侯步逸，鞏銳，王治國(guó)，任博，陳超，康鐵宇，李順，李寶玉，張文華

（北京北方車(chē)輛集團(tuán)有限公司，北京 100072）

0 引言

自然災(zāi)害救援機(jī)器人平臺(tái)具備高機(jī)動(dòng)、多地域水陸兩用、抗沖擊、抗跌落、高承載等能力，為其上的各種設(shè)備提供可靠工作平臺(tái)及安全有效的防護(hù)[1]。因此高可靠性救援機(jī)器人平臺(tái)的輕量化設(shè)計(jì)是需要解決的重要問(wèn)題。針對(duì)救援機(jī)器人平臺(tái)輕量化的需求，開(kāi)展高性能輕量化鋁合金車(chē)體的設(shè)計(jì)制造研究。本文從車(chē)體結(jié)構(gòu)、焊接、板材加工、焊接質(zhì)量控制、焊接殘余應(yīng)力消除技術(shù)等方面進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 輕量化總體技術(shù)方案

車(chē)體結(jié)構(gòu)輕量化的途徑主要有兩種：一種是從新材料入手，廣泛采用輕金屬或現(xiàn)代復(fù)合材料等低密度材料作為原料，以達(dá)到減重的目的；二是從優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證承載能力和可靠性的前提下減輕其質(zhì)量[2]。

針對(duì)救援機(jī)器人平臺(tái)研制需求，以鋁合金車(chē)體為研究對(duì)象，開(kāi)展鋁合金車(chē)體設(shè)計(jì)、材料的機(jī)械加工與成形、焊接工藝、焊接質(zhì)量檢測(cè)與控制、焊后應(yīng)力消除技術(shù)等研究，通過(guò)救援機(jī)器人平臺(tái)全尺寸制造進(jìn)行工程化驗(yàn)證，形成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范與工藝規(guī)程。總體技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 大型復(fù)雜鋁合金車(chē)體設(shè)計(jì)制造技術(shù)總體方案

2 鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

2.1 全尺寸鋁車(chē)體三維建模

車(chē)體是由鋁板焊接而成的堅(jiān)固殼體，可以為動(dòng)力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等其它分系統(tǒng)提供可靠的工作平臺(tái)、提高防護(hù)性能，為載員及各種設(shè)備提供安全有效的防護(hù)[3]。車(chē)體分為動(dòng)力艙和載員艙，車(chē)體由前部甲板、側(cè)部甲板、頂部甲板、底部甲板、后部甲板、動(dòng)力室隔板、桁架和各型縱、橫筋板等組成的一個(gè)密閉殼體。為了保證車(chē)體具有足夠的剛度、強(qiáng)度，在車(chē)體內(nèi)部增加立柱、加強(qiáng)筋。

2.2 典型工況下車(chē)體剛強(qiáng)度有限元分析

為了保證車(chē)體的強(qiáng)度能夠滿足使用需求，在已有的三維模型基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)體施加車(chē)輛的典型工況并進(jìn)行有限元仿真分析。車(chē)體采用厚度為12～30 mm不等的鋁板焊接而成，板厚相對(duì)于車(chē)體外形尺寸要小得多，因此可以視車(chē)體為薄殼結(jié)構(gòu)，采用二維、三維單元混合建模的方法建立車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型（如圖2），并對(duì)不同載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

圖2 車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 各工況整車(chē)變形及應(yīng)力結(jié)果

項(xiàng)目進(jìn)行了4種工況的計(jì)算分析，可以得出結(jié)論：

1）靜載工況、牽引工況、起吊工況下，模型的最大應(yīng)力均不超過(guò)240 MPa，變形不超過(guò)1.69 mm。因此，這3種工況下車(chē)體的剛度和強(qiáng)度均符合要求。

2）8倍向上沖擊工況為危險(xiǎn)工況。最大沖擊應(yīng)力達(dá)到了174.3 MPa，接近材料焊縫強(qiáng)度240 MPa，安全裕度較低。

2.3 車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)車(chē)體有限元分析結(jié)果，對(duì)車(chē)體關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)車(chē)體頂甲板座圈的主要承載部位的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的車(chē)體關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)承載形式，如圖3所示。

圖3 車(chē)體關(guān)鍵承載部位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式

3 鋁合金車(chē)體工藝輕量化設(shè)計(jì)

3.1 鋁合金材料的機(jī)械加工與成形1）鋁合金零部件的切割下料。

車(chē)體鋁合金系鋁、鋅、鎂時(shí)效強(qiáng)化的高強(qiáng)度鋁合金。熱處理工藝為465 ℃/1 h，水中淬火，120 ℃/24 h人工時(shí)效。經(jīng)過(guò)熱處理后的材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到480 MPa左右，因此采用等離子等熱切割時(shí)，存在熱影響區(qū)和變形，熱影響區(qū)鋁合金甲板性能降低，需后續(xù)機(jī)加處理，對(duì)甲板變形需進(jìn)行矯正處理。同時(shí)，也不適合采用剪床下料，容易造成鋁合金甲板下料的切割面產(chǎn)生裂紋[4-6]。

水射流切割不產(chǎn)生熱變形和熱影響區(qū)，不會(huì)改變被切材料的材質(zhì)和性能；切口質(zhì)量高，沒(méi)有毛刺、掉渣，薄金屬板的切邊不發(fā)生卷口現(xiàn)象；切口寬度小，有利于提高材料利用率；可以從材料上任意一點(diǎn)開(kāi)始和中止切割，而且加工零件內(nèi)部開(kāi)孔也較容易。因此鋁合金采用高壓水切割進(jìn)行板材下料和切割成形。

針對(duì)板材的特性，以常用的厚度為20 mm的鋁板進(jìn)行了切割測(cè)試，通過(guò)對(duì)機(jī)床的切削性能參數(shù)的調(diào)整，優(yōu)化了水射流切割工藝性能。

2）鋁合金零部件成形。

材料屬于超硬鋁合金，車(chē)體鋁合金防護(hù)件成形非常困難（抗拉強(qiáng)度為486 MPa，伸長(zhǎng)率為3.5%左右），是鋁合金車(chē)體制造難點(diǎn)之一。經(jīng)過(guò)大量技術(shù)攻關(guān)和驗(yàn)證，首次提出和開(kāi)展了鋁甲板材熱壓成型工藝技術(shù)研究，經(jīng)過(guò)一系列系列研究實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了指標(biāo)要求：a.產(chǎn)品成形后無(wú)裂紋現(xiàn)象；b.壁厚減薄量≤20%；c.回彈量滿足90°度要求。突破鋁合金成形技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)了在鋁合金成形工藝方面的空白，在新型材料應(yīng)用領(lǐng)域拓展新的空間，為新型號(hào)科研奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。彎板成品如圖4所示。

圖4 彎板成品

3.2 鋁合金焊接工藝與質(zhì)量控制技術(shù)

1）鋁合金焊接工藝優(yōu)化。

研究單、雙絲焊接工藝電弧特性、工藝參數(shù)、焊接順序、環(huán)境條件和焊縫變形的關(guān)系規(guī)律。通過(guò)焊接試驗(yàn)初步確定焊接工藝規(guī)范，在部件焊接過(guò)程中，根據(jù)部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化焊接電流、焊接電壓、焊接速度、氣體流量等工藝參數(shù)。

通過(guò)鋁合金單、雙絲焊接工藝試驗(yàn)，結(jié)合焊縫成形質(zhì)量、內(nèi)外部質(zhì)量及接頭的力學(xué)性能等結(jié)果，得到的鋁合金單、雙絲焊接工藝參數(shù)。

2）鋁合金質(zhì)量檢測(cè)及接頭性能試驗(yàn)。

對(duì)焊接試板及5種典型焊接接頭進(jìn)行X射線、宏觀金相、力學(xué)性能、外觀質(zhì)量等檢測(cè)，評(píng)定焊縫質(zhì)量，明確焊縫質(zhì)量分布狀態(tài)，為優(yōu)化焊接工藝和焊接缺陷控制提供數(shù)據(jù)支撐。

工藝優(yōu)化前、后的X射線探傷結(jié)果如圖5所示。從中可以看出，焊接工藝優(yōu)化前氣體保護(hù)不穩(wěn)定，在收弧處容易出現(xiàn)氣孔（圖5（a）中左側(cè)邊緣有1處），經(jīng)過(guò)焊接工藝優(yōu)化并采取相應(yīng)措施后未出現(xiàn)氣孔。

圖5 工藝優(yōu)化前后X射線探傷結(jié)果

通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)焊縫力學(xué)性能指標(biāo)，通過(guò)端口檢查焊接缺陷，用以?xún)?yōu)化焊接工藝。對(duì)20 mm鋁板焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試件如圖6所示。

圖6 力學(xué)性能試驗(yàn)試件及斷口

選取表面成形好，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格的試板制成拉伸試樣測(cè)試接頭的力學(xué)性能。按照GB/T 2651-2008標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所焊樣件進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 焊接接頭力學(xué)性能分布圖

試樣全部斷于焊縫，9塊樣件的平均抗拉強(qiáng)度為291 MPa，平均斷后伸長(zhǎng)率為7.27%。

3）鋁合金焊接質(zhì)量控制。

通過(guò)對(duì)氣孔、裂紋產(chǎn)生原因和機(jī)理的分析，制定鋁合金焊接過(guò)程中焊接質(zhì)量控制措施。對(duì)研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析，驗(yàn)證焊接質(zhì)量控制措施，并進(jìn)行優(yōu)化和補(bǔ)充完善。研究鋁合金車(chē)體焊縫焊前清理、手工焊焊接位置、焊接設(shè)備使用和維護(hù)、焊接工藝參數(shù)、焊接操作技巧、焊縫返修等對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部分散氣孔是發(fā)現(xiàn)最多的焊接缺陷，主要是因?yàn)椴僮髡吆附硬僮鞑划?dāng)，焊工經(jīng)過(guò)培訓(xùn)后，焊接時(shí)不夠熟練，焊槍傾角在焊接過(guò)程中發(fā)生變化，或焊接速度不均勻，造成熔池保護(hù)不穩(wěn)定而產(chǎn)生。焊縫內(nèi)部密集氣孔多發(fā)生在焊縫根部，也有的發(fā)生在整個(gè)焊縫內(nèi)部。試板焊后經(jīng)X射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)焊縫內(nèi)部產(chǎn)生氣孔，主要是與鋁合金表面清理效果和清理后被焊件表面微觀狀態(tài)有關(guān)；在用工具打磨鋁合金表面前，表面除油污等未處理干凈，在鋁合金表面存在其它雜質(zhì)；焊接過(guò)程中對(duì)焊縫熔池保護(hù)不好，如焊接操作手法、焊槍姿態(tài)、焊接速度不正確等造成。焊縫根部密集氣孔主要是因?yàn)楹缚p根部清理不干凈造成的。

結(jié)構(gòu)拘束度是焊接裂紋產(chǎn)生的力學(xué)條件。結(jié)構(gòu)拘束度過(guò)大，焊接性能良好的原材料也可能產(chǎn)生焊接裂紋。優(yōu)化焊接順序和裝夾位置可減小拘束度。

在焊接過(guò)程中，由于焊件受到了不均勻的局部加熱和冷卻，使焊件產(chǎn)生了不均勻的體積膨脹和收縮，導(dǎo)致焊件內(nèi)部產(chǎn)生了焊接殘余應(yīng)力，而焊接殘余應(yīng)力又是產(chǎn)生裂紋和變形的主要因素。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果、裂紋產(chǎn)生原因及機(jī)理分析，主要從選用合適材料、選用小拘束度結(jié)構(gòu)、選用適當(dāng)焊絲、采用對(duì)接雙面焊、采用合理補(bǔ)焊工藝、選用自動(dòng)焊、控制環(huán)境溫度等幾個(gè)方面制定了裂紋具體控制措施。

3.3 鋁合金車(chē)體制造工藝

1）鋁合金車(chē)體焊接工藝評(píng)定。

針對(duì)車(chē)體典型焊接接頭設(shè)計(jì)了幾十種焊接結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其中的5種車(chē)體典型焊接接頭進(jìn)行了焊接工藝優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)合焊縫成形、焊接變形、斷面宏觀金相的試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)。工藝優(yōu)化后根據(jù)Q/LJJ 04127-2015標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢測(cè)，5種車(chē)體典型焊接接頭樣件均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到I級(jí)焊縫水平。

2）焊接工裝設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)了一套模塊化車(chē)體組合工裝，該工裝由組合平臺(tái)、定位裝置和卡緊裝置組成，具有車(chē)體組合焊的快速制造能力，通過(guò)對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)的相似性及變化規(guī)律的研究分析，定位卡緊裝置設(shè)計(jì)為柔性可調(diào)整結(jié)構(gòu)，利用導(dǎo)軌和T形槽在一定范圍內(nèi)調(diào)整位置，當(dāng)車(chē)體尺寸變化時(shí)，通過(guò)絲桿副等機(jī)構(gòu)調(diào)整相應(yīng)部件的位置，更換定位板等以適應(yīng)不同車(chē)型的需要，節(jié)省了工裝制造時(shí)間等，保證了不同車(chē)型在同一裝置上的裝配精度。該工裝調(diào)整方便快捷，在多品種、小批量、多種車(chē)型頻繁交叉生產(chǎn)的情況下，滿足了車(chē)體組合焊快速響應(yīng)制造的生產(chǎn)需求。研發(fā)了車(chē)體自動(dòng)焊接全域空間柔性變位工裝裝備及雙絲焊系統(tǒng)。利用升降式頭尾架復(fù)合變位工裝實(shí)現(xiàn)了車(chē)體裝卡，通過(guò)縱軸旋轉(zhuǎn)加斜軸翻轉(zhuǎn)（即翻轉(zhuǎn)架底部露空）實(shí)現(xiàn)了車(chē)體底部焊縫船型位置調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了鋁車(chē)體底甲板全位置焊接。

3）車(chē)體焊接工藝。

針對(duì)大型復(fù)雜薄殼車(chē)體的焊接質(zhì)量要求和工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總體設(shè)計(jì)原則是盡量采用機(jī)器人自動(dòng)焊接、平焊位置、船型位置、減少?；〈螖?shù)。具體焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求為：a.對(duì)薄殼車(chē)體焊接結(jié)構(gòu)特征整體分析，利用成組技術(shù)原理，將車(chē)體劃分為多個(gè)部件，利用工裝保證車(chē)體尺寸；b.盡量采用自動(dòng)焊接、平焊位置、船型位置焊接部件，并研究部件裝配、點(diǎn)固、焊接工裝和工藝，控制焊接變形，保障焊接質(zhì)量；c.車(chē)體裝配焊接工裝可實(shí)現(xiàn)外部焊道平焊位置和船型位置，全部可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)焊接。

基于以上焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)車(chē)體外焊縫實(shí)現(xiàn)平焊船型位置機(jī)器人自動(dòng)焊接。通過(guò)車(chē)體組合設(shè)計(jì)解決了前橋零件裝配精度控制問(wèn)題。

3.4 鋁合金車(chē)體焊接質(zhì)量評(píng)估

1）車(chē)體焊縫外觀質(zhì)量。車(chē)體焊縫外觀質(zhì)量采用目視檢驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)容包括外觀清理質(zhì)量、幾何形狀、焊接缺陷、傷痕補(bǔ)焊等。經(jīng)檢測(cè)，車(chē)體焊縫清理質(zhì)量、幾何形狀、焊接缺陷、傷痕補(bǔ)焊符合要求，車(chē)體甲板焊接變形從15 mm/m降到3～4 mm/m，水平甲板長(zhǎng)直焊縫變形從11 mm/m降到2～3 mm/m，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2）車(chē)體焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

根據(jù)鋁合金車(chē)體設(shè)計(jì)要求，需要檢測(cè)的關(guān)鍵焊縫有4種，其結(jié)構(gòu)形式如圖9所示，主要檢測(cè)焊縫中是否存在氣孔、夾渣、未熔、未焊透和裂紋等缺陷。

圖8 車(chē)體外部機(jī)器人焊接焊縫示意圖

圖9 焊縫結(jié)構(gòu)形式

鋁合金車(chē)體按GJB 1486標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的X射線照相的方法檢驗(yàn)焊接接頭的內(nèi)部焊縫質(zhì)量，抽檢制造的鋁合金車(chē)體上述4種類(lèi)型焊縫質(zhì)量達(dá)到Ⅱ級(jí)以上。

3.5 鋁合金車(chē)體焊接殘余應(yīng)力消除技術(shù)

1）振動(dòng)時(shí)效處理工藝。利用時(shí)效專(zhuān)用橡膠墊將車(chē)體平穩(wěn)地支撐起來(lái)，與地面隔離，減少振動(dòng)能量向地面散失；將激振器通過(guò)弓形夾剛性地裝夾到車(chē)體剛度較強(qiáng)處。利用頻譜諧波時(shí)效設(shè)備對(duì)車(chē)體進(jìn)行頻譜分析，找出車(chē)體的幾十種諧波頻率，并從中優(yōu)選出7種諧波頻率備用；選擇5種諧波頻率進(jìn)行時(shí)效處理，處理的5種頻率需符合WJ 2696-2008《中華人民共和國(guó)兵器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》要求，頻率選擇完成后進(jìn)行時(shí)效處理。

2）焊接殘余應(yīng)力消除效果評(píng)估。檢驗(yàn)振動(dòng)時(shí)效的效果實(shí)際上就是檢測(cè)工件中殘余應(yīng)力是否得以消除和均化，采用盲孔法殘余應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)工件在時(shí)效前后分別做一次殘余應(yīng)力檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比兩次檢測(cè)數(shù)據(jù)，判斷時(shí)效效果。

對(duì)車(chē)體頻譜諧波時(shí)效前后的應(yīng)力值進(jìn)行檢測(cè)，時(shí)效后的殘余應(yīng)力得到下降和均化，并且滿足WJ 2696-2008標(biāo)準(zhǔn)中6.2.2.4節(jié)的要求，即：用振前和振后的最大與最小應(yīng)力平均值計(jì)算應(yīng)力降低率。車(chē)體時(shí)效后，應(yīng)力下降，檢測(cè)結(jié)果為58.9%。

表2 車(chē)體典型位置應(yīng)力檢測(cè)表

4 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人平臺(tái)的總體輕量化設(shè)計(jì)研制目標(biāo)，研究了救援車(chē)體結(jié)構(gòu)工藝一體化的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，首先提出了鋁合金車(chē)體輕量化的總體技術(shù)方案。在此基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料的機(jī)械加工與成形工藝、焊接工藝與焊接質(zhì)量控制、車(chē)體加工制造工藝、車(chē)體焊接質(zhì)量評(píng)估、車(chē)體焊接殘余應(yīng)力清除等開(kāi)展研究。從結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)、加工制造等多維度共同實(shí)現(xiàn)了車(chē)體輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。