喻紅梅 鐘月紅 劉海瓊 王焱盛 魏燕紅 陸艷紅 張小山

摘要：車身焊接工藝及裝備水平影響客車整體質(zhì)量和生產(chǎn)效率，其中骨架制造過程中，焊接方法、焊接順序、焊胎設(shè)計的選擇是保證焊接質(zhì)量的主要措施。結(jié)合國內(nèi)大型客車車身焊裝技術(shù)裝備現(xiàn)況，典型的客車頂蓋骨架，由5大片或6大片組成，客車頂蓋的骨架材料逐漸采用低合金高強高，以及鋁合金材料。為了解決應(yīng)力和變形問題，焊接方法廣泛采用低飛濺、高效的MAG焊以及脈沖焊。在焊接工藝裝備方面逐步發(fā)展為通用化、模塊化、柔性化。初步探析客車車身焊裝技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：客車;骨架;焊接技術(shù);工藝裝備

中圖分類號：TG441文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2020）04-0013-04

A Summary of Current Status of Welding Technology for the

Roof Frame of Domestic Passenger Cars

YU Hongmei1， ZHONG Yuehong2，LIU Haiqiong1，WANG Yansheng2，

WEI Yanhong1， LU Yanhong1， ZHANG Xiaoshan1

（1. School of Materials and Environmental Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China;

2. Chengdu Bus Co. Ltd.， Chengdu 611730， China）

Abstract： Body welding technology and equipment level affect the overall quality and production efficiency of passenger cars. Inthe frame manufacturing process， the selection of welding method， welding sequence and welding tire design are the main measures to ensure welding quality. By analyzing the current status of welding technology and equipment for domestic large passenger car bodies， it can be seen that a typical passenger car roof frame is composed of 5 large pieces or 6 large pieces， and the frame material generally uses low-alloy and high-strength materials and aluminum alloy materials. In order to solve the problem of stress and deformation， low-spatter， high-efficiency MAG welding and pulse welding are widely used in welding methods. The welding process equipment has gradually developed into generalization， modularization and flexibility.Finally， the development trend of welding technology and equipment for passenger car body was analyzed.

Keywords：

bus; body; welding technology; craft equipment

我國的客車制造技術(shù)與國外還有相當大的差距。國外的知名客車企業(yè)，如德國的奔馳、曼·凱斯鮑爾、尼奧普蘭、法國的雷諾、意大利的依維柯、瑞典的沃爾沃和斯堪尼亞等企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，基本已經(jīng)達到全電子化[1-2]，而我國的大部分客車企業(yè)仍然是機械式的管理系統(tǒng)，自動化水平都不是很高?？蛙囆袠I(yè)小批量、多樣化的特點，使得客車車身骨架在制造過程中，尤其是頂蓋骨架工序復雜，工裝多、雜、亂，不僅占用場地，而且存在維護管理困難、利用率低、成本高、精度低等問題[3-5]。本文比較了目前國內(nèi)客車骨架結(jié)構(gòu)類型、裝配制造的焊接工藝及裝備現(xiàn)狀，并總結(jié)了目前頂蓋骨架工胎夾具等柔性化、通用化、模塊化等方面的發(fā)展趨勢。

1 客車頂蓋骨架結(jié)構(gòu)分析

1.1 客車頂蓋骨架結(jié)構(gòu)分析

客車骨架主要承載車身負荷，且用于連接車身覆蓋件及各種車身附件?？蛙囓圀w結(jié)構(gòu)分為全承載式、半承載式及非承載式3種類型。客車骨架生產(chǎn)制作中必須保證客車骨架的強度、關(guān)鍵位置的尺寸和形狀精度?？蛙嚬羌苁且话銥橛尚筒木匦武摴芙M成的整體框架，常見的由5大片或6大片部分組合而成。5大片包括前/后圍、頂蓋、左/右側(cè)圍。6大片包括前/后圍、頂蓋、左/右側(cè)圍和底架。頂蓋骨架由頂橫梁和短縱梁形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，矩形管拼焊而成，一般長7～11 m。清潔能源、新能源客車以及低入口城市客車的推廣，使得頂蓋骨架除了布置有空調(diào)、天窗外，還布置有天然氣瓶組、燃料電池車型的氫氣瓶組、動力電池組等，極大地增加了頂蓋骨架的結(jié)構(gòu)復雜度，骨架結(jié)構(gòu)三維如圖1所示。

1.2 客車頂蓋骨架的材料

國內(nèi)客車的選材包括無鍍層的低合金結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、不銹鋼，低合金結(jié)構(gòu)鋼骨架客車一般選用1.5～2.5 mm厚的Q235作為骨架的主要材料，選用Q195作為預埋件鋼板，Q345作為縱梁、STE700TM底部縱桿和長棚桿，因為其強度高且各方面條件都比較適合。其主要的力學性能和用途如表1所示。

隨著輕量化技術(shù)在客車上應(yīng)用的推廣，鋁合金由于具有耐腐蝕性好，平整度好等優(yōu)點，客車車身骨架材料應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)公司參考國外相關(guān)技術(shù)工作及實驗研究，現(xiàn)已能逐步開發(fā)出鋁合金車身的公交車。2008年宇通公司與國外公司共同開發(fā)研究的一款新能源客車，因整車采用減重鋁合金材料是整車質(zhì)量減輕1.4t，拉開了國內(nèi)鋁合金客車生產(chǎn)制造的序幕。由于全鋁合金客車優(yōu)秀的節(jié)能性能，國內(nèi)的東風、申通客車、蜀都客車等客車制造企業(yè)都逐步對其開展了創(chuàng)新研究探索[6-8]。2015年起，逐步形成了客車鋁合金骨架的完整產(chǎn)業(yè)鏈，如中旺、奧杰、愛普等均是優(yōu)秀的鋁合金型材及客車骨架零部件的供應(yīng)商。鋁合金骨架一般為特定斷面的鋁合金擠壓型材，材料基本都采用形變鋁合金6061-T6，其材料性能如表2所示。不銹鋼具有較好的焊接性、撞擊性、耐腐蝕性，國內(nèi)某企業(yè)已開發(fā)制造了不銹鋼全承載式車身結(jié)構(gòu)，主要材料為SUS 301L、SUS 304。[9]

2 客車頂蓋骨架的焊接工藝現(xiàn)狀

2.1 客車頂蓋骨架焊接工藝特點

客車頂蓋骨架焊縫接頭主要是T形接頭，焊縫由對接和角接兩種形式，整體結(jié)構(gòu)以YO線對稱，焊縫多，且分布不均勻，頂蓋中后部因布置氣瓶組、動力電池組及其外飾罩，使得這些位置焊縫比較集中。焊接過程中，熱源的不均勻加熱，在焊接熱循環(huán)的作用下，整體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的殘余變形和內(nèi)應(yīng)力，導致了焊接收縮的累積效應(yīng)，頂蓋焊接完成后，總長收縮量可以達到6～18 mm不等[10-11]，不均勻的收縮導致焊后出現(xiàn)較大的彎曲變形，如圖2所示。

2.2 客車頂蓋骨架焊接工藝現(xiàn)狀

2.2.1焊接方法的選擇

1）低飛濺、高效的MAG焊逐步推廣

客車頂蓋骨架可用的焊接方法眾多，其中應(yīng)用較多的為焊條電弧焊、CO2焊和熔化極MAG（80%Ar+20% CO2）焊3種，如表3所示。MAG焊熔滴過渡穩(wěn)定，主要以射滴和射流過渡為主，過渡頻率達到100～200次/s，焊接飛濺小、其最大飛濺顆粒直徑小于CO2焊，并且焊縫成形美觀，熔敷效率高，但其成本相對較高。常見頂蓋骨架MAG焊焊接工藝參數(shù)如表4所示。

2）脈沖MIG焊提升焊接質(zhì)量

鋁合金和不銹鋼頂蓋骨架主要采用鉚接、螺栓連接及焊接的混合模式，焊接方法主要是TIG、MIG焊。鋁合金焊接技術(shù)難度比碳鋼大，焊后強度損失大，變形大。全數(shù)字IGBT逆變控制直流脈沖MIG焊，可有效控制熱輸入，改善接頭性能，有利于消除氣孔、裂紋等問題，保證鋁合金、不銹鋼骨架的焊接質(zhì)量。

2.2.2 焊接應(yīng)力及變形研究現(xiàn)狀

焊接變形是客車頂蓋骨架制造過程中常見的一個問題。目前國內(nèi)外學者、工程技術(shù)人員針對焊接過程中產(chǎn)生的焊接變形及焊接殘余應(yīng)力做了大量研究。Salerno等[12]對厚板焊接殘余應(yīng)力進行了數(shù)值和實驗研究，可以預測殘余應(yīng)力的大小和位置、延長壽命。許慶華等[13]探討了不同客車骨架焊接方法及其對客車性能的影響。那景新等[14-17]結(jié)合有限元分析軟件，研究了焊接工藝對客車骨架T形接頭強度的影響、焊角形狀及尺寸參數(shù)對客車接頭強度的影響、焊縫間距與桿件壁厚匹配特性研究并對客車骨架接頭焊縫焊接順序進行了優(yōu)化。通過制定合理的焊接工藝，可以有效地降低了焊接接頭應(yīng)力值，減少了焊接變形。劉凱[18]針對當前車身骨架焊接技術(shù)存在的不足之處，提出了改善車身骨架整體焊接質(zhì)量的措施，包括從原材料加工、裝配順序等方面，嚴格控制每一個環(huán)節(jié)，保證加工質(zhì)量。雷其會等[19-20]研究了焊接電流、電弧電壓及焊接速度對全承載式客車骨架中T形接頭焊接變形的影響，并對全承載式客車骨架焊接中的T型接頭建模和數(shù)值模擬，為焊接電流、電弧電壓等工藝參數(shù)的選擇提供參考。

3 客車頂蓋骨架焊接工藝裝備現(xiàn)狀及趨勢

與小轎車的大批量生產(chǎn)方式相比較，客車生產(chǎn)是勞動比較密集的產(chǎn)業(yè)，人工作業(yè)量很大，而且客車市場競爭激烈性，車型變化快，有旅游客車、公交系列客車、加長型城市快速公交客車等。傳統(tǒng)的頂蓋骨架胎夾具如圖3所示，主要由定位塊組成，對焊接變形比較大的位置進行剛性約束，這種骨架工裝制作量大，成本高，靈活性小。目前，國內(nèi)大型客車廠的焊接胎夾具向模塊化、通用化發(fā)展。

石成義等[21-22]根據(jù)產(chǎn)品的共性，對傳統(tǒng)的合裝胎進行改進，通過模塊化設(shè)計，實現(xiàn)合裝工裝兼容多系列多品種車型，構(gòu)建了通用化模板，減少客車骨架工裝種類及數(shù)量，提高工裝設(shè)計質(zhì)量及效率，縮短客車骨架工裝制作周期，減少工裝投入，降低了生產(chǎn)成本。崔勇等[23]提出頂蓋低位作業(yè)的焊裝胎夾具，避免了工人操作不方便、工作負荷大、存在安全隱患的問題。尹會華等[24]設(shè)計了新型的滑動機構(gòu)和曲線設(shè)計頂蓋縱向，橫向和流線形的外觀造型的通用工裝，通過對滑槽內(nèi)螺栓的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)工件長度、寬度和高度3個方向的調(diào)整，通用性好，基本能目前客車頂蓋的所有結(jié)構(gòu)。顧揚等[25]從骨架焊胎的設(shè)計理念進行了改進，提出應(yīng)該先完成了對單片骨架的應(yīng)力分析和工藝設(shè)計后，才進入焊胎實質(zhì)性設(shè)計階段。其中，最重要的工作是定位點的設(shè)計，他認為彈性約束定位和無約束定位應(yīng)成為定位塊的主體。

鋁合金骨架制作與低合金鋼骨架不同，要求精度高，完成后不可進行敲擊校正，骨架工裝還在探索中[26-29]。

4 結(jié)語

目前客車頂蓋骨架的焊接方法逐漸向先進的低飛濺、高效率的MAG焊方向發(fā)展，目前幾乎稍大的客車企業(yè)均采取的是集中供氣，氣體主要是80% Ar+20% CO2或者75% Ar+25% CO2。隨著鋁合金材料的應(yīng)用，脈沖MIG焊可以減小鋁合金焊縫中的氣孔、裂紋等問題。從焊角形狀、焊接間距、焊接工藝參數(shù)等設(shè)計，結(jié)合有限元數(shù)值模擬等技術(shù)，優(yōu)化焊接工藝，降低頂蓋焊接殘余應(yīng)力，減小頂蓋骨架焊接變形量大的問題。通過設(shè)計通用型焊接胎夾具，焊裝夾具逐漸向高精度、模塊化、可變位方向發(fā)展。通過改善焊接方法、焊接工藝、焊裝夾具設(shè)計等措施，國內(nèi)客車企業(yè)的頂蓋骨架制造技術(shù)正在縮短與國外先進客車制造企業(yè)的差距。

參考文獻：

[1]汪衛(wèi)東.國外客車技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].上海汽車，2004（8）：31-33.

[2]田野.王?。汉苓z憾我國客車與國外差了一代[J].商用汽車新聞，2016（35）：5.

[3]尹會華.客車頂蓋骨架焊接工裝通用化設(shè)計[J].機械工程師，2012（6）：204-205.

[4]劉成虎，李飛鵬，余慶杰，等.形變鋁合金在客車車身上的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料，2012（10）：39-41，46.

[5]宋珍，吳子亮.客車骨架焊接工藝合理性分析[C]//河南省汽車工程學會首屆科研學術(shù)研討會論文集，2004：93-94.

[6]王保清.鋁合金骨架制作工藝及應(yīng)用淺析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2017，52（4）：92-94.

[7]尹慶方，劉義考.鋁合金客車車身的焊接加工技術(shù)探析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（8）：122-123.

[8]郝守海.鋁合金客車垂直型骨架連接接頭優(yōu)化設(shè)計[J].客車技術(shù)與研究，2015，37（3）：14-17.

[9]孫蘇華，張利.全承載不銹鋼客車車身制造工藝[J]. 安徽科技，2010（4）：43-44.

[10]劉鵬，李道斌.大型客車焊裝技術(shù)裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].焊接技術(shù)，2014，43（9）：1-4.

[11]劉燕飛，梁楷.提高客車骨架CO2焊接質(zhì)量的工藝技術(shù)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2007（18）：91.

[12]SALERNO G， BENNETT C， SUN W， et al. On the interaction between welding residual stresses： a numerical and experimental investigation[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2018：S0020740317333441.

[13]許慶華，代瑞環(huán).客車焊接方法的探討[J].重型汽車，2012（6）：32-33.

[14]那景新，慕文龍，袁正，等.焊接工藝對客車骨架T形接頭強度的影響[J].中國公路學報，2018，31（1）：137-142.

[15]那景新，袁正，崔文波，等.一種客車骨架接頭焊縫焊接順序優(yōu)化方法[J].汽車工程，2016，38（9）：1158-1162.

[16]那景新，袁正，高劍峰.焊角形狀及尺寸參數(shù)對客車接頭強度的影響[J].中國公路學報，2015，28（10）：129-134.

[17]安洪蔚.客車骨架接頭的焊縫間距與桿件壁厚匹配特性研究[D].長春：吉林大學，2009.

[18]劉凱.客車車身六大片骨架的焊接結(jié)構(gòu)及工藝探討[J].汽車實用技術(shù)，2013（12）：104-106.

[19]雷其會，陳柯鑫，劉孝艷，等.全承載式客車骨架典型焊接接頭應(yīng)力變形分析[J].客車技術(shù)與研究，2016（1）：7-10.

[20]雷其會.全承載客車骨架焊接工藝優(yōu)化設(shè)計[D].濟南：山東大學，2014.

[21]石成義. 基于客車生產(chǎn)需求的骨架工裝應(yīng)用研究[D].西安：長安大學，2017.

[22]石成義，劉恒，丁學全，等.客車訂單式生產(chǎn)模式下的骨架工裝體系建立[J].客車技術(shù)與研究，2016，38（2）：43-45.

[23]崔勇，陳引生，于虹.客車車身焊接工藝及焊裝質(zhì)量的控制措施[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（11）：96-97.

[24]尹會華.客車頂蓋骨架焊接工裝通用化設(shè)計[J].機械工程師，2012（6）：204-205.

[25]顧揚，王晨陽，郝建勇.客車骨架焊接質(zhì)量與焊胎設(shè)計的因果關(guān)系[J].焊接技術(shù)，2000（2）：17-18.

[26]郝守海，徐茂林，胡蓉. 全鋁客車連接接頭優(yōu)化設(shè)計[J]. 汽車科技，2015（4）：65-69.

[27]王華武，郝守海，徐茂林，等. 焊接式全鋁客車車身設(shè)計開發(fā)[J].汽車科技，2015（5）：35-40.

[28]柴冬梅，張偉，侯曉婷，等. 某大型全鋁全承載城市客車車體骨架設(shè)計開發(fā)[J]. 汽車技術(shù)，2017（9）：48-52.

[29]張怡，蘭鳳崇，陳吉清，等. 鋁合金車身骨架結(jié)構(gòu)T型接頭匹配強度分析[J]. 汽車技術(shù)，2009（7）：47-50.