趙麗玲，葛少平，唐衡郴，桂洪利，于 巖

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

焊接過(guò)程中加熱和冷卻過(guò)程的不均勻會(huì)導(dǎo)致焊后殘余應(yīng)力和變形的產(chǎn)生，從而降低產(chǎn)品尺寸精度和穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響焊接結(jié)構(gòu)的制造和使用性能，焊接變形問(wèn)題至今仍是工業(yè)生產(chǎn)中亟需解決的重要課題之一[1-2]。隨著鐵路運(yùn)輸行業(yè)的飛快發(fā)展，輕量、高速已成為現(xiàn)代化鐵道車(chē)輛的重要標(biāo)志，鋁合金憑借其自身物理化學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于高速鐵路中[3]。然而鋁合金的線(xiàn)膨脹系數(shù)較高，導(dǎo)熱性良好，焊接過(guò)程中易產(chǎn)生焊接變形，影響整體的裝配精度，減少使用壽命，降低強(qiáng)度，因而優(yōu)化焊接變形十分必要[4]。

250 km標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組是目前主要的動(dòng)車(chē)組之一，端墻是車(chē)體的重要組成部件之一，承擔(dān)安裝風(fēng)擋、連接車(chē)輛的重要作用，風(fēng)擋安裝區(qū)有著較為嚴(yán)格的平面度要求。作為一個(gè)整體部件，風(fēng)擋安裝區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫較多，生產(chǎn)過(guò)程中需要工裝壓卡，外加拘束會(huì)影響加熱與冷卻過(guò)程中形成的非協(xié)調(diào)應(yīng)變，進(jìn)而影響焊接變形的大小及分布[5]，因此需要在生產(chǎn)的各個(gè)階段控制端墻整體焊接變形。

1 焊接變形的產(chǎn)生與控制

1.1 產(chǎn)生原因

鋁合金在焊接過(guò)程中，不均勻加熱使得焊縫及其附近的溫度很高，發(fā)生膨脹，隨著焊接的進(jìn)行，冷卻過(guò)程中焊縫產(chǎn)生不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力（縱向內(nèi)應(yīng)力和橫向內(nèi)應(yīng)力），膨脹收縮的不平衡導(dǎo)致焊后殘余應(yīng)力和應(yīng)變的存在，使焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各個(gè)方向的變形。從微觀(guān)組織分析，鋁合金內(nèi)部發(fā)生晶粒組織轉(zhuǎn)變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形[6]。例如對(duì)于端墻等構(gòu)件來(lái)說(shuō)，焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置、焊接結(jié)構(gòu)的裝配、焊接方向及順序、焊接方法、焊接工藝參數(shù)等因素是影響焊接變形較為重要的因素，也是可控因素。但是，各種影響焊接變形的因素并非獨(dú)立存在，這就要求在分析焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形時(shí)應(yīng)考慮各種影響因素，以便能夠制定出較為合理的控制方案[7]。

1.2 變形控制

控制焊接變形，可從設(shè)計(jì)和工藝兩大方面進(jìn)行考慮。構(gòu)件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證其設(shè)計(jì)合理性的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量和尺寸，對(duì)稱(chēng)布置焊縫，從而使焊接時(shí)產(chǎn)生均勻變形，防止彎曲變形。從工藝手段來(lái)講，具體焊接變形控制方法可分為焊前、隨焊和焊后變形控制。焊前控制方法主要包括反變形法、剛性固定法以及制定合理的裝焊順序等；隨焊控制法主要包括優(yōu)化焊接工裝、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，盡量減少焊接熱輸入、限制和縮小焊接受熱面積，如采用冷卻法、采用合理的焊接順序、采用新型焊接應(yīng)力低、焊接變形小的焊接方法等；焊后控制方法包括火焰調(diào)修方法、機(jī)械調(diào)修方法、熱冷綜合調(diào)修方法等[6-8]。

對(duì)于端墻的生產(chǎn)制造來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)圖紙已經(jīng)基本固定，只能從工藝方面控制焊接變形的不良影響。

2 端墻的焊接變形與控制

2.1 端墻的結(jié)構(gòu)

鋁合金車(chē)體主要由底架、車(chē)頂、側(cè)墻、端墻等大部件組焊而成，端墻主要由擠壓型材6005A和固溶熱處理強(qiáng)化高強(qiáng)度鋁合金6082（多為冷軋板材）拼焊而成，主要結(jié)構(gòu)包括端墻板組成、端角柱、中部彎梁、頂部彎梁、頂部側(cè)彎梁、蓋板以及風(fēng)擋安裝座等附件，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其結(jié)構(gòu)與CRH380系列動(dòng)車(chē)組的端墻不同，正裝為端墻平面一側(cè)，而非內(nèi)凹一側(cè)（CRH380端墻正裝為內(nèi)凹側(cè)），焊接變形的控制難度相對(duì)加大。其次，端墻的側(cè)彎梁為整體弧度形式，相較CRH380的側(cè)彎梁，外輪廓弧度的控制難度進(jìn)一步加大。

焊接接頭形式包括對(duì)接接頭、搭接接頭、角接頭。對(duì)接接頭主要是各大部件的拼接處，包括V型和Y型焊縫；搭接接頭、角接頭和主要是附件的焊接。

圖1 端墻結(jié)構(gòu)示意

2.2 端墻的生產(chǎn)工藝流程

端墻的生產(chǎn)主要由3道工序組成：首先焊接端墻板，端墻板由上、左、右墻板以及2個(gè)補(bǔ)強(qiáng)門(mén)角組焊而成，焊后進(jìn)行機(jī)加工，之后進(jìn)入第2道工序，加工好的端墻板與中部彎梁、頂部彎梁、頂部側(cè)彎梁、端角柱、蓋板進(jìn)行組焊，下胎調(diào)修后完成最后工序，焊接風(fēng)擋安裝座、補(bǔ)板、接地端子等附件。3道工序完成后進(jìn)行檢測(cè)調(diào)修，交驗(yàn)端墻，其工藝流程如圖2所示。

2.3 端墻焊接變形的影響

250標(biāo)動(dòng)項(xiàng)目端墻組成，設(shè)計(jì)圖紙要求內(nèi)風(fēng)擋安裝區(qū)域距門(mén)口400 mm范圍內(nèi)的平面度不超過(guò)1.5 mm，將外風(fēng)擋安裝座分為3個(gè)區(qū)域測(cè)量，每個(gè)區(qū)域內(nèi)安裝座平面度小于等于2.5 mm。在生產(chǎn)過(guò)程中，車(chē)頂連接梁與側(cè)彎梁有不同程度的焊接變形，導(dǎo)致下塌和上翹，端墻的焊后平面度超差，如圖3a所示，調(diào)修量較大，甚至有刨焊縫進(jìn)行返修的情況。此外，焊接變形也導(dǎo)致端墻外部輪廓度超差（端墻的輪廓度用檢測(cè)樣板進(jìn)行最終檢測(cè)，理論值為20±2 mm），如圖3b所示。焊接變形導(dǎo)致端墻的生產(chǎn)進(jìn)入“焊接—返修—調(diào)修—焊接”的不良循環(huán)，為加快生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量，需通過(guò)優(yōu)化工藝來(lái)消除焊接變形的不良影響。

圖2 端墻工藝流程

圖3 端墻焊接變形

2.4 端墻焊接變形控制

2.4.1 端墻組成工裝的優(yōu)化

端墻側(cè)彎梁、車(chē)頂連接梁、端角柱均為型材，裝配、點(diǎn)固時(shí)易出現(xiàn)錯(cuò)邊。鑒于此，原始工裝雖然在側(cè)彎梁的兩端安裝壓卡以調(diào)節(jié)焊前和焊中的錯(cuò)邊以及保證輪廓度，但不能保證側(cè)彎梁中部的錯(cuò)邊量。為此，在左右側(cè)彎梁中部位置增加1根絲杠，如圖4所示，絲杠高度方向與左右側(cè)彎梁厚度方向中心對(duì)齊，焊接時(shí)起到向內(nèi)頂緊作用。

圖4 增加側(cè)向壓卡

端墻組焊胎裝配左右側(cè)彎梁時(shí)，左右側(cè)彎梁下方由旋轉(zhuǎn)壓臂支撐，為配合與上表面壓臂對(duì)齊支撐，壓臂支撐座會(huì)跨過(guò)左右側(cè)彎梁與蓋板之間的8V焊縫，使得部分焊縫需在胎下補(bǔ)焊，減小支撐力。為此，將旋轉(zhuǎn)壓臂的長(zhǎng)度由250 mm縮短為150 mm，支撐座的直徑由80 mm減小為50 mm，如圖5所示，使壓臂的壓卡準(zhǔn)確且能夠提供足夠的支撐力。

圖5 壓臂改造

2.4.2 裝配工藝的優(yōu)化

按照?qǐng)D紙要求，依次裝配車(chē)頂連接梁、端角柱、左右側(cè)彎梁、左右蓋板，其中裝配間隙按照Y型焊縫無(wú)間隙、V型焊縫4 mm進(jìn)行裝配，具體要求如下。

（1）車(chē)頂連接梁裝配。

內(nèi)彎梁與端墻板在胎下焊接，胎上首先裝配車(chē)頂連接梁，由于內(nèi)彎梁是焊接件，不可避免會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形，再加上此處是兩型材的配裝，所以車(chē)頂連接梁在裝配時(shí)無(wú)法達(dá)到0錯(cuò)邊量。車(chē)頂連接梁裝配要點(diǎn)如圖6所示，裝配時(shí)車(chē)頂連接梁中部頂緊工裝絲杠（見(jiàn)圖6a），其錯(cuò)邊量不能大于1 mm；兩端頭（見(jiàn)圖6b）的錯(cuò)邊量不得大于2 mm。

圖6 車(chē)頂連接梁裝配要點(diǎn)

（2）端角柱裝配。

端角柱與端墻板連接處為正反面的8V焊縫，端角柱自帶墊板，配裝時(shí)為插接形式。端角柱裝配要點(diǎn)如圖7所示，由于連接處的型材均存在公差，在配裝時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)間隙較大的情況，有時(shí)可達(dá)2 mm，如圖7a所示。由于單件的尺寸無(wú)法更改，要保證焊后的平面度，規(guī)定以下要點(diǎn)：①點(diǎn)固前調(diào)整端角柱與側(cè)型材的間隙，使其分布在正反兩側(cè)的焊縫；②點(diǎn)固時(shí)，用撬棍支撐先將間隙較大的地方進(jìn)行點(diǎn)固，如圖7b所示，再將其余地方進(jìn)行點(diǎn)固；③若間隙較大，為控制端角柱與側(cè)彎梁接口處的平面度，部分點(diǎn)固長(zhǎng)度可適當(dāng)增加。

（3）左右側(cè)彎梁裝配。

側(cè)彎梁入胎裝配，使用優(yōu)化后的工裝絲杠頂緊側(cè)彎梁，要求側(cè)彎梁與車(chē)頂連接梁和端角柱接口處錯(cuò)邊量不超過(guò)2 mm，若出現(xiàn)超差情況進(jìn)行磨配。待蓋板裝配完成后，使用水平尺、塞尺整體測(cè)量端角柱、蓋板、側(cè)彎梁三者之間的平面度，此平面度需控制在1 mm范圍內(nèi)。

圖7 端角柱裝配要點(diǎn)

2.4.3 增加中間過(guò)程輪廓度檢測(cè)工裝

生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)工裝以及尺寸、平面度等的要求，往往為調(diào)整焊接、尺寸等因素而忽略了輪廓度，按照工藝流程，輪廓度的檢測(cè)在焊接完成下胎后，若出現(xiàn)超差情況無(wú)法挽回。為此，要使輪廓度在中間過(guò)程可控，根據(jù)輪廓度樣板制作了中間檢測(cè)輪廓度的小工裝，如圖8所示，根據(jù)其測(cè)量結(jié)果適當(dāng)調(diào)整胎上壓卡位置，在裝配、點(diǎn)固時(shí)將輪廓度調(diào)整到合格尺寸，保證焊后最終要求。

2.4.4 焊接順序優(yōu)化

為更好地保證端墻正裝風(fēng)擋區(qū)的平面度，調(diào)整焊接順序，整體思路為：先將正裝焊縫打底、填充焊接，再焊接反裝所有焊縫，最后進(jìn)行正裝焊縫的蓋面焊接（之前的正反裝焊接順序與此相反）。具體為：首先打底焊接正裝部分側(cè)彎梁與車(chē)頂連接梁5Y焊縫，然后打底、填充焊接端角柱處8V長(zhǎng)焊縫，再焊接剩余的8V短焊縫；翻轉(zhuǎn)工件，按照上述順序打底、填充、蓋面焊接反面對(duì)應(yīng)焊縫；再翻轉(zhuǎn)工件，蓋面焊接正裝焊縫。該焊接順序可最大程度地實(shí)現(xiàn)熱輸入量正反面均分的目的，再配合之前的工裝優(yōu)化和焊前精度控制，使得下胎后內(nèi)風(fēng)擋安裝區(qū)域平面度控制在1.5～1.7 mm，外風(fēng)擋安裝座各個(gè)區(qū)域平面度為2.5～2.8 mm，大幅度減少調(diào)修工作量。

圖8 中間過(guò)程輪廓度檢測(cè)工裝

3 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化工裝壓卡方式和位置，減少裝配過(guò)程中借助外力的頂緊工作；明確裝配控制重點(diǎn)和尺寸要求，使操作員工有據(jù)可查，減少詢(xún)問(wèn)和反復(fù)嘗試時(shí)間；優(yōu)化焊接順序，有效控制端墻的焊接變形，特別是風(fēng)擋安裝區(qū)的平面度和整體輪廓度得到穩(wěn)定的控制。此外，此次優(yōu)化未增加端墻生產(chǎn)過(guò)程中的工作量，簡(jiǎn)化工序，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)提升了產(chǎn)品質(zhì)量，減少調(diào)修工作量，獲得一線(xiàn)工人和領(lǐng)導(dǎo)的廣泛好評(píng)，解決了制約生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。

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