鋁合金車體大部件表面劃針劃線的可行性研究

摘要：通過試驗和理論分析，研究在鋁合金車體大部件型材表面采用不銹鋼劃針進(jìn)行其它附件定位劃線的可行性，并針對生產(chǎn)實際應(yīng)用，給出指導(dǎo)建議。

關(guān)鍵詞：鋁合金車體 大部件型材表面 劃針劃線 可行性

作者簡介：

在軌道車輛中，鋁合金車體由于重量輕、氣密性好、生產(chǎn)效率高（主體結(jié)構(gòu)適合自動焊）等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高速動車及城軌地鐵中。與碳鋼、不銹鋼車體相比，基于材料特性的巨大差異，其生產(chǎn)工藝也大不相同。在碳鋼和不銹鋼車體制造中，一些小的附件定位線，通常采用劃針進(jìn)行劃線。但對于鋁合金車體，國內(nèi)各生產(chǎn)廠家未有采用劃針進(jìn)行劃線應(yīng)用實例。在BST鋁合金車體制造初期，一直采用鉛筆或記號筆進(jìn)行畫線。由于鋁合金焊前，需對焊接區(qū)域進(jìn)行焊前清理（去除油污）和焊前打磨（去除氧化膜），導(dǎo)致打磨后，畫線也被打磨掉，需再次進(jìn)行畫線。為提高生產(chǎn)效率，本文著力研究在鋁合金車體大部件型材表面采用劃針進(jìn)行劃線的可行性，使其將兩次畫線變?yōu)橐淮蝿澗€。

1.劃針劃線是否能起到定位作用

1.1.試驗樣件介紹

2.劃線對產(chǎn)品機械性能影響分析

2.1. 對靜載荷影響

對劃針劃線試樣和未劃線試樣進(jìn)行彎曲、拉伸比較，試驗數(shù)據(jù)見表1，表2，由試驗數(shù)據(jù)可知，該劃線對材料靜載彎曲、拉伸幾乎無影響。

2.2. 劃針劃線對產(chǎn)品疲勞性能的影響

2.2.1. 材料表面劃痕對材料疲勞強度的影響

劃針劃線可看作工件表面劃痕損傷。材料表面劃痕長度、劃痕深度、劃痕方向及劃痕周圍加工硬化層狀態(tài)及殘留應(yīng)力等特征都會對材料疲勞強度產(chǎn)生影響。但劃痕長度和劃痕深度對疲勞的影響起決定性作用，尤其是劃痕長度對疲勞的影響更為嚴(yán)重。圖2是寬度B=20mm 的平面彎曲疲勞試樣中央部分表面上，與彎曲轉(zhuǎn)矩的方向成直角，深度d=0.3mm的人工劃痕（劃痕為60度或者75度的V型，末端的圓角約0.02mm），該劃痕長度l為試樣寬度的3/4 時，l/B 與表面系數(shù)Ck之間的關(guān)系。這種情況下的Ck為，各平面彎曲疲勞除以平滑試樣（表面為制出原樣）的疲勞強度的值。劃痕的長度與寬度之比l/B越大，Ck就越具有略微變小的趨勢，但可以看出，從0.1左右開始l/B幾乎是定量的。圖3是，表面劃痕的長度與寬度之比達(dá)到定量，即l/B=0.5時，創(chuàng)傷的深度與板厚度之比d/T對表面系數(shù)Ck產(chǎn)生的影響。d/T=0.005 左右之前，未對疲勞強度產(chǎn)生影響，而且，5083-O 合金板當(dāng)中，創(chuàng)傷的方向的影響也是幾乎沒有的。所有的情況下，若劃痕長度相對與試樣寬度的比極小時，根據(jù)圖5可知，其對疲勞強度產(chǎn)生的影響很小。[1]

2.2.2. 實際應(yīng)用工況及靜強度實驗分析

對于軌道車輛車身結(jié)構(gòu)在其運行壽命期間將承受極大量的不同程度的動態(tài)載荷，引起車輛疲勞的因素主要有：軌道激勵輪對導(dǎo)致車輛上下顛簸載荷；空氣動力載荷；牽引和制動引起列車速度變化載荷。BST-VHS鋁合金車體按照EN1266-1《鐵路應(yīng)用-鐵路車體結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，考核疲勞的關(guān)鍵部位有：設(shè)備連掛點，構(gòu)件間接頭（例如焊縫，螺栓連接接頭），及幾何形狀突變部位（入車門角部，窗口角部）[2]。車身結(jié)構(gòu)各大部件（側(cè)墻、車頂、端墻、底架）非焊縫區(qū)（除窗角、門角、枕梁外側(cè)牽引箱區(qū)域）均為車身結(jié)構(gòu)考核疲勞非關(guān)鍵部位。從引起疲勞的載荷種類判斷，對該區(qū)域疲勞產(chǎn)生影響的主要載荷為空氣動力載荷。結(jié)合BST委托北車四方所做的車體靜強度試驗報告知，在這些區(qū)域，疲勞工況安全系數(shù)≥7[3]。

2.2.3.試樣劃痕長度、深度對疲勞影響的評估

用表面劃痕深度寬度測量儀，對圖1試樣劃痕深度和寬度進(jìn)行了測量，測量結(jié)果見表3。對于打磨后劃痕深度≤0.03，根據(jù)車身結(jié)構(gòu)各大部件型材外殼厚度（車頂≥3mm，側(cè)墻=4mm，端墻=4mm，底架≥4mm）知，劃痕深度/母材板厚≤0.01。

由此可知，在大部件型材表面非焊接區(qū)，劃針劃線是安全的。

3.生產(chǎn)應(yīng)用中的指導(dǎo)

3.1.車體各大部件可采用劃針進(jìn)行劃線區(qū)域：

a、側(cè)墻非焊縫區(qū)（除窗角、門角） b、車頂非焊接區(qū) c、端墻非焊接區(qū) d、底架非焊接區(qū)（除枕梁外側(cè)牽引箱區(qū)域）

3.2.劃線用劃針：必須采用不銹鋼材質(zhì)，且劃針針端頭為“球型”，見圖4

3.3.劃線方式

通過上述分析，劃痕長度占工件寬度的比例對疲勞的影響起關(guān)鍵作用。該比例越小，劃

痕對工件疲勞強度的影響越小。在實際生產(chǎn)中，對于連續(xù)短焊縫，可采用圖5劃線方式，對于斷續(xù)長焊縫或連續(xù)長焊縫，建議采用圖6劃線方式。另外建議劃針劃線離工件邊緣在0～1mm范圍內(nèi)，這樣即可保證定位的精度，又可保證劃痕能被焊縫融覆，從而降低劃痕對材料疲勞性能的影響。

4.結(jié)論

4.1.BST鋁合金車體附件定位可采用劃針劃線，但要避開車體考核疲勞的關(guān)鍵部位（如牽枕區(qū)域、構(gòu)件間連接點、窗口門口等）；

4.2.在能起到定位作用的前提下，劃線要盡量短且能被焊縫所融覆；

4.3.采用不銹鋼材質(zhì)“球”型端頭劃針；

5.結(jié)束語

本文是基于BST生產(chǎn)的VHS車體進(jìn)行的分析，供讀者參考。對于其它公司生產(chǎn)車型，可根據(jù)該分析方法，結(jié)合自己產(chǎn)品性能，確認(rèn)是否可采用劃針劃線方式進(jìn)行定位劃線，以及哪些區(qū)域可采用劃針劃線。另外還可參照判斷，材料表面有劃傷時，根據(jù)劃傷的長度、深度，結(jié)合產(chǎn)品部位性能，判斷劃痕是否可接受。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《鋁焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計疲勞》第2.5.3條內(nèi)容（作者：竹內(nèi)勝治），

[2] 《BS EN12663：2000 鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》

[3] 《中國高速列車車體靜強度試驗報告 CRH380D BST 798項目》