底架组焊的边梁上拱变形控制和矫正方法

梁涛，黄剑，肖辉

中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

底架是城轨铝合金车体的重要大部件，结构如图1所示。由图1可知，其结构一般由端梁、边梁、端部结构、长（短）地板、盖板及附件组成。底架作为车体工序其他部件组装的装配基准，对整车的宽度、长度、挠度、客室门对角线差值、车体截面对角线差值等专检项点有直接影响，因此生产中对其外形尺寸和几何公差值有严格的要求。

图1 底价结构示意

2 底架组焊后的上拱变形

如图2所示，在底架交检过程中，发现枕梁（端部结构上的部件）位置处的边梁和长地板存在上拱变形问题，此处平面度超过＜5mm的技术要求。

图2 上拱变形问题

如图3所示，底架吊入车体总组焊台位后，枕梁位置的边梁（对应车体的1、4号客室门位置）与设置了车体挠度的支撑墩有＞12mm的间隙，在车体组焊台位的液压拉紧装置的作用下，边梁下表面与边梁支撑墩仍无法贴紧。

图3 底架吊入车体总组焊台位

3 上拱变形对车体组焊的影响

通过对产品问题的追溯和分析，发现上述变形如果不在底架工序解决，在车体工序强行装配后，因为底架的内应力释放会导致车体组焊后产生以下质量问题。

1）当底架边梁与车体总组焊台位的边梁支撑墩上表面间隙＞8mm时，会引起客室门的对角线差值（技术要求≤5mm）超差（见图4a）。

图4 车体尺寸测量位置

2）当底架左右两侧的边梁上拱值相差超过4mm时，会引起车体的截面对角线差值（技术要求≤5mm）超差（见图4b）。

4 上拱变形问题的原因分析

边梁上拱变形区域的结构及焊缝如图5所示。由图5可看出，枕梁位于长地板下部，长地板盖在枕梁上，且两侧与边梁搭接，其结构导致底架边梁截面（枕梁位置处）的上下焊缝（即枕梁与边梁对接、边梁与长地板的连接焊缝）分布不均匀，靠近边梁下表面的焊缝远多于上表面。

图5 边梁上拱变形区域的结构及焊缝

主要焊缝的焊接参数见表1。

表1 主要焊缝的焊接参数

由表1可知，这些分布不均匀的焊缝对边梁此处截面的热输入量也不同，边梁下表面获得的热输入量也远多于边梁上表面。

正是上述原因，导致底架边梁的上下表面在焊接过程中受热不均匀，冷却后的底架边梁下表面收缩比上表面多，所以最终引起边梁此处向上拱起，如图6所示。从图6可看出，底架组焊后枕梁位置无法与水平支撑墩贴紧，有局部的上拱变形。

图6 底架边梁上拱变形

5 解决上拱变形的工艺措施

5.1 反变形法

反变形法是生产中预防焊接变形的常用方法，即在焊前设置一个与焊后变形方向相反的预变形，使焊后达到理想状态[1]。底架组焊时边梁的反变形设置如图7所示，反变形设置参数见表2。

表2 底架组焊工装反变形设置参数 （mm）

图7 底架组焊反变形设置

（1）底架正面组焊 由于边梁焊后变形较大，因此将枕梁至端梁处设置成上翘状态，反变形量为端梁位置的边梁下表面至基准面相差25mm。

（2）底架反面组焊 当底架反面朝上时，在枕梁位置新增A、B两组支撑墩，将边梁（枕梁位置）此处向上顶起，反变形量为边梁下表面至基准面相差15mm。

（3）边梁压臂扭力值设置 标准化作业是反变形法实施是否有效的关键。将扭力值规定为200N·m，使用扭力扳手拧紧压臂，保证每次反变形作业时对边梁施加压紧力的一致性和有效性（见图8）。

图8 按规定扭力值拧紧压臂

5.2 火焰矫正法

在标准化作业生产情况下，通过反变形法就能有效地解决边梁的上拱变形问题，但在批量生产过程中，会因为各种因素的影响，出现不合格现象，此时可以采用火焰矫正的方法来返修产品。此位置有一定的特殊性，首先，铝合金与钢的材料物理性能存在很大不同，加热时要考虑减少对焊缝质量的影响。其次，因边梁是内腔带有加强筋的刚性很强的中空挤压型材，故对其进行火焰矫正时，在加热温度和冷却方法上与钢材的火焰矫正有差异。

（1）设备和工艺参数 对底架组焊后的边梁进行火焰矫正，所需的设备和工艺参数见表3。

表3 火焰矫正所需的设备和工艺参数

（2）加热位置 选择正确的矫正位置是火焰矫正能否有效的关键。加热位置处于底架1号门和4号门边梁的上表面及小部分侧面，加热长度比底架边梁与枕梁、抗侧滚的对接焊缝长度稍长（起点和终点各向外延伸100～150mm），如图9所示。

图9 火焰矫正加热位置示意

（3）加热技巧 铝合金热导率高，要取得良好的火焰矫正效果，要先保证加热区域与周边未加热区域形成较大的温差。因此，加热时烤枪火焰要调至最大，并使用中性焰，焰心距工件2～4mm，烤嘴与工件的角度为80°～90°，此时，火焰的利用率最高，热量最集中[2]。

（4）辅助措施 因为底架组焊后的结构刚度很高，如果仅靠母材加热后的收缩应力去矫正变形，效果会很不理想。如图10所示，在长地板靠近边梁位置处压2t重块（每个重块重1t），使边梁预先产生一定的向下弯曲变形趋势，然后再进行火焰矫正，会取得良好的效果。

图10 上拱变形的火焰矫正

（5）注意事项 作业过程中要严格控制加热温度和返工次数（不超过2次），避免对母材性能造成影响。

6 产生的效益

采用以上工艺措施，底架的平面度一次交检合格率得到显著提升，取得了良好的经济效益（见表4）。

表4 效益核算

7 结束语

底架枕梁位置的焊后上拱变形是因产品结构的焊缝分布不均匀而造成的。在标准化作业下，通过反变形法就能有效控制焊接变形，如果问题已经产生，使用火焰矫正法也能使产品返修合格。