不銹鋼城鐵車牽引梁組焊焊接夾具設計

蘇東楠 郝 芯 孫曉光 張 巖 陶希家

（1.長春電子科技學院，吉林長春 130000；2.長春中車長客模具有限公司，吉林長春 130000）

0 引言

在我國城鐵車開發(fā)和生產(chǎn)過程中，焊接工藝、總裝工藝和涂裝工藝是關鍵的核心內(nèi)容。在不銹鋼城鐵車牽引梁焊接過程中，焊接質(zhì)量直接關系到不銹鋼城鐵車牽引梁的形狀、精度和尺寸。因此，在不銹鋼城鐵車牽引梁組焊制造過程中，只有有效地控制組焊夾具的質(zhì)量和精度，才能保證不銹鋼城鐵車牽引梁的制造質(zhì)量、最終精度，并實現(xiàn)對不銹鋼城鐵車牽引梁生產(chǎn)周期的控制。

1 牽引梁焊接

1.1 牽引梁結(jié)構(gòu)介紹

車體鋼結(jié)構(gòu)是列車的一個重要組成部分，而牽引梁是車體鋼結(jié)構(gòu)的重要組成部分，要求必須具備必要的強度、剛度，以實現(xiàn)舒適、安全的運輸，達到正常服務運營的目的。在車體運行過程中，牽引梁不但要把牽引力和制動力傳遞給車鉤，而且還要承受各種設備載荷以及牽引中水平縱向和橫向沖擊載荷的作用力，因此，牽引梁必須具有足夠的強度和剛度，滿足相關技術標準的要求，保證列車運行的安全性和平穩(wěn)性。

牽引梁主要是由鋼板組焊而成，由牽引梁（左/右）、牽引梁補強板（左/右）、地板梁、牽引梁下蓋板、補強板等組成，其材質(zhì)主要為Q345、高強鋼、不銹鋼等，材質(zhì)厚度為6～12 mm，車鉤座通過鉚接方式連接到牽引梁上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

牽引梁產(chǎn)品質(zhì)量要求：牽引梁上平面度2 mm/3 mm，地板梁間距尺寸±1 mm，車鉤座距離牽引梁尾部（1 995±2）mm，車鉤座與牽引梁上平面距離公差≤3 mm，焊接質(zhì)量滿足ISO 13920中BF級。

1.2 車鉤座組對

車鉤座是列車車廂連接的重要部件，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞直接影響行車安全。其材質(zhì)為鑄鋼，制造工藝為鑄造，通過機械加工保證后續(xù)裝配尺寸要求。車鉤座相對車體位置是最為重要的，其直接影響兩節(jié)車車鉤連接高度以及兩節(jié)車之間的距離。在組對過程中，首先要保證車鉤座相對于車體上平面距離，技術要求≤3 mm，車鉤安裝孔距離牽引梁尾部公差≤2 mm，然后將車鉤座段焊在牽引梁上保證相對位置。

1.3 牽引梁整體組對焊接

對于地鐵列車來說，車體鋼結(jié)構(gòu)是必不可少的結(jié)構(gòu)，而牽引梁是車體梁的重要結(jié)構(gòu)。牽引梁與車鉤座通過鉚接進行連接，在牽引梁組對過程中，車鉤座與牽引梁的相對位置對整個不銹鋼車體是至關重要的。在車鉤座固定后，調(diào)整車鉤座螺栓孔與牽引梁尾部的距離，保證公差在（+2，0）mm范圍內(nèi)，這樣才能保證后續(xù)整個不銹鋼車體一位端和二位端車鉤座的距離。在確定好車鉤座與牽引梁相對位置后，使用焊接方式將車鉤座與牽引梁點固，保證其相對位置。根據(jù)牽引梁及車鉤座的定位，組對地板梁時，保證公差在±0.5 mm范圍內(nèi)。組對牽引梁與牽引梁下蓋板時，牽引梁和牽引梁下蓋板不是平面貼合，由于料件制造的公差，牽引梁與牽引梁下蓋板存在組對間隙，按照焊接要求，其兩板間隙要求≤0.5 mm，所以需要壓緊裝置保證兩板貼合，才能保證焊接質(zhì)量。所有料件組對好后進行復尺檢驗，并檢查相關壓緊是否可靠，確認無誤后方可進行焊接工作。

牽引梁組焊采用二氧化碳氣體保護焊的焊接方式，采用半機械化焊接，過程操作方便，沒有熔渣或熔渣很少，焊后基本上不需要清渣，具有焊接效率高、焊接速度較快、熔池較小、熱影響區(qū)窄、焊件焊后變形小等優(yōu)點。

牽引梁組焊主要為多層多道焊接，焊接工作量較大，總焊接熱輸入大，焊接變形不易控制。同時焊接位置較多，焊接難度各不相同，無法在固定位置上實現(xiàn)所有焊縫的焊接工作，需要一種工藝裝備將焊接可達性不好的焊縫通過轉(zhuǎn)換焊接位置，實現(xiàn)簡易操作。同時焊縫中存在塞焊，在牽引梁反裝時焊縫處于豎直狀態(tài)，焊接難度超高，焊縫熔合性差，需要將牽引梁旋轉(zhuǎn)90°使塞焊焊縫處于水平位置（PA），才能保證最佳位置施焊。

在牽引梁與牽引梁下蓋板焊接時，焊腳大，焊接熱輸入大，對牽引梁下蓋板和牽引梁的壓緊裝置要求強度和剛度極高，同時由于牽引梁反裝時需要增加反變形，所以對牽引梁兩端的壓緊裝置的壓緊力要求大，需要克服牽引梁整體剛度和強度，才能達到反變形的要求。

2 夾緊結(jié)構(gòu)設計

2.1 工裝設計目的及思路

根據(jù)牽引梁產(chǎn)品類型，設計一種B型不銹鋼車體牽引梁組焊夾具，夾具應適用于不同B型不銹鋼車體牽引梁的組對焊接。針對這個設計目標進行研究，該牽引梁是碳鋼結(jié)構(gòu)，零件是由鋼板折彎成型，并帶有焊接坡口，在牽引梁焊接過程中，因為焊接母材在一定方向上熱輸入程度不同，焊接應力方向也有所不同，進而引起母材在不同方向上的尺寸變化各不相同，要控制這些由焊接熱輸入引起的變形，就需要設計專用工裝，使用剛性固定控制、反變形手段保證這些變形得到控制。同時牽引梁焊接時，焊縫位置情況復雜，需設計可翻轉(zhuǎn)的工裝，結(jié)合焊接變位機，把焊縫位置變成PA、PB，使位置復雜的焊縫變成簡單易施焊的位置，進而降低焊接難度，也降低對焊接操作人員的技能要求，提高效率，降低勞動強度。

2.2 夾具設計

工裝夾具整體安裝至旋轉(zhuǎn)變位機上，主要由連接法蘭、結(jié)構(gòu)主體、壓緊裝置、限位裝置、過渡裝置等結(jié)構(gòu)組成。焊接夾具主體采用方鋼管、鋼板組焊而成，材料主要為Q235、Q345，焊接性能優(yōu)良，強度較為優(yōu)越；絲桿壓緊裝置采用45#鋼，加工后進行時效處理。組焊夾具的夾緊方式為絲桿，連續(xù)傳動效果好，裝配后要求夾具整體平面度≤1 mm，定位塊誤差≤0.5 mm，車鉤安裝座面距離夾具整體平面的高度為60mm。夾具整體結(jié)構(gòu)及工件裝夾情況如圖2所示。

牽引梁夾具主體結(jié)構(gòu)：主體結(jié)構(gòu)由方鋼管及鋼板組焊而成，鋼管壁厚8 mm，鋼板厚度30 mm，焊接完成后進行整體加工，保證平面度≤0.5 mm。主體結(jié)構(gòu)中增加相關筋板，保證整體結(jié)構(gòu)強度。同時主體上平面增加定位塊及車鉤座限位裝置，保證車鉤座距離平臺上平面60mm。主體兩端焊接法蘭盤，用于連接旋轉(zhuǎn)變位機，用于工裝夾具整體翻轉(zhuǎn)，保證焊縫處于平焊或者平角焊位置。

壓緊限位結(jié)構(gòu)：工裝夾具壓緊結(jié)構(gòu)采用龍門式，主要考慮到龍門結(jié)構(gòu)壓緊力大，操作方便，拆卸簡單。將龍門結(jié)構(gòu)壓緊焊接在主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)，位置近似工裝整體3/5處，考慮到后續(xù)換型方便，采用斷續(xù)焊接方式。

連接法蘭設計：連接法蘭是連接翻轉(zhuǎn)變位機與工裝的過渡裝置，要求保證裝配孔與翻轉(zhuǎn)變位機安裝可以調(diào)節(jié)，故將安裝法蘭盤安裝孔間距設計為120 mm，上下可以調(diào)節(jié)；寬度方向上設計為600 mm，固定尺寸。鋼板采用Q345，厚度30 mm，機加工后厚度保證不低于25 mm。采用加強筋結(jié)構(gòu)保證夾具整體強度。

側(cè)定位夾緊結(jié)構(gòu)設計：工裝采用兩面使用結(jié)構(gòu)，保證工裝回轉(zhuǎn)中心與變位機回轉(zhuǎn)中心重合，減小因工裝翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性帶來的危險。夾緊結(jié)構(gòu)采用銷孔定位，在牽引梁吊裝完成后，將夾緊裝置用銷子定位后螺旋夾緊，實現(xiàn)裝夾快捷方便。

龍門式壓緊結(jié)構(gòu)設計：該結(jié)構(gòu)是整個牽引梁組焊夾具的重要組成部分，與牽引梁夾具主體共同保證牽引梁上平面的重要結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在剛度和強度上要求較高，龍門采用板厚30 mm的Q345鋼板與Tr36以上的絲桿組成。頭尾各一套龍門結(jié)構(gòu)，每套龍門上有兩個壓緊裝置，在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)ΨQ，從而保證壓緊力均勻，使牽引梁反裝時上平面與牽引梁夾具主體貼合嚴緊，保證平面度要求。

工裝放長量的確定：牽引梁由于焊接變形收縮，需在焊接前調(diào)整料件組對間隙，保證焊接收縮后符合圖紙尺寸要求。按照焊接產(chǎn)品放長量一般設定原則，工裝長度放長量為3 mm，寬度方向上放長量為1 mm。在長度放長量上，需要將其均分到每個定位塊上，每相鄰兩個地板梁的定位尺寸增加0.5 mm。

2.3 翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中心計算

平臺作業(yè)單元主要由作業(yè)平臺和翻轉(zhuǎn)裝置組成，用于牽引梁的組裝作業(yè)，通過翻轉(zhuǎn)裝置與翻轉(zhuǎn)支撐單元連接。牽引梁焊接時依靠翻轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，平臺作業(yè)單元設計時，要計算牽引梁重心、平臺作業(yè)單元重心，計算公式如下：

式中：x、y、z為牽引梁及平臺作業(yè)單元組合體在x、y、z軸上的重心坐標（mm）；x、y、z為牽引梁及平臺作業(yè)單元各零件在x、y、z軸上的重心坐標（mm）；W為牽引梁及平臺作業(yè)單元組合體的總質(zhì)量（kg）；W為牽引梁及平臺作業(yè)單元各零件的單體質(zhì)量（kg）。

將牽引梁及平臺作業(yè)單元各零件質(zhì)量及設計幾何坐標代入上式，求解得出的“牽引梁及平臺作業(yè)單元組合體在x、y、z軸上的重心坐標”與x、y、z軸上的重心坐標重合，使翻轉(zhuǎn)過程的轉(zhuǎn)矩值降至最小，以便設備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

3 工裝的使用

工裝整體裝載在雙立柱變位機上，變位機可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、升降功能的點動、聯(lián)動、自鎖功能，可實現(xiàn)±30°、±45°、±60°、±90°等多角度翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)牽引梁焊縫的平位置焊接，一般載重規(guī)格選用5 t即可滿足使用要求。工裝通過螺栓連接到變位機卡盤上，焊接夾具在使用時處于水平狀態(tài)，將車鉤座吊裝在焊接夾具車鉤座定位面上，保證車鉤座與裝配面貼合；吊裝兩個牽引梁及預置地板梁，以牽引梁夾具主體尾部擋板為定位基準，并與水平方向上定位塊貼緊，然后用側(cè)頂緊將牽引梁固定，調(diào)整車鉤座與牽引梁尾部距離，確認無誤后點固車鉤座，對兩牽引梁內(nèi)側(cè)距離進行復查，確認無誤后進行牽引梁與地板梁的焊接；焊接完成后，組對牽引梁下蓋板，使用龍門式壓緊結(jié)構(gòu)將牽引梁下蓋板與牽引梁貼合，擰緊絲桿。焊接牽引梁下蓋板與牽引梁的平焊縫后，使用變位機將焊接夾具整體順時針翻轉(zhuǎn)90°，將立焊縫轉(zhuǎn)換成平焊縫，利于焊接。同理完成另一側(cè)的焊接。

4 結(jié)語

通過對夾具整體結(jié)構(gòu)的驗證，夾具主體整體平面為0.6 mm，定位塊整體定位誤差≤0.5 mm，車鉤座高度58 mm，各絲桿、壓緊裝置靈活可靠，整體滿足設計及工藝要求。在對牽引梁產(chǎn)品檢驗過程中，牽引梁上平面平面度檢測為2 mm/3 mm，地板梁間距誤差為0.5 mm，車鉤座距離牽引梁尾部距離為1 997 mm，符合產(chǎn)品技術要求。該結(jié)構(gòu)牽引梁組焊夾具已經(jīng)在不銹鋼城鐵車牽引梁焊接上得到應用，滿足B型不銹鋼城鐵車的通用化需求，焊接夾具適用于組對和焊接，能夠?qū)崿F(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn)，對生產(chǎn)效率的提升及產(chǎn)品質(zhì)量的保證發(fā)揮了重要作用。