受電弓上框架組焊工裝設計及變形控制

趙穎，周永東

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

受電弓（見圖1）安裝在鐵路機車的車頂，是機車車輛運行時從接觸網獲取電能的關鍵設備，其通過底架、下臂桿、拉桿及上框架組成四桿機構實現升降功能[1，2]。而上框架作為受電弓重要組成部件，對受電弓的正常受流起著重要作用，因此對上框架的質量要求很高。

圖1 受電弓結構示意

受電弓上框架主體結構（見圖2）是由4根壁厚為3mm的7020-T6鋁合金管組焊而成的梯形框架，并在中間焊接1根加強管，然后在主體結構上焊接左右支座及拉桿支板等部件。

圖2 上框架結構

上框架一端連接弓頭，另一端連接下臂桿和拉桿，其尺寸直接影響整個受電弓的裝配，因此上框架尺寸精度必須滿足設計要求。其中，拉桿支板與左右支座孔距要求為（314±0.5）mm，左右支座與頂管間距要求為（1909±1）mm，左右支座間距要求為（200.5±0.5）mm，上框架平面度要求≤1mm。但由于上框架結構不規則，焊后變形不規律，尺寸精度難以保證，從而影響受電弓正常組裝，因此需要設計受電弓上框架組焊工裝，以控制焊接變形，保證尺寸精度。

2 工裝設計與變形控制

2.1 工裝設計

上框架為鋁合金材料，若焊接時與碳素鋼材料直接接觸易影響焊接接頭的耐蝕性，且鋁合金導熱性較好。因此，為了避免工裝對焊縫質量和焊接熱輸入的影響，工裝上與上框架直接接觸的部件選用導熱性差和耐蝕性好的奧氏體不銹鋼材料，且其硬度高，更耐磨。而其他部件則選擇性價比更高的45鋼和Q235B鋼[3]。

由于上框架主要組成材料為空心鋁合金管材，總重量僅10.16kg，因此工裝的裝夾方式均為手動。為了防止左右支座與頂管間距（1909±1）mm和平面度因焊接變形而超差，要對所有管件表面進行剛性固定；左右支座通過定位塊保證間距（200.5±0.2）mm，然后通過螺栓夾緊固定，并且有效避開了反面焊縫焊接操作與定位裝置的干涉。配備變位機后能夠實現正反兩面焊縫的變位焊接操作，左右支座定位裝置如圖3所示。

圖3 左右支座定位裝置

2.2 工裝調試

工裝制作完成后，按照要求在工裝上進行上框架組焊，焊后待上框架完全冷卻后脫模，然后對上框架的尺寸進行測量。經過驗證，工裝使用和產品質量都存在不同程度的問題，組焊的首件上框架便不合格。

1）工裝在脫模時，上框架左右支座與工裝相互卡滯，無法順利脫模，最后用木槌敲出后，左右支座上存在較深的劃痕，且經過尺寸檢測，左右支座間距尺寸為197.6mm，超差2.9mm。

2）通過尺寸檢測，左右支座與頂管間距尺寸為1907.5mm，超差1.5mm，且上框架的平面度為4.2mm，超差3.2mm，導致通過機械矯正也難以保證尺寸，且出現了頂管扭曲的新問題。

2.3 原因分析

1）加強管與兩側變徑管焊接時，在焊接收縮應力的作用下，兩側變徑管會向內收縮，而左右支座距加強管的距離僅為90mm（見圖4），二者距離較近，導致左右支座也向內收縮；此外，左右支座焊縫偏向變徑管內側，焊接時向內側彎曲變形，最終導致左右支座與工裝產生卡滯現象。脫模后，收縮應力得到釋放，左右支座的間距偏小，無法達到（200.5±0.5）mm尺寸要求。

圖4 左右支座與加強管相對位置

2）雖然上框架在夾緊狀態下完成焊接，冷卻后脫模，但由于上框架的焊縫大多數集中在同一側，所以焊接時產生的應力較大，在夾具松開后部分應力釋放，上框架仍向焊縫較多的一側彎曲變形，從而導致左右支座與頂管間距（1909±1）mm尺寸偏小，而平面度偏大。

2.4 變形控制

圖5 左右支座可伸縮式定位裝置示意

（1）采用可伸縮式定位裝置控制變形 由于焊接應力不可避免，因此只能更改工裝結構，將左右支座定位裝置從原來的固定式更改為可伸縮式，如圖5所示。左右支座通過螺栓分別與定位塊一和定位塊二進行裝配，然后進行定位焊，焊接時將旋轉軸旋轉90°，此時通過頂桿可頂開左右支座的兩個定位面至工藝放量尺寸204.5mm，工藝放量的尺寸精度可通過旋轉軸上的卡槽深度控制伸出長度來保證；焊接完成后，再次旋轉旋轉軸90°，左右支座的兩個定位面在焊接應力的作用下自動縮回至200.5mm，可實現左右支座的變形控制，并且能夠保證順利脫模。

（2）工裝上設計反變形 由于結構不對稱，上框架焊后彎曲變形的方向一致，所以根據首件焊后平面度超差數據，在焊前預留3.5mm的反變形，以抵消焊接變形。但要在保證裝配質量的前提下，預先將兩根圓管向一側彎曲同樣的弧度十分困難，因此考慮通過工裝實現。將變徑管端部的U形定位塊高度降低3.5mm，在變徑管裝配后，通過壓緊裝置將變徑管夾緊，使其向下彎曲3.5mm，則上框架定位面至基準面的高度從90mm變為86.5mm（見圖6），從而實現在工裝上預留反變形。

圖6 變徑管端部U形定位裝置

2.5 效果驗證

工裝改造完成后，焊接了5件上框架，在脫模時左右支座不再出現卡滯現象，且表面無劃傷。經檢測，尺寸多數在公差范圍內，只有部分平面度超差。上框架尺寸檢測結果見表1。

由表1可看出，5件上框架（1909±1）mm尺寸基本偏小，且平面度都偏大，甚至部分出現超差情況，說明反變形量預留不足，因此將反變形量由3.5mm更改為4mm，經過后續一個月的批量測試，各項尺寸均能滿足要求。

表1 上框架尺寸檢測結果

3 結束語

本文通過分析受電弓上框架結構及焊接變形規律，設計并改進了上框架組焊工裝，主要結論如下。

1）巧妙地設計了可伸縮式定位裝置，解決了由于焊接變形而導致左右支座無法脫模的問題。

2）在工裝上設計了合理的反變形，解決了焊接變形造成的平面度超差問題。

3）通過工裝的使用，產品一次交檢合格率達到了97%，且不合格件通過機械矯正也能完全滿足要求，為保障受電弓的裝配質量提供了重要條件。