一個(gè)重要的環(huán)節(jié),但是一次冷漲拉往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)完美的漲緊狀態(tài)。為此,可以采用二次冷漲拉進(jìn)行優(yōu)化。具體而言,首先將蒙皮用定位夾固定,對(duì)蒙皮進(jìn)行一次漲拉,要求超過(guò)其屈服極限,產(chǎn)生一定的塑性變形,然后將蒙皮一端與立柱塞焊固定,一端緊固到漲拉機(jī)上進(jìn)行二次漲拉,漲拉完后再將蒙皮與骨架焊接固定。經(jīng)過(guò)兩次冷漲拉后,蒙皮發(fā)生了“形變強(qiáng)化”[13-14],其屈服極限提高,抵抗變形的能力也增強(qiáng)。

2) 優(yōu)化外圍蒙皮的安裝工藝。在外圍蒙皮的安裝過(guò)程中,電弧焊產(chǎn)生不可忽略的熱影響,會(huì)導(dǎo)致焊接變形。為了改善外圍蒙皮平整度,可從安裝工藝方面考慮采取以下幾種方法:一是使用熱影響較小的電阻點(diǎn)焊或激光焊來(lái)代替電弧焊,由于這兩種焊接方法的熱輸入量較小,可有效減小焊接變形[15]。還可以采用工裝對(duì)焊接頭進(jìn)行加持固定,使待焊處蒙皮內(nèi)外側(cè)均受壓應(yīng)力,避免預(yù)緊力過(guò)大造成的修配翹曲,同時(shí)通過(guò)控制反變形量、夾緊力、過(guò)盈量來(lái)獲得最佳加緊狀態(tài),以及通過(guò)采用合適的漲拉量獲得最佳拉緊狀態(tài),有效消除由于蒙皮受熱軟化、屈服強(qiáng)度下降而導(dǎo)致的壓痕缺陷和波浪紋[16-17]。二是使用雙組份聚氨酯膠粘接+邊緣分段鉚釘工藝。采用鉚釘+粘接工藝可以避免蒙皮邊緣焊接變形,同時(shí)解決了粘接工藝效率低的問(wèn)題[18]。由于新材料和新技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,現(xiàn)在客車(chē)車(chē)身覆蓋件已大量使用鋁合金材料和玻璃鋼復(fù)合材料。因此,粘接工藝將是未來(lái)蒙皮固定的主流方法,研究蒙皮粘接工藝將成為焊裝工藝前沿技術(shù)的重要方向。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前客車(chē)制造過(guò)程中焊裝工藝存在的問(wèn)題,從工藝和技術(shù)層面,深入分析和討論了骨架焊接變形和蒙皮平整度差的原因,并基于焊接變形控制最新研究成果和客車(chē)焊裝技術(shù)進(jìn)展,提出了優(yōu)化措施,為分析和解決在客車(chē)焊裝工藝中出現(xiàn)的類(lèi)似問(wèn)題提供理論支持和借鑒,并為進(jìn)一步提升焊裝工藝水平、保證客車(chē)車(chē)身質(zhì)量提供了創(chuàng)新思路和方案。