工裝在軌道車輛鋁合金焊接變形控制技術(shù)中的應(yīng)用

■ 高安江，岳亮

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1. 概述

隨著我國高端裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，軌道交通已成為我國亮麗的 “國家名片”。在鋁合金材料技術(shù)和鋁合金深加工技術(shù)的支撐下，高速列車和近一半數(shù)量的城軌車輛車體全部采用鋁合金材料制造，為實(shí)現(xiàn)車輛高速化、輕量化、綠色化提供了可靠保障。軌道車輛車體主要采用超長、超寬、超薄壁厚、復(fù)雜截面的高性能擠壓鋁型材制造而成，制造工藝主要是焊接。

焊接工藝技術(shù)對車輛的質(zhì)量以及制造成本有著很大的影響，通過提高鋁合金焊接工藝水平，可以有效提高軌道車輛的生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)效益。鋁合金車體結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量主要包括焊縫質(zhì)量和焊接變形的控制。焊縫質(zhì)量主要靠焊接工藝來保證，而焊接變形除與焊接工藝有關(guān)外，還與焊接工裝關(guān)系巨大，合理的焊接工裝結(jié)構(gòu)，不但能提高焊接質(zhì)量，而且能極大地提高焊接效率。本文將結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對工裝在軌道車輛鋁合金焊接變形控制技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，以供行業(yè)借鑒。

2. 焊接工裝分類

鋁合金焊接工裝具有形式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作周期長、投入大等特點(diǎn)。根據(jù)軌道車輛鋁合金車體部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，焊接工裝大致可分為通用工裝支撐架、焊縫支撐裝置、定位及夾緊裝置、變位裝置、工藝支撐等類別。

（1）通用工裝支撐架 通用支撐架是各種焊接工裝的安裝底座或支架，是工裝的基礎(chǔ)。支撐架具備穩(wěn)固可靠、尺寸精度高、安裝位置與精度可柔性調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。行業(yè)一般采用鋼制雙腿橫梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。支架的立腿和橫梁一般選用方鋼管，立腿和橫梁采用法蘭加工面螺栓連接。支撐架一般通過T型螺栓固定于預(yù)埋在地下的地平臺上（地平臺上平面比車間地面高5～10mm）。支撐架橫梁的上平面和下安裝面、立腿的上下平面，經(jīng)過機(jī)械加工可以達(dá)到較高的尺寸精度。支撐架整體可以通過立柱下法蘭上的調(diào)節(jié)螺栓來微調(diào)橫梁上表面的水平度，橫梁全長平面度能夠保證在0.1mm范圍內(nèi)。支撐架的橫梁長度及支撐架高度由所使用的焊接設(shè)備和工件來確定，支撐架的數(shù)量及間隔距離排布根據(jù)工件的具體長度尺寸來確定。軌道車體大部件焊接支撐架的間距一般在800～1400mm，橫梁中間設(shè)計(jì)有工藝孔，供液壓或者氣壓管道使用。

圖1 通用工裝支撐架

（2）焊縫支撐裝置 根據(jù)車體部件的結(jié)構(gòu)形式，焊縫支撐裝置一般分為平板類支撐裝置（車體底板焊接工裝）和弧形類支撐裝置（車體頂棚或弧形側(cè)墻）。平板類支撐裝置如圖2所示。焊縫支撐裝置如圖3所示，1為鋼制連接裝置，用于支撐裝置和支撐架橫梁的連接；2為鋁制過渡裝置，過渡裝置通過螺栓緊固在1上，同時(shí)有四個調(diào)節(jié)螺栓，方便微調(diào)焊縫支撐裝置的高度；3為鋁制支撐墊塊，支撐墊塊上開有和焊縫位置對應(yīng)的凹槽，并通過銷子和2連接。1、2、3組成的焊縫支撐裝置的位置可移動調(diào)節(jié)，墊塊3的高度可變換，可方便地改造為反變形工裝，如圖4所示。平板類支撐裝置的安裝位置和數(shù)量根據(jù)工件焊縫的結(jié)構(gòu)具體情況確定。此裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、柔性強(qiáng)，能很好的適應(yīng)不同寬度和厚度工件的組裝、焊接，既提高了焊接工裝的重復(fù)利用率，又減少了投資成本。

弧形類支撐裝置如圖5、圖6所示，1為鋼制支撐立板，通過螺栓固定在支撐座上。2為尼龍或不銹鋼符形塊，通過螺栓和焊接固定到鋼制支撐立板上。3為鋼制支撐立板固定座，通過螺栓固定到工裝通用支撐架上。弧形支撐裝置針對特定的工件設(shè)計(jì)制作，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本高，柔性差，在實(shí)際生產(chǎn)中需反復(fù)試驗(yàn)調(diào)節(jié)才能滿足生產(chǎn)需求，是焊接工裝投入最大的部分。

（3）定位及夾緊裝置 焊接工裝的定位及夾緊裝置是保證結(jié)構(gòu)件焊接尺寸精度和形狀精度的關(guān)鍵，靈活的定位及裝夾方式對提高勞動生產(chǎn)率意義重大。軌道車輛車體大部件焊接工裝定位及夾緊裝置主要包括定位單元、夾緊單元、壓緊單元、中心線測量單元等。

定位單元通常設(shè)計(jì)為對車體大部件的縱向左側(cè)或右側(cè)進(jìn)行定位，一般有機(jī)械式定位和氣動式定位兩種方式，定位單元如圖7所示。定位單元由鋁制接觸面和鋼制支架構(gòu)成，固定在支架橫梁上，安裝時(shí)要保證多個定位單元的側(cè)向位置度滿足精度要求。為了滿足定位單元的柔性需求，還開發(fā)了螺桿調(diào)節(jié)、螺母緊固的可調(diào)節(jié)定位單元，大大提高了定位單元的適用性。

圖2 平板類支撐裝置

圖3 焊縫支撐裝置

圖4 附加反變形裝置

圖5 尼龍接觸符形塊車頂邊梁組焊工裝

圖6 不銹鋼接觸面頂板邊梁分體式車頂組焊工裝

夾緊單元通常分為豎向夾緊和側(cè)向夾緊，如圖8所示。一般情況下，夾緊單元和定位單元共用同一個支架，為了操作方便，通常采用氣動夾緊、螺桿調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式。因鋁合金焊接變形較大，夾緊裝置在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮夾緊力的強(qiáng)度要求。

圖7 定位單元

圖8 夾緊單元

壓緊單元主要是針對大寬度，縱向焊縫多且焊縫較長的底板、側(cè)墻、頂棚類部件焊接，除了寬度方向的兩側(cè)設(shè)有夾緊單元外，通常在工件中間部位、焊縫兩側(cè)布置獨(dú)立的負(fù)重塊即焊接壓鐵，壓鐵一般選用Q235方鐵或灰鑄鐵制作，如圖9、圖10所示。部分壓鐵根據(jù)需要底部壓緊面需要加工凹槽，以避開鋁型材的C型槽或T型區(qū)域。壓鐵截面尺寸一般選用170mm×170mm、200mm×200mm方鐵，重量有0.5T、1T、1.5T等規(guī)格，以滿足不同工件不同場合的焊接壓緊需要。

在車頂總組裝時(shí)，為了防止各部位車頂半寬超差，保證車頂各單元部件的中心線和兩端邊梁的中心線重合，此中心線命名為車體中心線，使用中心線測量單元（見圖11、圖12）進(jìn)行檢測。測量單元設(shè)置在車頂總組裝工裝的兩端，每端一套，以工裝某平面為基準(zhǔn)，調(diào)試中心線測量單元的中心線與工裝上車體中心線重合，然后固定。中心線測量單元由支架、絞繩器、若干米細(xì)鋼絲繩組成。單元部件吊運(yùn)到工裝上時(shí)，從其中一端將鋼絲繩拉出，固定到另一端絞繩器上，繃緊鋼絲，將部件中心線與鋼絲繩重合，實(shí)現(xiàn)了車頂組裝時(shí)各部件中心線對中的目的。

圖10 壓鐵工作示意

圖11 中心線測量單元

（4）變位裝置 對于焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且焊槍可達(dá)性差的工件，為了提高工作效率，降低勞動強(qiáng)度，控制焊接變形，避免多次裝夾造成的變形不規(guī)律，通過回轉(zhuǎn)工件的焊接變位，拖動待焊工件，使其待焊焊縫運(yùn)動至理想位置進(jìn)行施焊作業(yè)，并增加焊接時(shí)的焊槍可達(dá)性，可研發(fā)使用變位裝置。

變位裝置一般由變位機(jī)和翻轉(zhuǎn)焊接工裝組成，如圖13所示。翻轉(zhuǎn)焊接工裝的結(jié)構(gòu)形式需根據(jù)工件的實(shí)際情況設(shè)計(jì)制造，以“把焊接工作量最大的一面設(shè)計(jì)為工裝的主工作面，把立焊、仰焊等轉(zhuǎn)換為平焊或者平角焊”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，工裝上要設(shè)計(jì)有靈活、可靠的定位和夾緊裝置。

圖12 支架（固定有掛線槽）

（5）工藝支撐 對于框架類和特殊弧度類結(jié)構(gòu)件，在焊接生產(chǎn)過程中，為了保證部件制作和產(chǎn)品整體組焊的尺寸和形狀精度，經(jīng)常采用工藝支撐，如圖14所示。工藝支撐在部件焊接和整體組焊過程中一直保持在工件上，直到最終產(chǎn)品制造完成。如軌道車輛側(cè)墻的焊接，在側(cè)墻門框焊接過程中，為保證門口寬度尺寸（1380+3+0mm），在門框焊接初期便加裝工藝支撐。在整體側(cè)墻板自動焊接時(shí)加工藝支撐，保證尺寸（1680+3+2mm），在門框與整體側(cè)墻板焊接過程中保留門框工藝支撐，直至整車組裝焊接完畢，才取下工藝支撐。

圖13 側(cè)墻單元變位焊接工裝

圖14 側(cè)墻門框焊接工藝支撐

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通過工藝支撐的使用，有效地預(yù)防并控制了焊接變形，方便了下道工序的生產(chǎn)作業(yè)，保證了制造精度，提高了生產(chǎn)效率。

3. 結(jié)語

鋁合金結(jié)構(gòu)件焊接變形大，焊縫質(zhì)量控制困難，研發(fā)應(yīng)用合適的工裝夾具，對提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，意義重大。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)結(jié)合工件的具體情況，根據(jù)合理的焊接順序，設(shè)計(jì)制造合適的焊接工裝。設(shè)計(jì)焊接工裝應(yīng)遵循柔性強(qiáng)、制造成本低、使用方便、穩(wěn)固牢靠為原則。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)焊接順序、反變形、振動時(shí)效去應(yīng)力、預(yù)熱、緩冷、新型焊接技術(shù)等焊接工藝的研究和應(yīng)用，綜合施策，提高焊接質(zhì)量和效率，以提高中國制造的能力和水平，為“中國制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施貢獻(xiàn)力量。

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