动车组铝合金车体底架焊接变形控制

动车组铝合金车体底架焊接变形控制

郑立伟,陈树强,崔玉华,毛鑫,贾婷

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000

摘要：随着经济的发展，高速列车日益成为人们交通工具，其运行稳定性和安全性直接影响着乘坐人员安全。铝合金车体作为高速列车载体，其生产质量直接影响到车体运行安全，所以在生产铝合金车体时，要严格控制关键部件质量。

关键词：动车组；铝合金车体；底架焊接；变形控制

铝合金车体作为高速列车重要部分，其质量直接关系到列车运行质量及安全，生产时要给予足够重视及严重管控，以确保列车运行质量及安全。尤其是动车组在高速列车运行中始终处于高速运作状态，在任何时候都要承受来自车钩、转向架等的巨大外部冲击，对焊接部件质量要求高，需从根本上重视动车组底架生产，加强底架焊接变形控制，严格底架生产质量管理，为列车安全运行提供有效保障。

一、动车组铝合金车体底架结构及其焊接变形原因

在列车动车组构架中，铝合金车体底架一般用框架设计结构，由枕梁、端中梁、横梁、边梁、地板等部件组成。其中，部件构造材料为热处理增强铝合金，具有较强抗压及坚固指数，然而，铝合金熔点低，导热与热膨胀系数大，在生产尤其是焊接时，由于温度过高，易造成焊接变形，严重影响底架结构稳定性。因此，需严格控制焊接变形，确保车体底架结构稳定性。

在动车组铝合金底架生产中，一般需经大量操作工序，如端部底架预组、底架框架组焊、底架框架部件安装、地板铺装等，生产过程繁琐，尤其是框架底部焊接有大量接头位置，需大量焊接操作且操作程序难度大。其中，在控制底部半宽尺寸方面，由于涉及多个角度及薄厚板焊接工艺，焊接类型复杂多变，是车体底架焊接变形重点防范对象。

二、动车组铝合金车体底架焊接变形控制措施

1、底架宽度尺寸控制。某动车组宽度尺寸变化是由于地板间正反4条4V连接焊缝和地板与边梁搭接a5角焊缝焊接造成，最严重的横向收缩变形是中间正反四条4V焊缝。在产品生产中，两侧边梁压卡从一位端到二位端每1500mm有一个约束，压卡均匀，所以预制宽度方向的工艺放量为3～4mm，然而，由于需在底架地板端焊接端部缓冲梁，端部角中部区域工艺放量增加了2mm，以抵消端部缓冲梁焊接中宽度收缩。

为进一步验证焊前宽度方向工艺放量，使用sysweld软件对对接焊缝焊接收缩、变形和应力状况进行数值模拟，并分析对接焊缝焊接完成后焊缝收缩和母材的变形。每条4V焊缝完成后，最大焊接变形点为1.1mm，但大多变形量在0.5～0.6mm内，底架边梁和地板角焊缝焊接后也有一定收缩量，给予补偿量为1mm，几条焊缝收缩叠加后，其基本上与工作试件横向收缩量相同，所以中间区域的宽度方向设定了3～4mm工艺放量，两端宽度方向工艺放量为4～5mm，以满足焊接横向收缩变形。

2、控制底架边梁平行度和地板平面度。底架边梁平行度和旁弯通过焊接组焊工装保证，为更好地控制底架边梁不倾斜和旁弯变形，边梁放人工装后，使用压卡将边梁与定位基准横向压实。地板边梁正装焊接时，边梁四个方向都施加约束，反装焊接时边梁3个方向经压卡施加约束，边梁自由度受到控制，不能任意变形。此外，焊接工装定位基准平面度要求在0.5mm内，保证了边梁平面度和旁弯变形控制。当端部缓冲梁焊接在底架上时，因端部缓冲梁和边梁间有大量焊缝连接，为防止边梁横向变形，采用短支撑横向压卡边梁，用顶镐竖直压卡边梁，从而增加了边梁刚度，而且约束了其自由度，使其不会因焊接收缩而变形。

地板平面度从两方面控制：一方面，地板与边梁焊接时整体地板平面度，在焊接地板连接焊缝时，地板与边梁间段焊对地板横向有一定约束，导致地板连接焊缝完成后产生显著内应力，致使地板焊接变形，控制质量直接影响底架交出时结果，所以要严格控制。另一方面，底架端部地板平面度因地板端部缓冲梁焊接而超差，是因端部缓冲梁与地板间有许多连接焊缝，且焊缝都在地板反装端部区域，并且因地板型材薄，端部缓冲梁焊接中有较多焊接热输入，导致焊接能量集中，焊接中产生焊接应力要通过较弱地板释放，以实现工件本身平衡，所以在焊接端部缓冲梁时，要提前在地板上预制一定反变形量，以抵消端部缓冲梁焊接引起的焊接变形。

在焊接地板和边梁时，地板平面变形是由地板间连接焊缝引起。采取措施为：①焊接顺序应从中间到两侧，应力可从中间向两侧释放，减少一些焊接应力；②优化地板与边梁段焊工艺，即减少地板与边梁间点固段焊数量，这样能在焊接地板连接焊缝时降低边梁对地板约束力，进而降低焊接地板连接焊接后焊接应力，减轻一些焊接应力引起的焊接变形。同时，为验证段焊减少对焊接变形影响，使用Sysweld软件对地板对接焊缝前后应力状况进行数值模拟，结果表明，一定程度上减缓了由焊接应力引起的地板焊接变形。

此外，为抵消焊接应力引起的地板焊接变形，在地板、边梁反装焊接工序及端部缓冲梁组焊工序中，对地板进行了相应预制反变形，如图1所示。图1a显示了边梁地板反装焊接中在地板支撑上施加的预制反变形，是根据工作试件进行优化制定，反装胎梁上支撑高度不同，中间最高，向车长和车宽方向递减。为抵消底架焊接中端部缓冲梁局部变形，在边梁和地板焊接中，端部地板需做凹，所以焊接地板时，端部地板预制反变形与中间区域不同，这不但满足了地板本身平面度要求，还抵消了一些端部缓冲梁焊接引起的地板变形。

图1   地板支撑预制反变形

图1b、c显示了地板上焊接前端部缓冲梁预制反变形，是因端部缓冲梁以厚板为主，具有较大刚度和强度，地板型材虽有一定厚度，但单面型材薄，焊接端部缓冲梁与地板连接焊缝时热量集中，焊接时因缓冲梁和地板导热速度不同，焊接时与之后冷却产生的焊接应力通过薄弱地板型材释放，导致地板局部变形及端部抬头，所以要在横纵向上预先施加一定反变形量，以抵消底架端部缓冲梁焊接变形。

3、底架车钩变形控制。其包括车钩面板垂直度控制、车钩中心孔与边梁尺寸控制。车钩面板底架工艺的垂直度要求为0.3mm，直接影响整车运行安全，一旦车钩前后严重倾斜，易导致组装车钩低头或扬起，造成整车运行中脱轨隐患，所以在底架工序中要严格控制车钩面板垂直度，防止端部缓冲梁与地板焊接造成车钩面板变形。车钩中心孔与边梁间距离较重要，公差要求小于3mm，其尺寸准确性直接影响车体落车及转向架安装，应给予重点控制。

同时，为减少焊接端部缓冲梁焊接残余应力引起的车钩面板变形，在端部缓冲梁组焊中采取以下措施：①端部缓冲梁与地板、边梁连接焊缝焊接时，采用由内向外焊接顺序，将焊接应力一部分从内部释放出来，减轻焊接残余应力变形。此外，对于较长焊缝，采用分段退焊焊接，充分释放焊接应力，有效控制焊后变形，减少调修工作量。②纵向从转向架中心到端部逐渐预制一个16mm反变形，这样能解决由于底架前端抬头而导致车钩面板垂直度超差问题，还能抵消车钩面板中心孔到边梁距离超差问题。③装配时，端部缓冲梁与地板和边梁间角焊缝应尽可能紧密无间隙，减少焊缝填充量及焊接收缩，最大限度减少焊接变形。

通过上述措施，有效控制底架组成焊接变形及关键尺寸，使用莱卡及平尺检测完成底架，确保了生产质量并满足生产要求。

参考文献：

[1]尹德猛.动车组底架自动焊接变形控制[J].电焊机，2016，46(05):106-108.