端墙轮廓尺寸研究与控制

李 会，王陆钊，李 聪，郭继祥，杨艳群

(唐山轨道客车有限责任公司制造技术中心，河北唐山063035)

0 前言

随着动车组、城轨车的高速发展，轨道车辆的生产效率逐渐成为生产单位关注的焦点之一。某轨道车辆项目车体生产过程中，端墙的轮廓尺寸局部超差，无法满足设计要求，需对尺寸不满足要求的部分进行返修，这增大了劳动强度、降低了生产效率。因此针对组焊后普遍出现端墙轮廓尺寸超差的问题，从焊接变形、端墙板机加工尺寸控制、弯曲型材尺寸、焊接顺序等方面进行了综合分析。并且针对问题产生的原因，结合生产实际，提出了控制端墙轮廓尺寸超差的有效措施。

1 研究内容

图1为某轨道车辆项目的端墙结构，设计图纸要求端墙组焊完成后，车顶连接梁最高点M与端墙最宽点N之间的轮廓尺寸(见图2b)的制造偏差为20±2 mm。在生产过程中，采用离弧检测样板对端墙轮廓尺寸进行检测，测量基点分别为车顶连接梁的最高点M和端墙最宽点N，测量结果发现批量端墙轮廓尺寸局部超差，超差部分集中在侧弯梁、侧弯梁与车顶连接梁的连接处（见图2b和图6），超差范围为0～4 mm，不能满足设计要求，因此，需要进行返修，但返修过程繁琐，且会降低产品力学性能，浪费人力、材料和时间，降低生产效率，影响生产进度。因此，本研究对端墙轮廓尺寸局部超差问题进行综合分析，阐述问题产生的原因，并找出解决措施。

图1 端墙结构

2 原因分析和解决措施

综合分析后发现产生上述问题的原因包括：焊接过程中焊接热输入集中使得工件局部温度过高，导致测量基点M下塌；端墙板宽度尺寸小，导致测量基点N向内部偏移；弯曲型材的弯曲回弹导致端墙轮廓尺寸局部增大；焊接顺序不同引起焊后型材收缩量不同等几个方面。针对问题产生的原因，通过试验和工艺验证，最后得出了以下合理解决方案。

（1）减小端墙轮廓尺寸测量基点向端墙内部的偏移量。

端墙组成由端墙板和1～6号件组成，图2a为端墙板结构图；图2b为端墙组成图，其中1号件为车顶连接梁，2号件为侧弯梁，3号件为内弯梁，4号件为盖板，5号件为端角柱，6号件为复轨座。图2b中以车顶连接梁的最高点M、端墙最宽点N作为离弧检测样板测量端墙轮廓尺寸的测量基点，发现批量端墙的侧弯梁、侧弯梁与车顶连接梁连接处的轮廓尺寸超差，其原因之一是测量基点向端墙内部偏移。通过图2b可以看出，当车顶连接梁的最高点M、端墙最宽点N由于某种原因向端墙内部偏移，而M和N两基点之间的端墙型材并未整体向内部偏移，最终导致M和N之间的端墙轮廓尺寸测量值偏大。通过分析得出以下措施改善测量基点M和N向端墙内部偏移，减小端墙局部轮廓超差的数值。

图2 端墙结构及组成

a.调整焊接顺序并控制焊接过程中工件温度。

车顶连接梁和复轨座之间采用a4的单层单道角焊缝连接，焊缝长度为641 mm，焊接方法为MIG焊，如图3所示。通过对车顶连接梁型材焊前高度、焊后高度尺寸进行批量测量和对比，发现所有车顶连接梁型材与复轨座连接的焊缝处都有不同程度的下塌，最大约2 mm。由于此处型材塌陷而导致作为端墙轮廓尺寸测量的基点M向端墙内部偏移。

图3 车顶连接梁组成

经分析发现产生上述情况的原因有两个：第一，铝在370℃时强度仅为10 MPa，焊接时会因为不能支撑住液体金属而形成塌陷[1]，而车顶连接梁与复轨座之间的a4角焊缝较长，整道焊缝不间断的焊接会导致热量集中且很大（MIG焊电弧温度高达10 000℃），焊缝附近型材局部温度过高，因此容易塌陷；第二，铝合金的线膨胀系数大[2]，焊接过程中热量集中导致工件局部温度较高，使得车顶连接梁焊缝附近型材局部受热膨胀，同时，由于车顶连接梁型材为弯曲型材，每个工件的弯曲回弹不能保证完全一致，因此弯曲后的连接梁型材弧度是不同的，这就使得其与工装无法密贴，因此型材受热膨胀后变形，造成塌陷。

因此，在焊接过程中采用如图4所示的焊接顺序，焊接方向为逆时针方向。在焊接完1和2后，自然冷却工件，待工件温度在100℃左右时，再焊接3和4。采用上述方法焊接后，再对焊后工件进行检测，得出下塌量基本控制在0.5 mm左右。

b.增大端墙板宽度尺寸。

图4 焊接顺序

图2a中标有尺寸b的一段是以端墙板机加工后的宽度尺寸为基准，进行端墙板和端角柱之间的装配，端墙板机加工后最宽处的尺寸值a=2 846.8 mm，端墙整体焊接完成以后，其最宽处的尺寸为3 247～3 249 mm，靠近设计尺寸的下偏差，见图2b，既端墙轮廓尺寸测量基点N也相对向端墙内部偏移了。为将端墙轮廓尺寸的测量基点N向外移动，故在端墙焊完后宽度尺寸不超标的情况下，将端墙板局部加宽，如图2a中端墙板标有b的一段的两侧轮廓各加宽1 mm，即a值由2 846.8 mm改为2 848.8 mm，端墙板加宽后，端墙组焊完成后其最宽处尺寸一般为3 249～3 251 mm，在设计允许的尺寸公差范围内。通过加宽端墙板局部轮廓尺寸，可以使端墙轮廓尺寸测量基点N向端墙外部偏移。

通过以上两种措施，能有效控制端墙轮廓尺寸的两个测量基点向端墙内部的偏移量。

（2）弯曲型材回弹导致端墙轮廓局部尺寸增大。

弯曲冲压件在轨道车辆零部件中占有一定比例，因此部件的装配及质量都将受到弯曲工艺的影响。而回弹一直都是弯曲成形过程中常见又难以解决的缺陷问题，其存在使得冲压件的精度很难达到标准[3]。图2b中的1号件、2号件和3号件都为弯曲型材。在端墙组装过程中，图2a中端墙板标有尺寸c的部分是以内弯梁（如图5所示）的尺寸为基准，通过修磨端墙板和内弯梁的端部（端墙板和内弯梁端部都有加工余量），进行端墙板与内弯梁之间的装配。内弯梁为弯曲型材，其口部的尺寸都接近设计尺寸的上偏差2 542 mm，见图5b。内弯梁口部的尺寸接近设计尺寸的上偏差时，图2a中端墙板标有c的一段的顶部水平部分的修磨量大，圆弧部分的修磨量则由内侧向外侧逐渐递减，同时内弯梁端部的修磨量较大；因此，端墙轮廓尺寸测量基点M相对向端墙内部偏移，最终导致端墙的局部轮廓尺寸测量值偏大。同理，车顶连接梁（图2b中1号件）弯曲部分的回弹导致其与侧弯梁连接处的轮廓测量值偏大。但由于弯曲型材是外购件，重新优化设计则需要供应商重新制造或修改模具，由此造成的生产成本太高，且生产周期也很长，耽误生产进度，故由此原因造成的端墙轮廓较大需通过工艺方法进行改善。

图5 内弯梁

（3）调整焊接顺序。

端墙是在翻转工装胎位上的卡具压卡下焊接完成的。由于端墙的轮廓尺寸超差部分集中在侧弯梁、侧弯梁与车顶连接梁的连接部分。因此，通过反复试验，选择出合适长度和位置的焊缝做为预留焊缝，如图6所示，在端墙其他焊缝全部完成后将其移离工装胎位，使工件处于自由状态时再进行焊接。采用此种方法的原因是铝合金的结晶收缩率大[4]，工件处于自由状态时焊接，可以自由收缩，使预留焊缝处的端墙轮廓向端墙内部移动量较大，减小此处端墙轮廓尺寸。此种方法既能保证端墙的轮廓尺寸满足设计要求，又能使焊缝自由收缩，减小焊接内应力[5]。

图6 端墙预留焊缝

综上所述，通过以上几种方法的综合运用，最终通过优化工艺保证了端墙的轮廓尺寸在设计公差范围内，得到了合格的产品，避免因返修导致的焊缝力学性能降低、人力、材料以及时间的浪费，节约了生产成本，提高了生产效率。

3 结论

（1）引起端墙轮廓尺寸局部超差的原因有焊接过程中工件温度控制不当导致测量基点下塌；端墙板宽度尺寸小，导致测量基点相对向端墙内部偏移；弯曲型材回弹导致端墙轮廓尺寸局部增大；焊接顺序不同引起焊后型材收缩量不同。

（2）通过控制焊接过程中工件的温度，可以有效防止端墙轮廓尺寸的测量基点M下塌。

（3）通过加宽与端角柱连接部分的端墙板宽度可以使端墙轮廓尺寸测量基点N得到优化。

（4）通过调整焊接顺序，将端墙轮廓尺寸超差部分的焊缝作为预留焊缝，使其在自由状态下焊接，增大焊缝收缩量的同时减小焊接内应力。

[1]顾曾迪，陈根宝，金心溥.有色金属焊接[M].北京：机械工业出版社，1995：6-7.

[2]黄旺福，黄金刚.铝及铝合金焊接指南[M].长沙：湖南科学技术出版社，2004：1-2.

[3]孟 允.高强钢U型复杂零件弯曲回弹分析和工艺优化[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[4]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2009：1086.

[5]周万盛，姚君山.铝和铝合金的焊接[M].北京：机械工业出版社，2006：109-110.