不銹鋼地鐵車輛的頂棚變形原因分析與工裝改進

曹津銘

摘要：針對不銹鋼地鐵車輛頂棚鋼結構組焊后存在“反撓”“竄角”“塌腰”的問題，本文進行了詳細的分析，并提出了頂棚組焊工裝改進措施。詳細的介紹了頂棚鋼結構胎位改造，制作相應輔助工裝方法等措施來控制不銹鋼地鐵車輛頂棚鋼結構焊接變形。實踐證明，通過工裝改進及制作相應的輔助工裝，控制了頂棚鋼結構焊接變形的問題，大幅提高了頂棚鋼結構質量。

關鍵詞：焊接變形;胎位改造;頂棚鋼結構;輔助工裝改進

中圖分類號：U270.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0072-02

0? 引言

一般地鐵車輛頂棚上具有空調機平臺和受電弓平臺，在空調機平臺立板和受電弓平臺立板與頂棚端彎梁，蒙皮與頂棚端彎梁處均有長大焊縫，存在大量的焊接變形。目前，我們生產的不銹鋼地鐵車輛頂棚存在“反撓”、“竄角”、“塌腰”的問題，直接影響了頂棚質量，同時也影響了車體總成裝配質量。

1? 頂棚鋼結構組焊后變形的原因分析

影響不銹鋼地鐵車輛頂棚鋼結構變形的原因很多。經生產實踐分析得出焊縫分布不均勻、焊接結構的特殊性、及頂棚工裝胎具的不完善是影響頂棚焊接變形的主要原因。

1.1 焊縫分布對頂棚鋼結構焊接變形的影響? 一般來說，焊縫在設計時應考慮使其盡量均勻合理，焊縫位置分布不均勻，則焊縫密集區變形大于焊縫稀疏區，這樣就要求設計時盡量使焊縫分布均勻，且使焊縫對稱于構件截面的中心軸或使焊縫接近中心軸，可減小彎曲變形[1]。

但頂棚鋼結構具有其自身的特殊性見圖1，空調機組座分布于頂棚的左右兩端，且分別存在8條長大焊縫，且焊縫1、2、3，焊縫6、7、8，焊縫9、10、11和焊縫14、15、16分布特別集中，此外該處焊接量大，存在焊接收縮和焊縫應力集中必然導致大幅的焊接變形。

1.2 結構剛度對頂棚鋼結構焊接變形的影響? 通常結構剛度大的構件，焊后變形小;結構剮度小的構件，焊后變形大。結構的剛性取決于結構截面的形狀和尺寸，截面越大，結構剛性越大，變形就越小，反之變形就越大。

不銹鋼地鐵車輛的頂棚是由彎梁、端彎梁、上懸梁、側頂板、蒙皮、空調機組座等組成，見圖2。通過彎梁與2跟上懸梁和2個側頂板之間的點焊構建了頂棚的“骨架”，該結構剛度小，所以在端彎梁與空調機立板，及空調機處端彎梁與蒙皮間進行長大焊縫弧焊時產生了很大的收縮變形。

1.3 工裝胎具對頂棚鋼結構焊接變形的影響

頂棚組焊需經過骨架組對胎，波紋板自動點焊胎，頂棚正面胎，頂棚反面胎，頂棚淋雨調修胎這5個胎位來進行。若要保證頂棚的質量需在每個胎位的每道工序上都要嚴格控制組對尺寸和焊接變形。目前頂棚變形主要產生在頂棚正面胎位上。這就需要在上一道工序即波紋板自動點焊胎上加強頂棚骨架的剛度，然后在頂棚正面胎上，需借助工裝支撐拉桿抵制“反撓”、“竄角”、“塌腰”變形。同時采用錘擊、火焰調修和專業去應力設備等手段來消除焊縫的內應力。以此來保證頂棚不變形的理想狀態。

2? 頂棚鋼結構組焊胎位的改進

2.1 頂棚自動點焊胎的改進

頂棚自動點焊胎是對頂棚彎梁與波紋板、側頂板之間的電阻點焊，由前邊敘述焊接裝配對鋼結構變形的影響可知：在實施大量弧焊前應先對結構進行點焊加強強度。

改革前工藝：頂棚經組對胎組裝后，直接吊運在自動點焊胎上，在完全自由沒有任何外力的情況下進行電阻電焊。由于SMC自動點焊設備的特點，上下兩極焊槍在對頂棚鋼結構進行焊接時，下電極焊槍會對頂棚鋼結構有外力作用（垂直于頂棚弧面切線，向上），導致點焊過程中頂棚鋼結構有竄動，影響點焊位置的均勻性，更由于復雜力學作用會影響鋼結構的形狀，導致鋼結構形狀變化不可控。

自動點焊胎改造：原有點焊胎對頂棚鋼結構沒有制約，為完全自由狀態。根據工藝要求，基于大量工作經驗總結，在原有點焊胎兩側特定位置安裝卡具。卡具符合以下要求：①保證將頂棚鋼結構固定在點焊胎位上，保證其不會因焊槍作用影響鋼結構位置。②保證頂棚相對位置受力均勻，不會影響鋼結構形狀。③保證兩側夾具的直線度，平面度。

在設定位置，使用繃帶將波紋板與側頂板固定住，保證波紋板電阻點焊的位置，確保鋼結構相對應位置受力均勻，控制鋼結構變形。通過對頂棚正面胎改造，在胎具上運用外力干預的方法，制約鋼結構變形的趨勢。

2.2 頂棚正面胎的改進

針對上述“反撓”、“竄角”、“塌腰”3個典型問題，對頂棚正面胎進行了如下改造：

①針對反撓問題：長期以來由于空調機機組座平臺八條長、大焊縫的影響，頂棚鋼結構一、二位端都有上翹的現象，頂棚結構工藝要求有正撓度17～19mm，然而通常焊接完成后會出現反撓的情況，為此制作了工裝如圖3所示。

如圖3所示應用繃帶一根、橫梁方管兩根以及頂棚正面胎，在頂棚正面胎后兩根立柱之間焊接兩根橫梁，繃帶固定兩側橫梁與頂棚二位端后側，將繃帶拉緊。把焊接應力轉化成相互作用力，進而改善頂棚工藝，提高頂棚質量。工裝應用應注意兩點：

1）在正面胎焊接作業前固定、調試工裝。

2）在焊接作業完成后，焊縫涼透后去掉工裝。

②針對竄角問題：由于頂棚鋼結構剛性小，焊接量大的原因，頂棚鋼結構經常會出現兩側側頂板直線度達不到生產要求的情況，嚴重的甚至會出現頂棚鋼結構形狀不規則的狀態，俗稱“竄角”。為了解決上述問題制作了工裝如圖4。

如圖4所示，應用5m鋁合金型材、拉桿以及卡具等工具，每一側側頂板固定有四根鋁合金型材，用專用卡具將側頂板與型材卡緊并保證卡緊后側頂板直線度。在頂棚一位端，二位端和車體中心處分別固定與車體寬度尺寸相同的拉桿，保證頂棚設計理論寬度。此工裝在正面胎焊接前組裝，調試完成;在正面胎胎位生產完畢并且焊接處完焊縫涼透后拆除。202延長線車輛頂棚生產應用了此工裝，使用此套工裝后使頂棚鋼結構側頂板位置的變形得到了控制，改善了因大量焊接導致的側頂板變形情況。

③針對塌腰問題：由于頂棚鋼結構二位端廢排安裝座位置設計特點，切割廢排安裝口時會切割到彎梁，由于廢排口與二位端很近，在自由狀態下焊接廢排后，被切割彎梁會出現“塌腰”的情況，影響產品質量，是頂棚生產中又一難點。針對上述問題，制作了工裝如圖5所示。

如圖5所示：應用廢棄底架邊梁300mm×4根、鋁合金型材2m×2根、500mm方管下根以及專用卡具兩個，將加工完成的底架邊梁放置在廢排兩側，與頂棚波紋板契合。2m鋁合金型材放置在底架邊梁上，500mm方管放置在彎梁下方，用專用卡具將鋁型材與方管卡住。需要注意兩點：1）卡具必須將鋁型材與方管卡的足夠緊，保證外力可以制約焊接應力;2）方管需在彎梁正下方，將切斷彎梁連接起來，保證被截斷彎梁與兩側彎梁處于同一高度。

此工裝應用內力的相互作用的原理，用工裝的形式把焊接產生的焊接應力轉化成同一個整體內力的相互作用，這樣不管產生多大的焊接應力都會產生相對應的反作用力去抵消它，達到制約焊接應力對頂棚二位端變形的影響。

3? 結論

①使用改造后的頂棚自動焊胎，并利用外力干預的方法，可以控制鋼結構的焊接變形量。②使用改進后頂棚正面胎的工裝，解決了焊接過程中出現的“竄角”、“塌腰”情況。③“反撓”問題得到了一定的控制，但由于頂棚空調機組座和長大焊縫焊接的限制并沒有完全解決。后期，我們會詳細測量并繪制頂棚反撓曲線，并設想建立與頂棚反撓曲線相吻合的工裝撓度來抵消變形。

參考文獻：

[1]周浩森.焊接結構設計手冊[M].北京：機械工業出版社1990.

[2]郭佳.地鐵車輛頂棚電阻焊焊接工藝及編程優化[D].遼寧：大連理工大學，2015.

[3]李巧艷，吳萍，王和欣.出口菲律賓的地鐵車輛頂棚彎梁拉彎成型工藝研究[J].國外鐵道機車與動車，2019（2）：42-45.