板梁結(jié)構(gòu)鋁合金端墻焊接變形研究

葛少平，趙麗玲，王陸釗，趙嵩巖，張忠海

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市人口迅速增長(zhǎng)，城市的交通壓力也隨之增加，軌道交通因其高效性、便捷性、可達(dá)性成為緩解交通壓力的首選方案。高速、輕量化是軌道交通裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]，鋁合金密度小、比強(qiáng)度高、力學(xué)性能和工藝特性好，廣泛應(yīng)用于中強(qiáng)鋁合金在軌道車輛鋁合金車體生產(chǎn)中[2]。

鋁合金車體由底架、側(cè)墻、車頂和端墻四部分組成，其中底架、側(cè)墻、車頂由長(zhǎng)大中空鋁型材組焊而成，端墻則采用板梁結(jié)構(gòu)。焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)制造過程中最常見的問題之一，鋁合金的線膨脹系數(shù)越大，其結(jié)構(gòu)焊接變形控制難度也隨之增大[3]，部件焊接過程中針對(duì)其變形特點(diǎn)采取相應(yīng)的工藝措施，能最大程度上減少焊接變形、保證部件的質(zhì)量[4]。

1 端墻結(jié)構(gòu)

端墻為板梁結(jié)構(gòu)，由端墻板、上橫梁、門立柱、補(bǔ)強(qiáng)梁四部分組成，如圖1所示。端墻的設(shè)計(jì)將所有焊縫集中在同一側(cè)，這導(dǎo)致焊接變形在同一方向，無法抵消。為減小熱輸入，角焊縫均設(shè)計(jì)為段焊，起弧、收弧的位置較多，端墻組成的連接焊縫多為V型焊縫和角焊縫，在端墻組成的焊接過程中會(huì)有不同程度的焊接變形，無法保證角焊縫的焊前間隙。在這種情況下，角焊縫的起弧、收弧位置出現(xiàn)焊接缺陷的概率增大，焊接缺陷需返修處理，返修產(chǎn)生的收縮變形會(huì)對(duì)端墻平面度產(chǎn)生不利影響。因此，平面度的控制是端墻組成的工藝難點(diǎn)，選擇合理的組焊順序、良好的裝配質(zhì)量、預(yù)制適量的反變形、合理的焊接順序是控制端墻焊接變形的關(guān)鍵。

2 端墻組成工藝

端墻采用先分塊、后整體組焊工藝，工藝流程如圖2所示，將端墻組成的焊接變形分散到各個(gè)小模塊上，由于單個(gè)模塊的焊接變形相對(duì)單一，焊后調(diào)修難度較小，可通過常規(guī)調(diào)修手段進(jìn)行矯正。同時(shí)避免了小模塊之間的相互約束導(dǎo)致端墻組成內(nèi)部焊接應(yīng)力過大，影響端墻的整體剛度。

圖1 端墻結(jié)構(gòu)

圖2 端墻工藝流程

2.1 端墻板組焊

端墻板由上端墻板和左右端墻板組焊而成，如圖3所示。端墻板正反兩面的焊縫均為V型焊縫，端墻板組焊時(shí)采用正面焊接反面清根，端墻板正反兩面進(jìn)行焊接，能有效抵消焊接變形，組焊時(shí)不需要預(yù)制反變形，對(duì)焊縫周邊區(qū)域進(jìn)行剛性的壓卡固定即可。裝配左右端墻板時(shí)，門口尺寸應(yīng)大于圖紙要求尺寸4～5 mm，以避免焊接收縮導(dǎo)致端門口尺寸小于圖紙要求尺寸，影響后續(xù)端墻組成的裝配。

為抵消端墻板組成正反兩面的焊接變形，端墻板組成兩側(cè)的焊接熱輸入應(yīng)相當(dāng)，端墻板組成的焊縫形式為正面7V、反面3V，端墻板正面焊縫完成后，反面需清根PT檢測(cè)后再焊接，反面要保證焊透而不焊穿。若反面未焊透或焊穿，反面焊縫清根過深或焊縫間隙大均會(huì)增加反面焊縫的填充量，焊接熱輸入增加，焊接收縮產(chǎn)生的焊接變形也隨之增加。為保證端墻板清根焊縫的焊接質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制端墻板裝配質(zhì)量，V型焊縫坡口角度嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求的70°加工、正面7V焊縫根部間隙0.5～1mm、鈍邊1 mm，以保證正面7V焊縫打底層焊透而不焊穿，反面焊縫的熱輸入量與正面焊縫相當(dāng)，有效控制端墻板組成的焊接變形。良好的裝配質(zhì)量、合理的焊接參數(shù)是端墻板組成生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的部分。

圖3 端墻板組焊

2.2 門框組焊

門框由橫梁、左右立柱組焊而成。橫梁與左右立柱型材的壁厚較大、剛性大，焊接門框時(shí)在組焊平臺(tái)上剛性固定即可，無需預(yù)制反變形，裝配定位后進(jìn)行點(diǎn)固，兩側(cè)對(duì)稱焊接。

2.3 端墻板與補(bǔ)強(qiáng)梁組焊

端墻板和門框單件組焊完成后，根據(jù)圖紙要求樣裝門框與端墻板，以確定端墻板補(bǔ)強(qiáng)梁的安裝位置，補(bǔ)強(qiáng)梁點(diǎn)固后撤掉門框，焊接補(bǔ)強(qiáng)梁，端墻板補(bǔ)強(qiáng)梁的焊接需剛性固定，預(yù)制一定的反變形，如圖4所示，采用對(duì)稱施焊方法。

圖4 端墻板補(bǔ)強(qiáng)梁組焊

所有的橫梁均分布在端墻板的一側(cè)，焊前應(yīng)對(duì)端墻板做相應(yīng)的反變形來抵消由于單面焊接帶來的變形。通過實(shí)際生產(chǎn)中的總結(jié)，最終確定將反變形的支撐放在端墻板門口處最后一根橫梁以及端墻板的拼接焊縫處，反變形的支撐高度為100 mm。焊接完成后需恢復(fù)至室溫時(shí)才能撤掉反變形。

在端墻組成過程中，先焊接補(bǔ)強(qiáng)梁后組焊門框與端墻板是最關(guān)鍵的一步。門框組焊前，焊縫可自由收縮，釋放焊接應(yīng)力，提高端墻板剛度；焊接補(bǔ)強(qiáng)梁時(shí)通過預(yù)制反變形和調(diào)整焊接順序有效地防止角變形和波浪變形，降低調(diào)修難度，減少調(diào)修工作量。

2.4 端墻板與門框組焊

補(bǔ)強(qiáng)梁焊接完成后，將調(diào)修合格后的端墻板與門框進(jìn)行組焊，該過程要注意保證端墻板與門框之間角焊縫的焊前間隙，保證焊接質(zhì)量及焊后的門口尺寸，裝配時(shí)應(yīng)在門口處增加橫支撐，如圖5所示，將門口調(diào)到合適尺寸后壓緊壓卡進(jìn)行焊接。

圖5 端墻板與門框組焊

為了更好地保證角焊縫的焊前間隙滿足要求，避免因焊前間隙大導(dǎo)致角焊縫起、收弧位置產(chǎn)生焊接缺陷，需選擇合理的焊接順序。首先在胎下焊接補(bǔ)強(qiáng)梁與門框連接的橫向角焊縫，門框與端墻板的部分焊縫，如圖6所示，胎上焊接剩余門框與墻板角焊縫以及補(bǔ)強(qiáng)梁與門框的立焊。

圖6 胎下焊接橫焊縫

在端墻組成胎內(nèi)預(yù)制反變形后，焊接端墻板與門框的剩余焊縫、門框與補(bǔ)強(qiáng)梁連接的里面焊縫，預(yù)制反變形能有效地控制焊接變形。反變形是通過工裝的臺(tái)階落差對(duì)端墻進(jìn)行剛性固定產(chǎn)生的，如圖7所示，通過工裝壓卡剛性固定并預(yù)制適當(dāng)?shù)姆醋冃危苡行У乜刂坪附幼冃巍?/p>

按上述工藝方案生產(chǎn)的端墻整體結(jié)構(gòu)尺寸符合圖紙要求，端墻組成采用先分件焊接，后整體組焊的工藝方法，使得各階段的焊接變形均在可調(diào)控范圍內(nèi)，有利于在單件組焊過程中控制焊接變形，單件組焊完成后焊接變形較小，便于調(diào)修矯正。

圖7 胎內(nèi)預(yù)制反變形

如果采用先組焊端墻板、門框，再組焊端墻板與門框，最后焊接端墻補(bǔ)強(qiáng)梁的焊接順序，由于門框組成的剛度過大，無法通過工藝手段施加反變形，在焊接補(bǔ)強(qiáng)梁時(shí)，焊縫均分布在端墻板一側(cè)，焊接收縮會(huì)導(dǎo)致端墻組成產(chǎn)生角變形和波浪變形，且焊縫的自由收縮會(huì)受到約束限制，端墻組成工件內(nèi)易存在較大的殘余應(yīng)力，影響端墻組成的整體剛度[5]，最終導(dǎo)致端墻組成焊接變形大、調(diào)修難度增加，變形嚴(yán)重時(shí)端墻的平面度無法通過調(diào)修手段矯正到圖紙要求范圍內(nèi)，直接影響后道工序的裝配和焊接。因此，合理的裝配組焊順序、焊接方法以及良好的裝配質(zhì)量是焊接結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的部分。

3 結(jié)論

（1）端墻采用先分塊、后整體的組焊工藝。

（2）端墻板與補(bǔ)強(qiáng)梁?jiǎn)蚊婧附訒r(shí)應(yīng)預(yù)制反變形量，能夠有效地防止角變形和波浪變形，降低調(diào)修難度，減少調(diào)修工作量，這是控制板梁結(jié)構(gòu)端墻焊接變形最重要的手段。

（3）端墻板與門框焊接時(shí)要合理地安排支撐與壓卡位置，保證焊接質(zhì)量的同時(shí)防止局部變形。

（4）胎上組合結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，嚴(yán)格控制焊接順序以及壓臂的張合，同時(shí)預(yù)制反變形（若準(zhǔn)確掌握反變形量可直接設(shè)計(jì)到工裝上），使端墻的焊接變形達(dá)到最小。

參考文獻(xiàn)：

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