顏曉麗，郭永碩，劉建利，劉宇航，于 海

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 前言

焊接是一個(gè)驟熱驟冷過(guò)程，不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接變形，不利于生產(chǎn)實(shí)際。焊接變形[1]的大小與焊接方法、材質(zhì)、板厚、焊接參數(shù)、填充道數(shù)等多因素有關(guān)，根據(jù)不同材料的熱變形特點(diǎn)，可以預(yù)先做與焊接變形相反趨勢(shì)的反變形量，以抵消焊接變形對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。但是并非所有結(jié)構(gòu)和材料都能做反變形，而且反變形并不能使得工件焊后完全達(dá)到理想狀態(tài)?？刂坪附幼冃涡枰喾N方法相結(jié)合，包括焊前、焊中、焊后全過(guò)程的控制，焊前控制如預(yù)先做反變形，制定合理的焊接順序加上適當(dāng)?shù)膲嚎ㄑb置可以控制焊接過(guò)程中的焊接變形，焊后的機(jī)械調(diào)修和火焰調(diào)修等方法也可有效調(diào)修工件。

板材、型材等材料在自由狀態(tài)下焊接時(shí)，由于沒(méi)有機(jī)械外力的阻礙，焊接變形很大，且各焊縫的相互影響使得焊后工件狀態(tài)不可控。高速列車采用鋁合金材料，能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化目標(biāo)[2-4]，因鋁合金材料獨(dú)特的物理化學(xué)特性，焊接時(shí)變形很大[5]。工件的焊接往往在匹配的工裝上進(jìn)行，配合工裝自帶的壓卡裝置或F卡等固定裝置，裝配工件的各個(gè)部件后進(jìn)行焊接。裝配與焊接配合并合理調(diào)整順序控制焊接變形十分重要。本研究以高速列車上的垂直墻為例，介紹一種裝配條件下焊接變形的控制方法。

1 問(wèn)題的提出

垂直墻是空氣動(dòng)力學(xué)的重要組成部分[6]，是連接地板與前墻的重要部分，對(duì)平面度和垂直度都有很高的要求。高速列車的垂直墻由前墻左下部連接梁、前墻左上部連接梁、底架下部縱梁、車鉤安裝立柱、排障器安裝座、連接板6部分組成，如圖1所示。垂直墻對(duì)平面度和垂直度要求較高，但實(shí)際生產(chǎn)時(shí)焊接變形較大，且各個(gè)部件板厚較大，不易調(diào)整，這要求垂直墻在焊前和焊中盡可能控制焊接變形，減小焊后調(diào)修的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖1 垂直墻各部件組成

當(dāng)前垂直墻的生產(chǎn)存在以下問(wèn)題：

（1）板厚較大，焊縫較多，易變形，平面度不易控制。垂直墻各部件板厚為12mm、10mm或28mm，焊縫形式為12V、10V和10HY+a10。垂直墻各部件板厚較大，焊縫需多層多道焊接，焊接過(guò)程中的焊接收縮較大，平面度不易控制，且焊后由于板厚較大，整體工件的剛度較大，不易調(diào)整。

（2）垂直墻在沒(méi)有工裝的條件下很難進(jìn)行壓卡和定位，且垂直墻為正反對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在焊接過(guò)程中翻轉(zhuǎn)困難，難以控制焊接變形，急需相應(yīng)的壓卡和定位裝置。

（3）結(jié)構(gòu)不方正，垂直度難以保證。

底架下部縱梁與連接板間的垂直度、底架下部縱梁與車鉤安裝立柱的垂直度是垂直墻焊接過(guò)程控制的難點(diǎn)。底架下部縱梁長(zhǎng)度和板厚較大，連接板厚度較小，若固定底架下部縱梁，連接板與之配合，由于連接板剛度較小，焊接過(guò)程中的焊接變形較大，垂直度不易保證。底架下部縱梁與車鉤安裝立柱焊后，兩者間的直角易小于90°，垂直度難以保證。

2 解決方案與實(shí)施過(guò)程

2.1 劃部件裝配方法控制平面度

劃部件裝配是指將多個(gè)部件的焊接整體分散開(kāi)，2個(gè)或3個(gè)部件分別組焊，再將組焊好的各個(gè)大模塊組裝進(jìn)行焊接。

垂直墻原來(lái)在平臺(tái)上焊接，如圖2所示，將①、②、③、④裝配后進(jìn)行點(diǎn)固，再將部件間焊縫進(jìn)行正反面對(duì)稱焊接，再焊接⑤，機(jī)加工后焊接⑥。這樣裝配和焊接的缺點(diǎn)是：垂直墻在沒(méi)有壓卡的限制下，整體的平面度不易控制，焊接件的直角一般會(huì)小于90°，尤其是連接板厚度較小，長(zhǎng)度較大，焊后易變形，垂直度很難滿足要求。

圖2 平臺(tái)上焊接垂直墻

針對(duì)以上垂直墻平面度和垂直度難以達(dá)到要求的問(wèn)題，對(duì)垂直墻進(jìn)行劃部件裝配和焊接。對(duì)于垂直墻來(lái)說(shuō)，前墻左下部連接梁、前墻左上部連接梁較為方正，可分成一組進(jìn)行焊接；底架下部縱梁與連接板間的焊縫相對(duì)其他焊縫較為獨(dú)立，可分成一組進(jìn)行焊接，用5組F卡卡緊連接板，大大減小連接板的焊接變形；車鉤安裝立柱與其他部件間焊縫有較多聯(lián)系和交叉，可與這兩組焊好的部件組進(jìn)行焊接；最后焊接板厚較大、相對(duì)獨(dú)立的部件排障器安裝座，如圖3～圖6所示。劃部件焊接能夠避免小件間焊縫在工件翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的變形，有利于保證工件整體平面度，且顯著減小勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

2.2 3D平臺(tái)設(shè)置定位塊和壓卡控制尺寸

在3D平臺(tái)上設(shè)置壓卡和定位塊，可以有效控制工件的變形情況，改善垂直墻的焊接變形大、不易保證平面度和垂直度的問(wèn)題，3D平臺(tái)上的壓卡裝置和檢測(cè)裝置分別如圖7、圖8所示。

2.3 做反變形控制垂直度，合理調(diào)整焊接方法控制變形

底架下部縱梁與車鉤安裝立柱間的垂直度是控制難點(diǎn)，底架下部縱梁長(zhǎng)度較大，焊接過(guò)程中的焊接收縮不均勻，焊后很難保持90°，一般焊后該角度為銳角?；?D平臺(tái)的壓卡裝置，在直角處的定位塊上加2 mm墊片做反變形并壓緊，使焊前底架下部縱梁與車鉤安裝立柱間的角度為鈍角，焊后基本能夠保證該處角度為直角，大大減少后期調(diào)修的難度和強(qiáng)度。預(yù)制反變形如圖9所示。

此外，底架下部縱梁與連接板間的垂直度要求也較高，若固定底架下部縱梁，連接板與之配合，因連接板剛度較小，焊接過(guò)程中焊接變形較大，垂直度不易保證。因此采用連接板在3D平臺(tái)上進(jìn)行固定裝卡，再以連接板為基準(zhǔn)裝卡底架下部縱梁，對(duì)底架下部縱梁與連接板間的10V焊縫分段段焊6段進(jìn)行固定，保證其垂直度，如圖10和圖11所示。

根據(jù)以上方案調(diào)整垂直墻的生產(chǎn)，大大改善了工件質(zhì)量，對(duì)比結(jié)果如表1和表2所示。

圖3 前墻左下部連接梁與前墻左上部連接梁間焊縫焊接

圖4 架下部縱梁與連接板間焊縫焊接

圖5 車鉤安裝立柱與其他部件間的焊接

圖6 排障器安裝座的焊接

圖7 3D平臺(tái)上的壓卡裝置

圖8 3D平臺(tái)檢測(cè)裝置

表1 兩種方法工件焊后平面度比較

2.4 結(jié)果

（1）整體焊接工件焊后平面度可達(dá)3～5 mm，需要機(jī)械調(diào)修和火焰調(diào)修配合使用3次調(diào)修，基本滿足平面度2 mm以內(nèi)；采用本研究方法進(jìn)行組焊，工件焊后平面度基本可以達(dá)到2 mm，一次機(jī)械調(diào)修和火焰調(diào)修配合或不調(diào)修即可滿足平面度要求。

（2）整體焊接工件，焊后底架下部縱梁與連接板間的角度為87°～89°，且連接板易出現(xiàn)波浪變形，需機(jī)械調(diào)修和火焰調(diào)修配合使用2次調(diào)修；采用本研究的方法進(jìn)行組焊，連接板變形較小，垂直角度基本可達(dá)到90°，機(jī)械調(diào)修微調(diào)或不調(diào)即可滿足要求。

（3）整體焊接工件，焊后底架下部縱梁與車鉤安裝立柱間角度為88°～89°，很難通過(guò)調(diào)修達(dá)到90°；組焊后垂直角度基本可以達(dá)到90°。

綜上所述，調(diào)整各個(gè)部件裝配和焊接方法，垂直墻焊后垂直度和平面度基本能夠達(dá)到要求，小強(qiáng)度的調(diào)修或不調(diào)修即可滿足要求。

圖9 反變形定位塊

圖10 連接板的固定

圖11 底架下部縱梁與連接板間焊縫分段段焊

表2 兩種方法工件焊后垂直度比較

3 結(jié)論

采用劃部件裝配和焊接方法保證平面度，同時(shí)利用3D平臺(tái)上的定位塊和裝卡控制垂直度，并在定位裝置上加反變形，有效控制了垂直墻的底架下部縱梁與連接板間的垂直度、底架下部縱梁與車鉤安裝立柱的垂直度，大大減小垂直墻焊接過(guò)程中平面度和垂直度，避免焊后大強(qiáng)度的調(diào)修，減少人力、物力和時(shí)間的投入，顯著提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也滿足生產(chǎn)和使用要求，對(duì)于高速列車工件的生產(chǎn)具有非常重要的指導(dǎo)意義。

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