時速200 km城際動車組車體焊接變形機理及尺寸控制

王亞男

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

鋁合金車體因其質量輕、耐腐蝕、外觀平整度好和車體美觀而受到世界各城市交通公司和鐵道運輸部門的歡迎。鋁合金車體目前主要有兩種結構模式——閉式型材結構模式和板梁結構模式[1]，目前我國高速動車組車輛均采用閉式型材結構模式，這種模式主要采用弧焊焊接進行制造。因鋁合金的熱膨脹系數較大，在焊接過程中會出現變形，主要表現為縱向變形、橫向變形以及彎曲變形等[2]。國內外一直通過優化焊接工藝、調整焊接參數[3]、預制反變形等方法進行焊接變形的控制[4-7]。在此介紹時速200 km城際動車組的結構及車體焊接的變形機理及控制變形的工藝方法。

1 車體組成結構及關鍵尺寸

1.1 車體組成結構

時速200 km城際動車組車體框架由6系鋁合金型材拼焊而成，鋁合金車體（以下簡稱鋁車體）作為動車組列車的關鍵承載部件，是一個封閉的焊接結構。鋁車體由底架、側墻、車頂和端墻、空氣動力學前端、過渡連接板及各種車體附件拼焊而成，如圖1所示。

圖1 車體組成結構示意

1.2 車體組成關鍵尺寸

車體組成的關鍵尺寸為車體長度、撓度、車體寬度、高度和對角線差、門口高度。這些尺寸直接決定部件裝配尺寸、車體內部空間大小、車輛運行安全等，具體尺寸如表1所示。

表1 時速200 km城際動車組鋁車體組成關鍵尺寸

2 車體組成焊接變形機理

2.1 試驗方法

試驗材料如圖2所示，主要包括焊接完畢尺寸合格的底架組成、車頂組成、側墻組成、端墻組成、過渡連接板、空氣動學前端（頭車）。

圖2 試驗材料示意

2.2 試驗工裝

采用自行設計的車體組成組焊工裝，配套窗口下拉裝置及門口下拉裝置等，頭車與中間車可實現工裝快速切換，如圖3所示。

圖3 車體組成組焊工裝示意

2.3 試驗流程

工藝流程如圖4所示。將尺寸合格的底架組成落入工裝，組對側墻組成及車頂組成，順序為先側墻后車頂，隨后調整和校核車體斷面尺寸及門口尺寸，最后焊接車體框架。如圖5所示，車體框架的焊接采用先焊接車外后焊接車內的焊接順序。

圖4 車體組成焊接工藝流程

圖5 車體框架焊縫順序示意

2.4 試驗結果

通過試制首臺試驗車，得到車體組成的焊接變形機理為：焊接時，兩型材或板材的焊縫處加熱到熔化溫度，焊縫與母材會形成較大的溫度梯度，鋁合金膨脹系數較大，焊縫附件的高溫區要求伸長量較大而受阻，受到來自母材其他區域的壓應力，母材的其他區域因抵擋焊縫附件的伸長而受到拉應力，最終形成沿焊縫一側向內彎曲的變形機理，見圖6。

圖6 車體組成焊接變形機理示意

車體組成焊接過程中表現為：

（1）車頂與端墻，及側墻與端墻的焊縫在焊接過程中的長度方向收縮，焊接收縮量達到3～4 mm。收縮會使端墻沿車體長度方向向車體中心傾斜，車體長度尺寸減小，如圖7所示。

圖7 車體長度方向的焊接收縮示意

（2）車頂與側墻，側墻與底架的焊縫在焊接過程中焊縫會收縮，焊縫兩側墻板會向車外彎曲，整體斷面表現為車體高度下降、寬度增加、高度下降10～13 mm，寬度增加3～4 mm，如圖8所示。

圖8 車體斷面的焊接收縮示意

（3）車體組焊后車體兩端向上彎曲，與設計的理論撓度方向相反。兩端向上彎曲值達到2～5 mm。針對頭車空氣動力學前端整體向上翹曲5 mm，如圖9所示。

圖9 車體撓度的焊接變化示意

（4）車體組焊后門口高度下降，下降2～4 mm。

（5）車體內部均勻使用對角線支撐頂針和拉桿，焊前將對角線差值調整至3 mm以內，并點固，焊后對角線差值小于3 mm。

3 車體組成焊接變形及尺寸控制

3.1 車體長度尺寸控制

車體是由底架、側墻、車頂和端墻拼焊形成，長度取決于底架、側墻和車頂長度。試制結果顯示，車體長度在焊后呈縮小趨勢，需在焊前預留工藝放量，底架邊梁和地板加長6 mm，保證底架組焊完成后長度為+6 mm；考慮部件在長度方向上的制造公差，端部采用側墻與車頂均通過過渡連接板的結構與端墻相連，以保證在長度方向上消化掉部件的制造公差，端部過渡連接板采用增加研配量進行現車研配，如圖10所示，連接板單間增加10 mm放長量，組焊過程中打磨現車切割與焊縫坡口，保證車體長度尺寸。

圖10 過渡板工藝余量示意

3.2 車體高度與寬度尺寸控制

根據試制結果顯示的車體高度與寬度及對角線的差值的尺寸變化趨勢及范圍，需在組焊前預制反變形，并控制各大部件的單件尺寸公差等不同參數，以保證最終車體組成關鍵關鍵尺寸合格。為保證對角線差值小于3 mm，需在車內使用頂針和拉桿，如圖11所示，整車在長度方向上均勻分布7組。

車體焊后高度直接受到反變形支撐和側墻單件高度的影響，試制結果顯示，車體高度方向收縮量10～13 mm，故需在焊前進行高度方向上的向上支撐。如圖12所示，在支撐過程中發現在側墻單件的高度公差為0時，車體高度支撐量達到9 mm時出現地板塌陷，對車體高度的增加不再起作用，故要求對側墻單件的高度尺寸進行控制。

圖11 車體頂針支撐分布示意

圖12中，當側墻單件的高度達到4 mm時，車體高度放長量可達13 mm；當側墻單件高度5 mm時，車體高度放長量可達14 mm，故側墻單件的焊后高度應達到（+4，+6）mm方能滿足車體組成組焊后的高度要求。考慮側墻單件的焊接收縮，側墻單件的型材焊前組對公差應達到（+6，+10）mm，如圖13所示。

同時車體的高度還受到車頂高度的影響。在車頂寬度滿足尺寸要求的前提下，需要將車頂的弧度控制+2 mm，使車頂弧度向正上方拱起，以保證車頂的內高滿足最終車體合成的需求，如圖14所示。

圖12 側墻單件放長量與車體高度支撐量曲線

圖14 車頂單件公差示意

3.3 車體撓度尺寸控制

車體組成組焊后的最終撓度取決于車體組成的工裝夾具的預制撓度以及側墻部件的撓度，并受車頂部件的平整度影響。為保證車體組焊后整體撓度在（0，8）mm，需要在工裝預制 8、5、2、0、0 mm 的撓度分布，利用水準儀精確測量各支撐面的高度差值，并使用下拉裝置保證底架邊梁下面和定位支撐塊密貼，以保證預制的工裝撓度的作用。針對頭車，在空氣動力學前端部位，在焊前預制向下5 mm的反變形下拉，可有效防止焊后前端上翹，如圖15所示。

車體撓度控制不僅要控制底架下拉的撓度，還要控制側墻的撓度值，以保證在底架下拉狀態下，側墻和底架間裝配出均勻的間隙。若側墻撓度過小，則無法滿足底架與側墻的組對裝配需求及保證整車焊后撓度值。故需要保證側墻單件的撓度為8～10 mm，側墻單件組焊工裝上需預制撓度11 mm，如圖16所示，沿側墻長度方向y方向定位最中間點為11 mm，依次向側墻兩側遞減，與底架位置相對應，兩端部撓度為0。

圖15 車體組成工裝預制撓度示意

3.4 車體門口高度控制工藝

車體焊后的門口高度取決于側墻的高度和焊前門口的支撐高度。

根據前面所述，為保證焊后車體內高，需控制側墻單件的型材組對公差為（+6，+10），以保證側墻單件的焊后高度為（+4，+6），在此側墻高度下門口的高度通常為焊前（+4，+6），此高度下門口下角的門柱型材與底架的邊梁會形成理論為4～6 mm的間隙，間隙過大，會造成焊接熱輸入量過大，增加焊接收縮，焊后影響門口高度。故需預先將側墻的門柱型材在焊前增加5 mm工藝放長量，以保證側墻高度的正公差需求，如圖17所示。并在門口處焊前使用工裝進行支撐頂緊，以減少焊接收縮引起的門口高度降低，如圖18所示。

圖16 側墻單件工裝示意圖

圖17 門柱放長示意

4 結論

（1）鋁合金車體組成關鍵尺寸包括車體長度、車體寬度、車體高度、對角線差值、車體撓度、門口高度。

（2）車體長度焊后會收縮，控制方法為底架增加6 mm工藝余量，車頂與側墻通過過渡連接板與端墻連接，過渡連接板增加10 mm裝配余量，現車研配，可有效保證車體長度尺寸。

圖18 門口支撐示意

（3）車體高度焊后會下降，寬度增加，高度下降10～13 mm，寬度增加3～4 mm。車體高度取決于側墻高度與組對過程中的支撐高度，并受車頂內高影響，側墻型材組對公差（+6，+10）mm，側墻單件組焊后高度（+4，+6）mm，車頂弧度在+2 mm 時，車體焊后車體高度與寬度尺寸可有效保證。

（4）車體組焊后車體兩端會向上彎曲，與設計的理論撓度方向相反。兩端向上彎曲值達2～5 mm。針對頭車空氣動力學前端整體向上翹曲5 mm，車體撓度尺寸取決于工裝預制的撓度及側墻的撓度，并受到車頂平整度的影響，工裝撓度預制8 mm，5 mm，2 mm，0 mm，0 mm，側墻單件焊后撓度 8～10 mm，側墻組焊預制撓度11 mm時，可有效保證車體撓度尺寸。頭車在空氣動力學前端焊前預制向下5 mm的反變形，可有效保證前端尺寸。

（5）車體組焊后門口高度值下降，下降2～4 mm，門口高度尺寸取決于側墻型材組對公差與門柱型材的工藝余量，側墻型材組對公差側墻型材組對在（+6，+10）mm，側墻單件組焊后（+4，+6）mm，門柱工藝余量5mm時，并使用門口支撐，保證焊前門口高度（+4，+6）mm，可有效保證焊后車體門口高度尺寸。

參考文獻：

[1]王炎金.鋁合金車體焊接工藝[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]周萬盛.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]李占文，李樹立.焊接結構變形控制與矯正[M].北京：化學工業出版社，2008.

[4]劉志平，王金金，王立夫.CRH3鋁合金高速動車組焊接技術[J].金屬加工，2010（16）：10-14.

[5]章明明.預拉伸控制鋁合金焊接變形[J].材料開發與應用，2005（1）：36-38.

[6]張筑生.焊接變形的控制方法[J].現代制造技術與裝備，2007（2）：15-17.

[7]孟憲福.鋁合金工件的焊接變形及控制措施[J].鐵道機車車輛工人，2007（2）：5-8.