铝合金城轨车辆底架边梁与摩擦焊地板组焊工艺研究

田玉吉 郭 政

(青岛四方阿尔斯通铁路运输设备有限公司 山东 青岛 266111)

0 前言

轨道车辆底架框架组焊作为底架生产的初始工序，其长度、宽度、边梁垂直度和直线度等关键尺寸具有决定意义，直接影响到侧墙、车顶、端墙的组装，同时又对车体涂装、车体内装产生间接影响，因此对底架框架组装进行过程和质量控制意义重大[1-2]。某A型铝合金城轨列车，采用新型设计理念，由边梁和机加工后的摩擦焊地板组焊成底架框架结构，本文针对底架框架组焊的现存问题，对铝合金城轨底架边梁与摩擦焊地板组焊过程进行工艺研究，并进行工艺优化，有效解决了底架框架难于组装和调整的问题，保证了焊接工艺规范对焊缝间隙的要求，优化了底架框架宽度尺寸的公差带，大大提高了产品质量，保证了后工序的顺利进行。

1 底架框架结构及工装介绍

1.1 底架框架结构

某A型铝合金城轨列车，采用新型设计理念，由边梁和机加工后的摩擦焊地板组焊成底架框架结构，其边梁与地板正反位的焊缝接头形式均为插入式4V对接焊缝，即底架正位2条焊缝，底架反位2条焊缝，整个底架框架的长度约为22 000 mm，宽度为3 000 mm，摩擦焊地板组焊采用搅拌摩擦焊方法将5块地板型材组焊成整体后进行机加工，摩擦焊的使用提高了生产效率，减小了因焊接变形对地板尺寸的影响，底架框架结构如图1所示。边梁与地板组成的焊接过程分为底架反位焊接和正位焊接。

图1 底架框架结构示意图

1.2 底架框架组焊工装

底架反位和正位4V焊缝采用IGM进行自动化焊接，考虑到场地和工装成本费用，现提出底架正位和反位组焊一体化工装，即底架反位焊接完成后，再翻转至正位进行焊接。工装设有边梁横向拉紧装置、边梁竖直压紧装置、底架横向中心定位装置、底架正反位工装转换装置、调整侧边梁的推进装置，定位侧边梁的定位装置，底架反位组焊工装示意如图2所示。

图2 底架反位组焊工装示意图

2 底架框架组焊现存问题

2.1 边梁与地板组装尺寸

通常情况下，边梁和地板作为长大型材，为保证组装尺寸的一致性，均是在增加同等工艺放量尺寸后进行机加工，然后在公差范围内进行组装调整，然而实际组装中经常会发生边梁与地板端部错边，测量发现边梁长度超出公差尺寸上限，为此需要对边梁长度进行尺寸分析，打磨边梁长度满足公差要求，难于保证产品质量，且影响生产进度。

2.2 底架框架组装难于调整

底架框架的组装过程为：吊运定位侧边梁，并将其固定于工装上，以此作为组焊定位基准，再吊运摩擦焊地板，最后吊运调整侧边梁，而摩擦焊底板是由地板型材拼焊而成，质量约1.5 t，因此面对重而大的地板组成，与边梁组装后的尺寸调整成为难题，直接影响生产进度。

2.3 自动焊缝间隙超差

地板两侧与边梁的自动焊4V焊缝，为达到有效熔深，保证焊缝质量，焊接工艺要求至少需要保证1 mm的焊缝间隙尺寸，底架框架的自动焊顺序为：先完成底架反位焊接，再完成底架正位的焊接。问题在于：底架反位焊接完成后，因受焊接收缩变形的影响，底架正位的焊缝间隙超出公差要求，较长距离的焊缝间隙为零，难于保证焊缝质量。

2.4 底架框架焊后调修尺寸控制

为使焊后底架框架在地板平面度、边梁直线度、底架宽度方面满足图纸要求，需要对底架框架进行焊后调修处理，实际上调修操作过程中仅关注了图纸对底架的技术要求，往往忽视了隐含的对下工序有影响的技术要求，即边梁相对于地板的垂直度和边梁下端的底架宽度，避免底架边梁呈平行四边形的倾斜。

3 底架框架组焊优化工艺措施

底架框架组焊作为底架生产的前工序，其焊后尺寸直接影响到后工序前端底架组装及附件定位焊接，因此对底架框架组装进行过程和质量控制意义重大，本文通过对底架型材机加工艺优化，使边梁来料尺寸在公差(-2，+2)mm内；通过对框架组焊过程的工艺优化，规范了组装步骤，保证了焊缝间隙，明确了调修关键控制尺寸，进而优化了底架框架尺寸的公差带，即将底架宽度公差(-5，+2)mm优化为(-1，+2)mm，大大提高了产品质量，保证了后工序的顺利进行，底架框架组焊工艺流程如图3所示，同时将底架框架的组装和焊后调修设置为关键工序而进行工艺优化。

图3 底架框架组焊工艺流程图

3.1 型材机加工艺优化

铝合金型材机加工后其长度尺寸会随温度变化而变化，通常情况下，当温度变化5 ℃时，20 m的型材整体长度变化1.5～2 mm，因此当受季节温度变化、加工环境温度的较大温差影响时，测量尺寸偏差可达到4.5～6 mm，已经超过图纸机加工公差(-2，+2)mm的要求，造成边梁与地板组装端部错边的产生。针对温度变化对长大型材机加工的影响，对机加工编程进行工艺优化，总的原则为：铝型材因区域温度不同产生热胀冷缩，编程时需根据实际情况调整机加工编程公差。例如：当车间温度小于10 ℃时，按图纸要求理论尺寸的下偏差进行编程加工；当车间温度为10 ℃～30 ℃时，按图纸要求的理论尺寸进行编程加工；当车间温度大于30 ℃时，按图纸要求理论尺寸的上偏差进行编程加工。型材机加工编程工艺优化后，经过批次车辆的跟踪，边梁、地板来料均在公差范围内，达到了预期的效果。

3.2 组焊过程工艺优化

摩擦焊地板重约1.5 t，质量大、体积大、组装难于调整是目前存在的主要问题，同时边梁与地板组装的焊缝间隙调整是精细的操作过程，底架反位焊接完成后，底架正位焊缝间隙受底架反位焊接收缩变形的影响较大[3-4]，如何使底架正位自动焊缝间隙满足焊接工艺规范的要求，保证焊缝质量，又是一个亟待解决的问题。因此将边梁地板组装过程定义为关键工序，规范其组装操作步骤，并对其组装过程进行工艺优化，如图3所示。反位组装底架框架操作步骤如下：吊运定位侧边梁至工装上，使边梁中心位置孔与底架横向中心定位装置对齐，中心定位后用边梁横向拉紧装置拉紧固定；然后吊运地板，使地板纵向中心与边梁中心对齐，放置的地板离定位侧边梁距离以能抽出吊带为宜，分别在地板两端部和中心3个位置的型材立面放置千斤顶，同时缓慢推动地板使其与边梁焊缝型材搭接2～3 mm，停止推进并进行确认，注意：切勿推进过量，然后继续二次推动地板至焊缝间隙满足焊接工艺规范焊缝间隙(+2，+3)mm的要求，对定位侧边梁区域焊缝下方进行点焊固定；吊运调整侧边梁至工装上保证边梁型材中心对齐工装定位中心，通过调整侧边梁推进装置推进边梁至已设定的地板宽度尺寸，然后用边梁横向拉紧装置拉紧固定，最后将边梁竖直压紧装置压紧，测量底架框架预组尺寸；组装尺寸检测合格后，在竖直压紧和侧向拉紧状态下对底架正反位4 V焊缝进行定位点焊和段焊。

工艺优化前点焊和段焊顺序为：底架反位焊缝点焊—底架反位焊缝段焊—底架正位焊缝点焊—底架正位焊缝段焊。组装或焊接过程发现，随着焊接的进行，正位焊缝局部焊缝间隙不均匀，表现为局部焊缝为零间隙，不满足焊接工艺对焊缝间隙的要求。工艺优化后点焊和段焊顺序为：底架反位焊缝点焊—底架正位焊缝点焊—底架正位焊缝段焊—底架正反位焊缝段焊，段焊长度80～100 mm，点焊和段焊位置如图4所示，段焊完成后，松开边梁拉紧和压紧装置，完成底架反位IGM自动焊接。批次底架组装过程表明，优化后的工艺有效解决了底架框架难于组装和调整的问题，满足了焊接工艺规范对焊缝间隙的要求，优化了底架框架宽度尺寸的公差带，使底架宽度公差由(-5，+2)mm优化为(-1，+2)mm。

图4 点固焊和段焊位置示意图

3.3 调修过程工艺优化

底架框架组焊步骤的规范及组装过程的工艺优化，使底架宽度公差达到工艺的预期要求，实现了对产品尺寸控制质的飞跃。然而生产中偶尔会出现调修后两底架边梁呈平行四边形倾斜的现象，严重影响了底架附件的定位尺寸安装及车体涂装，其原因为：底架框架调修仅关注了图纸对底架正位宽度、长度及平面度的技术要求，忽视了隐含的对下工序影响的技术要求，即边梁外侧相对于底架正位地板平面的垂直度要求，现对调修过程进行工艺优化，边梁外侧相对于底架正位地板平面的垂直度不大于1 mm；边梁相对于底架正位地板平面的平面度不大于1 mm，且边梁禁止下挠；边梁外侧下部的底架宽度公差为(0，+2)mm，调修控制尺寸经过工艺优化后，底架框架尺寸稳定，极大地保障了后工序的顺利进行。

4 结束语

针对底架框架组焊过程中的现存问题，制定了工艺流程图，规范组装操作步骤，将组装过程和调修过程作为关键工序进行控制，对问题的分析与质量控制具有重要的指导意义。通过对底架型材机加编程、框架组焊和调修过程的工艺优化，有效解决了底架框架难于组装和调整的问题，保证了焊接工艺规范对焊缝间隙的要求，优化了底架框架宽度尺寸的公差带，保证了产品质量，满足了后工序的尺寸需求。