■ 李會，靳軍，郭繼祥，王廣英，孫壯波

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1. 概述

隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，軌道車輛部件設計結(jié)構(gòu)的合理性、產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制、生產(chǎn)效率等成為制造商關(guān)注的重點。焊接作為軌道車輛中普遍采用的一種連接方式——焊接結(jié)構(gòu)，其焊縫形式設計的合理性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)制造難度、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本，因此產(chǎn)品的焊縫形式設計已提升到一個新的高度，且其整體結(jié)構(gòu)設計在生產(chǎn)過程中也在逐漸得到完善。

某軌道車輛車體的端墻部件上需焊接一種附件（托板），其材質(zhì)為EN AW-5083-H111，150mm×50mm×20mm；端墻板型材的材質(zhì)為EN AW-6005A，厚度為8mm。托板與端墻板之間采用長度為50mm的兩段a3角焊縫連接（分段焊接），焊接方法采用熔化極惰性氣體保護焊（131MIG-t），如圖1所示。

根據(jù)EN 15085分段焊接長度標準，tmax≤10mm時，Lmin＞5tmax，但至少為30mm，tmax＞10mm時，Lmin＞3tmax，但至少為50mm，e≤3L，V≤0.5L，如圖2所示。

托板板厚t=20mm，故其分段焊接長度最少為50mm。端墻設計圖樣給出的托板分段焊接長度為50mm，與EN 15085分段焊接長度要求相符。

圖1 托板與端墻板之間焊縫形式

圖2 分段焊接長度

生產(chǎn)過程中，焊縫焊接后對焊縫起弧及收弧處進行打磨（如果起弧處無焊接缺陷，可不打磨），焊接接頭的打磨長度一般約為10mm（見圖3）；打磨接頭后對未焊接部分進行打膠（見圖4）。

2. 問題分析

圖3 打磨后

圖4 打膠后

一個端墻上焊接4個托板（兩側(cè)），一列車30個端墻，分段焊接之間的間距e太短，焊接與打膠兩道工序并存影響生產(chǎn)效率和增加成本，因此下文將對比分析分段焊接與滿焊對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本的影響。

（1）成本分析 根據(jù)經(jīng)驗可估算出一列車中的托板全部采用滿焊時，需消耗的焊絲和氣體：焊絲約為4800g，成本約為462元；消耗的保護氣體約為66L，成本約為858元，兩者總成本約為1320元。

一列車中托板全部采用分段焊接時，按實際焊接長度計算需消耗的焊絲和氣體：焊絲約為4160g，成本約為400元；消耗的保護氣體約為53.6L，成本約為743.6元；需要消耗的密封膠約為4294mL，成本約為798元；故分段焊接時兩者總成本約為1941.6元。

由此可見，采用滿焊比采用分段焊接消耗的成本略低。

（2）生產(chǎn)效率分析 采用分段焊接時，在只打磨收弧端的情況下，一列車（16輛）需多打磨480個接頭，浪費的時間至少8h；起弧端和收弧端都打磨的情況下，需多打磨960個接頭，浪費的時間至少為12h（起弧端一般打磨量少）。

打膠有6個工序，①表面處理：首先用棉布清除浮土、鋁屑等。②用205清洗劑清潔打膠位置的表面，晾10min。③粘貼美紋膠帶。④涂底漆，底漆晾干最少30min。⑤打膠，等待膠干大概40min。⑥最后去除美紋膠帶，最后對打膠部位進行平滑處理和表面后處理。按照工藝流程，打膠過程結(jié)束最少1.5h，這對于一列車增加的240個打膠位置來說，時間浪費的非常嚴重，生產(chǎn)效率受到很大影響。

由此可見，采用滿焊比采用分段焊接的生產(chǎn)效率得到極大提高。

3. 焊接質(zhì)量分析

結(jié)合焊接變形的模擬分析，可以得出采用滿焊和采用分段焊接的焊接變形基本一致。圖5～圖8分別為采用分段焊接和滿焊時的焊接變形和應力模擬分析結(jié)果。

由圖5可知，采用分段焊接時，焊接最大變形量為0.458mm，后焊的一側(cè)變形相對于首先焊接的一側(cè)變形大，具有上翹的變形趨勢。

由圖6可知，采用滿焊時，焊接最大變形量為0.719mm，后焊的一側(cè)變形相對于首先焊接的一側(cè)變形大，具有上翹的變形趨勢。

由圖7可知，采用分段焊接時，分段焊接之間的未焊接部分應力非常大，最大值達到217.8MPa。

由圖8可知，滿焊的應力集中最大值182.2MPa出現(xiàn)在板材邊緣的壓卡固定處，此處的應力集中是由于工具壓卡造成的，可以不予考慮，整段焊縫的最大應力值為118MPa，比分段焊接產(chǎn)生的應力集中降低近一半。

以上兩種焊接方法的焊接變形量相近，且總體變形量較小，不會影響工件使用性能；而分段焊接的焊縫間距之間產(chǎn)生的應力集中是滿焊時產(chǎn)生的應力集中的近一倍；因此從焊接變形，應力集中方面綜合考慮，采用滿焊比采用分段焊接要更合理。

通過整體分析以及操作驗證，得出滿焊相對于分段焊接具有以下優(yōu)點：滿焊時無需停頓，一個托板減少四個焊接接頭，焊縫質(zhì)量更好（焊縫起弧端和收弧端容易產(chǎn)生缺陷）；減少了焊工打磨焊接接頭的工時；減少一道打膠工序，使生產(chǎn)工序得到優(yōu)化；采用滿焊和采用分段焊接的焊接變形都很小，但滿焊時應力集中顯著降低，極大程度上提高了生產(chǎn)效率，整個生產(chǎn)過程中的成本略有降低，因此與設計結(jié)合后圖樣改為圖9的滿焊形式。

圖5 分段焊接時工件焊接變形

圖6 滿焊時工件焊接變形

圖7 分段焊接時工件焊接應力分布

圖8 滿焊時工件焊接應力分布

4. 結(jié)語

圖9 托板采用滿焊

軌道車輛車體上焊接附件眾多，且很多存在上述類似問題，故針對存在的分段焊接長度不合理問題，對鋁合金軌道車輛車體焊接設計過程中，提出以下建議。

當工件厚度tmax≤10mm，焊接長度L≤150mm時，不適合采用分段焊接。

當工件厚度tmax＞10mm，焊接長度L≤200mm時，不適合采用分段焊接。

以上建議既可簡化生產(chǎn)工序，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，又優(yōu)化了設計方案。