裝配條件下焊接變形控制的研究

顏曉麗，郭永碩，劉建利，劉宇航，于 海

（中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 前言

焊接是一個驟熱驟冷過程，不可避免地會產生焊接變形，不利于生產實際。焊接變形[1]的大小與焊接方法、材質、板厚、焊接參數、填充道數等多因素有關，根據不同材料的熱變形特點，可以預先做與焊接變形相反趨勢的反變形量，以抵消焊接變形對產品質量的影響。但是并非所有結構和材料都能做反變形，而且反變形并不能使得工件焊后完全達到理想狀態?？刂坪附幼冃涡枰喾N方法相結合，包括焊前、焊中、焊后全過程的控制，焊前控制如預先做反變形，制定合理的焊接順序加上適當的壓卡裝置可以控制焊接過程中的焊接變形，焊后的機械調修和火焰調修等方法也可有效調修工件。

板材、型材等材料在自由狀態下焊接時，由于沒有機械外力的阻礙，焊接變形很大，且各焊縫的相互影響使得焊后工件狀態不可控。高速列車采用鋁合金材料，能夠實現輕量化目標[2-4]，因鋁合金材料獨特的物理化學特性，焊接時變形很大[5]。工件的焊接往往在匹配的工裝上進行，配合工裝自帶的壓卡裝置或F卡等固定裝置，裝配工件的各個部件后進行焊接。裝配與焊接配合并合理調整順序控制焊接變形十分重要。本研究以高速列車上的垂直墻為例，介紹一種裝配條件下焊接變形的控制方法。

1 問題的提出

垂直墻是空氣動力學的重要組成部分[6]，是連接地板與前墻的重要部分，對平面度和垂直度都有很高的要求。高速列車的垂直墻由前墻左下部連接梁、前墻左上部連接梁、底架下部縱梁、車鉤安裝立柱、排障器安裝座、連接板6部分組成，如圖1所示。垂直墻對平面度和垂直度要求較高，但實際生產時焊接變形較大，且各個部件板厚較大，不易調整，這要求垂直墻在焊前和焊中盡可能控制焊接變形，減小焊后調修的勞動強度。

圖1 垂直墻各部件組成

當前垂直墻的生產存在以下問題：

（1）板厚較大，焊縫較多，易變形，平面度不易控制。垂直墻各部件板厚為12mm、10mm或28mm，焊縫形式為12V、10V和10HY+a10。垂直墻各部件板厚較大，焊縫需多層多道焊接，焊接過程中的焊接收縮較大，平面度不易控制，且焊后由于板厚較大，整體工件的剛度較大，不易調整。

（2）垂直墻在沒有工裝的條件下很難進行壓卡和定位，且垂直墻為正反對稱結構，在焊接過程中翻轉困難，難以控制焊接變形，急需相應的壓卡和定位裝置。

（3）結構不方正，垂直度難以保證。

底架下部縱梁與連接板間的垂直度、底架下部縱梁與車鉤安裝立柱的垂直度是垂直墻焊接過程控制的難點。底架下部縱梁長度和板厚較大，連接板厚度較小，若固定底架下部縱梁，連接板與之配合，由于連接板剛度較小，焊接過程中的焊接變形較大，垂直度不易保證。底架下部縱梁與車鉤安裝立柱焊后，兩者間的直角易小于90°，垂直度難以保證。

2 解決方案與實施過程

2.1 劃部件裝配方法控制平面度

劃部件裝配是指將多個部件的焊接整體分散開，2個或3個部件分別組焊，再將組焊好的各個大模塊組裝進行焊接。

垂直墻原來在平臺上焊接，如圖2所示，將①、②、③、④裝配后進行點固，再將部件間焊縫進行正反面對稱焊接，再焊接⑤，機加工后焊接⑥。這樣裝配和焊接的缺點是：垂直墻在沒有壓卡的限制下，整體的平面度不易控制，焊接件的直角一般會小于90°，尤其是連接板厚度較小，長度較大，焊后易變形，垂直度很難滿足要求。

圖2 平臺上焊接垂直墻

針對以上垂直墻平面度和垂直度難以達到要求的問題，對垂直墻進行劃部件裝配和焊接。對于垂直墻來說，前墻左下部連接梁、前墻左上部連接梁較為方正，可分成一組進行焊接；底架下部縱梁與連接板間的焊縫相對其他焊縫較為獨立，可分成一組進行焊接，用5組F卡卡緊連接板，大大減小連接板的焊接變形；車鉤安裝立柱與其他部件間焊縫有較多聯系和交叉，可與這兩組焊好的部件組進行焊接；最后焊接板厚較大、相對獨立的部件排障器安裝座，如圖3～圖6所示。劃部件焊接能夠避免小件間焊縫在工件翻轉過程中的變形，有利于保證工件整體平面度，且顯著減小勞動強度，提高生產效率。

2.2 3D平臺設置定位塊和壓卡控制尺寸

在3D平臺上設置壓卡和定位塊，可以有效控制工件的變形情況，改善垂直墻的焊接變形大、不易保證平面度和垂直度的問題，3D平臺上的壓卡裝置和檢測裝置分別如圖7、圖8所示。

2.3 做反變形控制垂直度，合理調整焊接方法控制變形

底架下部縱梁與車鉤安裝立柱間的垂直度是控制難點，底架下部縱梁長度較大，焊接過程中的焊接收縮不均勻，焊后很難保持90°，一般焊后該角度為銳角。基于3D平臺的壓卡裝置，在直角處的定位塊上加2 mm墊片做反變形并壓緊，使焊前底架下部縱梁與車鉤安裝立柱間的角度為鈍角，焊后基本能夠保證該處角度為直角，大大減少后期調修的難度和強度。預制反變形如圖9所示。

此外，底架下部縱梁與連接板間的垂直度要求也較高，若固定底架下部縱梁，連接板與之配合，因連接板剛度較小，焊接過程中焊接變形較大，垂直度不易保證。因此采用連接板在3D平臺上進行固定裝卡，再以連接板為基準裝卡底架下部縱梁，對底架下部縱梁與連接板間的10V焊縫分段段焊6段進行固定，保證其垂直度，如圖10和圖11所示。

根據以上方案調整垂直墻的生產，大大改善了工件質量，對比結果如表1和表2所示。

圖3 前墻左下部連接梁與前墻左上部連接梁間焊縫焊接

圖4 架下部縱梁與連接板間焊縫焊接

圖5 車鉤安裝立柱與其他部件間的焊接

圖6 排障器安裝座的焊接

圖7 3D平臺上的壓卡裝置

圖8 3D平臺檢測裝置

表1 兩種方法工件焊后平面度比較

2.4 結果

（1）整體焊接工件焊后平面度可達3～5 mm，需要機械調修和火焰調修配合使用3次調修，基本滿足平面度2 mm以內；采用本研究方法進行組焊，工件焊后平面度基本可以達到2 mm，一次機械調修和火焰調修配合或不調修即可滿足平面度要求。

（2）整體焊接工件，焊后底架下部縱梁與連接板間的角度為87°～89°，且連接板易出現波浪變形，需機械調修和火焰調修配合使用2次調修；采用本研究的方法進行組焊，連接板變形較小，垂直角度基本可達到90°，機械調修微調或不調即可滿足要求。

（3）整體焊接工件，焊后底架下部縱梁與車鉤安裝立柱間角度為88°～89°，很難通過調修達到90°；組焊后垂直角度基本可以達到90°。

綜上所述，調整各個部件裝配和焊接方法，垂直墻焊后垂直度和平面度基本能夠達到要求，小強度的調修或不調修即可滿足要求。

圖9 反變形定位塊

圖10 連接板的固定

圖11 底架下部縱梁與連接板間焊縫分段段焊

表2 兩種方法工件焊后垂直度比較

3 結論

采用劃部件裝配和焊接方法保證平面度，同時利用3D平臺上的定位塊和裝卡控制垂直度，并在定位裝置上加反變形，有效控制了垂直墻的底架下部縱梁與連接板間的垂直度、底架下部縱梁與車鉤安裝立柱的垂直度，大大減小垂直墻焊接過程中平面度和垂直度，避免焊后大強度的調修，減少人力、物力和時間的投入，顯著提高生產效率，同時也滿足生產和使用要求，對于高速列車工件的生產具有非常重要的指導意義。

參考文獻：

[1]張文英，李紅莉，李會萍.大型中厚板鋁合金框架氬弧焊焊接工藝分析[J].熱加工工藝，2008，37（15）：106-108.

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[3]王炎金，丁國華.鋁合金車體制造關鍵技術研究[J].焊接，2007（7）：12—16.

[4]徐海濤，唐衡郴，劉春寧，等.鋁合金MIG自動焊焊接工藝[J].電焊機，2011，41（11）：99-102.

[5]薛健，劉囝.我國高速列車鋁合金車體焊接變形控制方法研究現狀[J].熱加工工藝，2012，41（17）：188-190.

[6]王強，蘇永章.200 km/h動車組車體底架端部結構優化設計[J].技術與市場，2014，21（5）：14-15.