鋁合金地鐵車輛車頂輪廓度超差控制

黨銳璽，鄭帥帥，楊瑞欣

中車成都機車車輛有限公司 四川成都 610500

1 序言

近年來，隨著軌道交通的不斷發展，地鐵車輛在各大城市不斷涌現，成為大眾最便捷的出行工具之一。而地鐵車輛車體制造經歷了由碳素鋼、不銹鋼向鋁合金的轉變，朝著“輕量化、模塊化、智能化”的方向邁進。目前，鋁合金地鐵車輛已經占據了市場很大的份額。這是由于鋁合金地鐵車體相較原來的碳素鋼和不銹鋼車體，具有質量輕、耐腐蝕、外觀平整度好且容易制造復雜曲面等優勢，但鋁合金車體，包括其模塊化的底架、側墻、端墻和車頂大部件的制造均采用焊接工藝，焊接量大，難免會導致較大的焊接變形，嚴重影響車體強度和外觀質量。

車頂作為鋁合金地鐵車輛必不可缺少的大部件，通過和側墻、端墻連接，將車體封閉為鼓形結構。本文將主要針對車頂制造過程中由于焊接變形導致的輪廓度超差問題展開研究。由于每個項目車頂結構會有一定的差異，本文以筆者跟蹤試制生產的成都地鐵6號線項目（以下簡稱“成6項目”）為例展開介紹。

2 車頂結構和制造工藝

（1）車頂結構 成6項目車頂結構由5塊型材組成，呈中心對稱。車頂板采用大型通長雙面擠壓鋁合金型材插接結構，材質為EN AW-6005A-T6，型材正、反面為2~3mm厚薄板，整體采用縱向拼接的長直焊縫焊接而成（見圖1，正、反面長直焊縫各4條）。

圖1 車頂斷面

（2）工藝流程 車頂組焊工藝流程為車頂板預組對→正面自動焊→反面自動焊→正面零件安裝→反面零件安裝→調修、探傷、交檢。正、反面共8條長直焊縫利用igm自動焊機進行焊接，其他定位焊和零件安裝均采用手工MIG焊。車頂組焊按照“先正面后反面”的順序。

3 車頂輪廓度控制難點

成6項目車頂焊后要求車頂外輪廓度與卡弧樣板間隙控制在6mm以內，但在試制過程中發現，車頂正面零件安裝工序完成后，車頂外表面輪廓度與卡弧樣板間隙達到15~18mm，嚴重超差（見圖2），造成調修量大、調修難度高、員工作業強度高和資源浪費。

圖2 車頂輪廓度檢測

4 原因分析及控制措施

（1）原因分析 成6項目車頂為雙面中空鋁型材全焊接結構，出于減重考慮，鋁型材腔內斜、豎加強筋數量較少，在焊接過程中必然會導致較大的變形。同時鋁合金車頂在焊接過程中，除了構件自身內部結構的相互約束外，大都是在有外部約束的條件下施焊，受焊接工裝上的定位、壓緊及一些輔助性的焊接裝置直接作用，焊件在熱循環作用下膨脹和收縮受到制約，這時焊接應力與金屬內應力會產生疊加效應，在焊件內部形成較大的內應力[1]。而待車頂焊接完成后，松開各類約束裝置，部分瞬時應力會得以釋放，從而以外部變形的形式呈現出來。

經對車頂組焊工藝流程中各工序跟蹤分析，發現在剛性固定條件下，車頂反面焊接變形量大于正面，這是因為車頂在反面組焊胎位的二次焊接（在正面自動焊后進行焊接）造成的收縮應力加上剛性固定形成的拉應力要遠大于一次正面焊接保留于車頂板中的殘余應力，導致車頂反面自動焊后，會出現圖3中車頂沿軸向兩端翹起，中間下凹的現象。另外，在車頂正面零件安裝時安裝焊件較多，而車頂型材正面厚度為2～3mm，同時圖4空調安裝座組成和受電弓安裝座組成等焊件均采用四周滿焊的工藝，這樣在焊后會導致車頂板局部區域發生凹陷，導致車頂外表面變形不均勻。

綜上所述，車頂組焊流程中“反面自動焊接”和“正面零件安裝”兩個工序過程中的焊接變形是造成車頂外表面輪廓度嚴重超差的主要原因。

圖3 車頂輪廓度變化情況

圖4 車頂正面零件安裝

（2）控制措施 通過現場不斷試驗和驗證，發現從焊前預制反變形和焊后調修兩個可有效地控制車頂輪廓度嚴重超差的現象。

1）預制反變形。預制反變形是一種減少及矯正焊接變形的常用方法[2]，通過在變形量最大的反面組焊工序的工裝上預制反變形來抵消部分變形量。如圖5所示車頂反面自動焊工裝，可通過調整圖中1、2、3位置的頂針高度來預制反變形。

圖5 車頂反面自動焊前反變形預制

車頂反面自動焊工裝縱向方向布置了22組尼龍模板，每組尼龍模板上配置5個調節器（即頂針）。根據成6項目車頂特點，對每組模板上1、2、3位置（見圖5）的調節器預制一定量的反變形，反變形預制以調節器對應的尼龍墊塊上表面為基準。反變形量的確定經過遵循“輪廓度數值統計、分析→確定反變形參數→工裝預制反變形→焊后輪廓度檢測→確定最優反變形量”的流程反復試驗。通過6個鋁合金車頂的試制（根據前一個車頂變形量在下一個車頂焊前調整預制反變形量，共計調整6次），發現當每組模板上1、2、3位置反變形預制量分別為4mm、5mm、3mm時，車頂焊后外輪廓度與卡樣板測量間隙最小。根據得出的較優反變形量，調整22組調節器，將頂針用螺栓固定，在后續批量化生產中不需要再進行調整。表1為反變形數據調整記錄。

2）火焰調修。火焰調修法是對焊件的選定部位進行火焰加熱，并及時澆水冷卻，冷卻時產生塑性收縮變形，從而改變其形狀，達到預期的效果[3]。考慮到鋁合金材質特性和車頂結構，在火焰調修時需遵循以下原則：①火焰調修應在焊縫位置進行，車頂板非焊縫位置不可進行處理。②火焰調修時，火焰方向應垂直于焊縫，使用火焰局部加熱的同時需要進行水冷，火焰與水流間距控制在40mm以內。③同一焊縫火焰調修次數不得多于3次，盡量減少下火調修次數。

表1 車頂反變形數據調整記錄

在以上原則的基礎上，對焊后冷卻至室溫的車頂使用卡弧樣板對車頂輪廓度進行檢測，對超限的部位做好標注，并進行火焰調修。調修中要使用車頂輪廓度樣板測量并記錄車頂輪廓度值，若樣板與車頂外板間隙>6mm時，則再次進行火焰調修，圖6為車頂調修合格后的狀態。

在預制最優反變形量的基礎上，焊后車頂外輪廓度較原來已經有了很大的改善，因此只需進行少量的火焰調修即可達到交檢要求。

圖6 車頂輪廓度檢測

5 結束語

對于成6項目鋁合金車頂組焊，通過在車頂反面自動焊工裝上每組尼龍模板1、2、3位置的頂針預制反變形量調整為4mm、5mm、3mm，可獲得最小的焊后外輪廓度變形量，同時采取適當的火焰調修輔助工藝措施，可有效地降低施工人員調修難度和作業量，顯著提高了產品質量、生產效率，并降低了生產成本。