李 會(huì)，王陸釗，李 聰，郭繼祥，楊艷群

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司制造技術(shù)中心，河北唐山063035)

0 前言

隨著動(dòng)車組、城軌車的高速發(fā)展，軌道車輛的生產(chǎn)效率逐漸成為生產(chǎn)單位關(guān)注的焦點(diǎn)之一。某軌道車輛項(xiàng)目車體生產(chǎn)過程中，端墻的輪廓尺寸局部超差，無法滿足設(shè)計(jì)要求，需對尺寸不滿足要求的部分進(jìn)行返修，這增大了勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了生產(chǎn)效率。因此針對組焊后普遍出現(xiàn)端墻輪廓尺寸超差的問題，從焊接變形、端墻板機(jī)加工尺寸控制、彎曲型材尺寸、焊接順序等方面進(jìn)行了綜合分析。并且針對問題產(chǎn)生的原因，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，提出了控制端墻輪廓尺寸超差的有效措施。

1 研究內(nèi)容

圖1為某軌道車輛項(xiàng)目的端墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)圖紙要求端墻組焊完成后，車頂連接梁最高點(diǎn)M與端墻最寬點(diǎn)N之間的輪廓尺寸(見圖2b)的制造偏差為20±2 mm。在生產(chǎn)過程中，采用離弧檢測樣板對端墻輪廓尺寸進(jìn)行檢測，測量基點(diǎn)分別為車頂連接梁的最高點(diǎn)M和端墻最寬點(diǎn)N，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)批量端墻輪廓尺寸局部超差，超差部分集中在側(cè)彎梁、側(cè)彎梁與車頂連接梁的連接處（見圖2b和圖6），超差范圍為0～4 mm，不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此，需要進(jìn)行返修，但返修過程繁瑣，且會(huì)降低產(chǎn)品力學(xué)性能，浪費(fèi)人力、材料和時(shí)間，降低生產(chǎn)效率，影響生產(chǎn)進(jìn)度。因此，本研究對端墻輪廓尺寸局部超差問題進(jìn)行綜合分析，闡述問題產(chǎn)生的原因，并找出解決措施。

圖1 端墻結(jié)構(gòu)

2 原因分析和解決措施

綜合分析后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生上述問題的原因包括：焊接過程中焊接熱輸入集中使得工件局部溫度過高，導(dǎo)致測量基點(diǎn)M下塌；端墻板寬度尺寸小，導(dǎo)致測量基點(diǎn)N向內(nèi)部偏移；彎曲型材的彎曲回彈導(dǎo)致端墻輪廓尺寸局部增大；焊接順序不同引起焊后型材收縮量不同等幾個(gè)方面。針對問題產(chǎn)生的原因，通過試驗(yàn)和工藝驗(yàn)證，最后得出了以下合理解決方案。

（1）減小端墻輪廓尺寸測量基點(diǎn)向端墻內(nèi)部的偏移量。

端墻組成由端墻板和1～6號件組成，圖2a為端墻板結(jié)構(gòu)圖；圖2b為端墻組成圖，其中1號件為車頂連接梁，2號件為側(cè)彎梁，3號件為內(nèi)彎梁，4號件為蓋板，5號件為端角柱，6號件為復(fù)軌座。圖2b中以車頂連接梁的最高點(diǎn)M、端墻最寬點(diǎn)N作為離弧檢測樣板測量端墻輪廓尺寸的測量基點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)批量端墻的側(cè)彎梁、側(cè)彎梁與車頂連接梁連接處的輪廓尺寸超差，其原因之一是測量基點(diǎn)向端墻內(nèi)部偏移。通過圖2b可以看出，當(dāng)車頂連接梁的最高點(diǎn)M、端墻最寬點(diǎn)N由于某種原因向端墻內(nèi)部偏移，而M和N兩基點(diǎn)之間的端墻型材并未整體向內(nèi)部偏移，最終導(dǎo)致M和N之間的端墻輪廓尺寸測量值偏大。通過分析得出以下措施改善測量基點(diǎn)M和N向端墻內(nèi)部偏移，減小端墻局部輪廓超差的數(shù)值。

圖2 端墻結(jié)構(gòu)及組成

a.調(diào)整焊接順序并控制焊接過程中工件溫度。

車頂連接梁和復(fù)軌座之間采用a4的單層單道角焊縫連接，焊縫長度為641 mm，焊接方法為MIG焊，如圖3所示。通過對車頂連接梁型材焊前高度、焊后高度尺寸進(jìn)行批量測量和對比，發(fā)現(xiàn)所有車頂連接梁型材與復(fù)軌座連接的焊縫處都有不同程度的下塌，最大約2 mm。由于此處型材塌陷而導(dǎo)致作為端墻輪廓尺寸測量的基點(diǎn)M向端墻內(nèi)部偏移。

圖3 車頂連接梁組成

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生上述情況的原因有兩個(gè)：第一，鋁在370℃時(shí)強(qiáng)度僅為10 MPa，焊接時(shí)會(huì)因?yàn)椴荒苤巫∫后w金屬而形成塌陷[1]，而車頂連接梁與復(fù)軌座之間的a4角焊縫較長，整道焊縫不間斷的焊接會(huì)導(dǎo)致熱量集中且很大（MIG焊電弧溫度高達(dá)10 000℃），焊縫附近型材局部溫度過高，因此容易塌陷；第二，鋁合金的線膨脹系數(shù)大[2]，焊接過程中熱量集中導(dǎo)致工件局部溫度較高，使得車頂連接梁焊縫附近型材局部受熱膨脹，同時(shí)，由于車頂連接梁型材為彎曲型材，每個(gè)工件的彎曲回彈不能保證完全一致，因此彎曲后的連接梁型材弧度是不同的，這就使得其與工裝無法密貼，因此型材受熱膨脹后變形，造成塌陷。

因此，在焊接過程中采用如圖4所示的焊接順序，焊接方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。在焊接完1和2后，自然冷卻工件，待工件溫度在100℃左右時(shí)，再焊接3和4。采用上述方法焊接后，再對焊后工件進(jìn)行檢測，得出下塌量基本控制在0.5 mm左右。

b.增大端墻板寬度尺寸。

圖4 焊接順序

圖2a中標(biāo)有尺寸b的一段是以端墻板機(jī)加工后的寬度尺寸為基準(zhǔn)，進(jìn)行端墻板和端角柱之間的裝配，端墻板機(jī)加工后最寬處的尺寸值a=2 846.8 mm，端墻整體焊接完成以后，其最寬處的尺寸為3 247～3 249 mm，靠近設(shè)計(jì)尺寸的下偏差，見圖2b，既端墻輪廓尺寸測量基點(diǎn)N也相對向端墻內(nèi)部偏移了。為將端墻輪廓尺寸的測量基點(diǎn)N向外移動(dòng)，故在端墻焊完后寬度尺寸不超標(biāo)的情況下，將端墻板局部加寬，如圖2a中端墻板標(biāo)有b的一段的兩側(cè)輪廓各加寬1 mm，即a值由2 846.8 mm改為2 848.8 mm，端墻板加寬后，端墻組焊完成后其最寬處尺寸一般為3 249～3 251 mm，在設(shè)計(jì)允許的尺寸公差范圍內(nèi)。通過加寬端墻板局部輪廓尺寸，可以使端墻輪廓尺寸測量基點(diǎn)N向端墻外部偏移。

通過以上兩種措施，能有效控制端墻輪廓尺寸的兩個(gè)測量基點(diǎn)向端墻內(nèi)部的偏移量。

（2）彎曲型材回彈導(dǎo)致端墻輪廓局部尺寸增大。

彎曲沖壓件在軌道車輛零部件中占有一定比例，因此部件的裝配及質(zhì)量都將受到彎曲工藝的影響。而回彈一直都是彎曲成形過程中常見又難以解決的缺陷問題，其存在使得沖壓件的精度很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)[3]。圖2b中的1號件、2號件和3號件都為彎曲型材。在端墻組裝過程中，圖2a中端墻板標(biāo)有尺寸c的部分是以內(nèi)彎梁（如圖5所示）的尺寸為基準(zhǔn)，通過修磨端墻板和內(nèi)彎梁的端部（端墻板和內(nèi)彎梁端部都有加工余量），進(jìn)行端墻板與內(nèi)彎梁之間的裝配。內(nèi)彎梁為彎曲型材，其口部的尺寸都接近設(shè)計(jì)尺寸的上偏差2 542 mm，見圖5b。內(nèi)彎梁口部的尺寸接近設(shè)計(jì)尺寸的上偏差時(shí)，圖2a中端墻板標(biāo)有c的一段的頂部水平部分的修磨量大，圓弧部分的修磨量則由內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸遞減，同時(shí)內(nèi)彎梁端部的修磨量較大；因此，端墻輪廓尺寸測量基點(diǎn)M相對向端墻內(nèi)部偏移，最終導(dǎo)致端墻的局部輪廓尺寸測量值偏大。同理，車頂連接梁（圖2b中1號件）彎曲部分的回彈導(dǎo)致其與側(cè)彎梁連接處的輪廓測量值偏大。但由于彎曲型材是外購件，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)則需要供應(yīng)商重新制造或修改模具，由此造成的生產(chǎn)成本太高，且生產(chǎn)周期也很長，耽誤生產(chǎn)進(jìn)度，故由此原因造成的端墻輪廓較大需通過工藝方法進(jìn)行改善。

圖5 內(nèi)彎梁

（3）調(diào)整焊接順序。

端墻是在翻轉(zhuǎn)工裝胎位上的卡具壓卡下焊接完成的。由于端墻的輪廓尺寸超差部分集中在側(cè)彎梁、側(cè)彎梁與車頂連接梁的連接部分。因此，通過反復(fù)試驗(yàn)，選擇出合適長度和位置的焊縫做為預(yù)留焊縫，如圖6所示，在端墻其他焊縫全部完成后將其移離工裝胎位，使工件處于自由狀態(tài)時(shí)再進(jìn)行焊接。采用此種方法的原因是鋁合金的結(jié)晶收縮率大[4]，工件處于自由狀態(tài)時(shí)焊接，可以自由收縮，使預(yù)留焊縫處的端墻輪廓向端墻內(nèi)部移動(dòng)量較大，減小此處端墻輪廓尺寸。此種方法既能保證端墻的輪廓尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，又能使焊縫自由收縮，減小焊接內(nèi)應(yīng)力[5]。

圖6 端墻預(yù)留焊縫

綜上所述，通過以上幾種方法的綜合運(yùn)用，最終通過優(yōu)化工藝保證了端墻的輪廓尺寸在設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)，得到了合格的產(chǎn)品，避免因返修導(dǎo)致的焊縫力學(xué)性能降低、人力、材料以及時(shí)間的浪費(fèi)，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)論

（1）引起端墻輪廓尺寸局部超差的原因有焊接過程中工件溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致測量基點(diǎn)下塌；端墻板寬度尺寸小，導(dǎo)致測量基點(diǎn)相對向端墻內(nèi)部偏移；彎曲型材回彈導(dǎo)致端墻輪廓尺寸局部增大；焊接順序不同引起焊后型材收縮量不同。

（2）通過控制焊接過程中工件的溫度，可以有效防止端墻輪廓尺寸的測量基點(diǎn)M下塌。

（3）通過加寬與端角柱連接部分的端墻板寬度可以使端墻輪廓尺寸測量基點(diǎn)N得到優(yōu)化。

（4）通過調(diào)整焊接順序，將端墻輪廓尺寸超差部分的焊縫作為預(yù)留焊縫，使其在自由狀態(tài)下焊接，增大焊縫收縮量的同時(shí)減小焊接內(nèi)應(yīng)力。

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[4]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：1086.

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