城際車不規(guī)則側(cè)窗焊接變形控制工藝

李明，王鵬，楊鳳英，金昌海

1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

2.青島求實職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東青島 266108

隨著城鎮(zhèn)化程度的不斷提升，城市群及周圈人口密度不斷提升，區(qū)域化發(fā)展成為中國近年來經(jīng)濟發(fā)展的主導(dǎo)理論。城際動車組以其速度高、客運量大、公交化式運營方式以及可與干線鐵路互通等優(yōu)勢，成為解決區(qū)域高密度人群快速轉(zhuǎn)運和區(qū)域快速發(fā)展的新型交通工具。

城際車司機室為骨架插接式結(jié)構(gòu)，一、二位側(cè)各設(shè)一個側(cè)窗，外部輪廓為三維曲面結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則。骨架式司機室結(jié)構(gòu)焊接熱輸入量大，焊接變形嚴(yán)重，導(dǎo)致司機室側(cè)窗尺寸控制成為提高司機室制造精度的難題。

本文通過對城際車司機室及曲面開口式側(cè)窗的結(jié)構(gòu)分析，提出了一種控制側(cè)窗焊接變形的方法，該方法完全解決了曲面?zhèn)却暗暮附幼冃螁栴}，為三維不規(guī)則開口結(jié)構(gòu)的焊接變形控制提供了一種有效的借鑒思路[1-2]。

1 城際車側(cè)窗組焊工藝流程及存在問題

城際動車組司機室為板梁插接的骨架結(jié)構(gòu)，司機室一、二位側(cè)各設(shè)一個側(cè)窗，側(cè)窗由4塊窗板拼裝而成（見圖1），外輪廓為三維曲面不規(guī)則結(jié)構(gòu)（見圖2）。司機室骨架組裝完成后，對骨架連接部位采用滿焊連接，然后對骨架外部鋪裝鋁合金外板，外板與外板、外板與骨架采用整體焊接，最后切割側(cè)窗處外板形成側(cè)窗窗口。

圖1 司機室骨架結(jié)構(gòu)

圖2 側(cè)窗三維曲面輪廓

城際車司機室骨架焊接過程熱輸入量大，焊接收縮變形嚴(yán)重，導(dǎo)致司機室焊接完成后，側(cè)窗輪廓發(fā)生較大變形，主要表現(xiàn)為整體尺寸收縮（見圖3，黑線為理論尺寸，紅線為變形后效果）、單塊側(cè)窗板側(cè)翻（變?yōu)槔瓤冢┑?，調(diào)修難度大，影響正常生產(chǎn)周期，并產(chǎn)生較大調(diào)修成本。

圖3 側(cè)窗整體尺寸收縮示意

為了準(zhǔn)確掌握城際車側(cè)窗變形情況及規(guī)律，連續(xù)選取8個側(cè)窗，每個側(cè)窗選取4個位置對側(cè)窗整體尺寸變形量進行跟蹤，見表1。

表1 窗口尺寸變形量測量數(shù)據(jù) （mm ）

從數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果可以看出，8個側(cè)窗尺寸全部超差，最大超出允許尺寸4mm。通過進一步跟蹤分析，側(cè)窗尺寸超差率達到96%，且變形主要體現(xiàn)在側(cè)窗整體尺寸和外部輪廓的變化。

2 城際車側(cè)窗焊接變形分析

（1）焊接熱輸入量大，焊接拉應(yīng)力導(dǎo)致側(cè)窗變形 城際車司機室通過板梁插接形成骨架（見圖4），插接位置主要為十字連接形式（見圖5），連接位置包含4道焊縫，均采用滿焊連接，焊接熱輸入量較大，焊接過程產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而側(cè)窗與骨架拼裝為一個整體，兩者同樣采用焊接連接形式，因此，骨架產(chǎn)生的較大拉應(yīng)力導(dǎo)致側(cè)窗變形嚴(yán)重。同時，骨架焊接完成后進行外板鋪裝及焊接，外板分塊較多，不同分塊也采用焊接形式，外板焊接過程熱輸入量也很大，該焊接收縮力也會導(dǎo)致側(cè)窗產(chǎn)生較大的收縮變形。

（2）骨架式司機室結(jié)構(gòu)側(cè)窗變形趨勢大 司機室骨架為板梁插接結(jié)構(gòu)，板梁與鋁合金材質(zhì)厚度較小，對十字插接位置4道焊縫進行焊接后，不同板梁存在相互作用的拉應(yīng)力，受不同位置結(jié)構(gòu)形式的差異及焊接順序等因素的影響，司機室骨架各處位置、各區(qū)域受到的拉應(yīng)力存在較大差異，且不同位置、不同區(qū)域的拉應(yīng)力承受能力也不盡相同，因此骨架式司機室結(jié)構(gòu)變形情況復(fù)雜，變形規(guī)律難以確定，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)下司機室側(cè)窗結(jié)構(gòu)變形趨勢明顯。

圖4 骨架連接形式

圖5 插接位置十字接頭

（3）城際車側(cè)窗曲面開口結(jié)構(gòu)增加了變形控制難度 目前形狀規(guī)則的開口結(jié)構(gòu)主要通過增加二維方向的工藝支撐以實現(xiàn)開口尺寸及輪廓的有效控制，而城際車側(cè)窗為三維不規(guī)則結(jié)構(gòu)，曲面較大，現(xiàn)有方式控制效果較差，目前沒有有效的控制策略，導(dǎo)致后期調(diào)修量較大。

綜上所述，城際車司機室特殊的骨架結(jié)構(gòu)、較大的焊接熱輸入和焊接應(yīng)力以及復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致側(cè)窗變形的主要原因。

3 城際車側(cè)窗焊接變形的控制方案

通過數(shù)據(jù)跟蹤以及分析發(fā)現(xiàn)，側(cè)窗變形體現(xiàn)在側(cè)窗整體尺寸收縮和外部輪廓變化兩個方面，對此，本文提出了一種城際車側(cè)窗變形專用控制方案，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制位置、支撐強度等方面分析，基于Catia軟件設(shè)計并制作了一套專用控制裝置。

（1）確定控制裝置支撐位置，防止側(cè)窗整體尺寸收縮 為保證側(cè)窗板各部位均勻受力，有效抵抗骨架及外板焊接過程的拉應(yīng)力，通過現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)分析，確定側(cè)窗板與其連接的司機室板梁位置為主要受力點和變形位置。因此，控制裝置支撐位置設(shè)置在受力點和變形位置，由9種專用支撐裝置組成，通過設(shè)置一定的反變形量，有效抵抗焊接過程板梁對側(cè)窗窗板施加的應(yīng)力，解決了側(cè)窗整體尺寸收縮及局部受力不均勻問題。

（2）設(shè)計控制裝置外部輪廓，實現(xiàn)焊接全過程控制 設(shè)置控制裝置外部輪廓與側(cè)窗外部輪廓一致，采用Catia軟件截取確定異形支撐裝置外部輪廓，外板貼合異形支撐裝置鋪裝、焊接，解決了原有工藝支撐方式影響側(cè)窗外板鋪裝和外板無支撐引起的焊接變形問題，同時保證了側(cè)窗外部輪廓度。

（3）確定受力位置控制支撐寬度，解決側(cè)窗窗板側(cè)翻（喇叭口）問題 通過對側(cè)窗呈喇叭口變形的現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，支撐位置受力不均勻是導(dǎo)致側(cè)窗板側(cè)翻的主要原因，因此設(shè)置9種專用支撐裝置寬度與支撐位置窗板寬度一致，消除窗板受部分支撐側(cè)翻的傾向，解決了側(cè)窗板受力不均引起的側(cè)翻（喇叭口）問題。

（4）確定支撐材料，保證支撐強度和降低生產(chǎn)成本 為便于支撐裝置固定、拆裝，選取鋁合金板材作為支撐材料，通過跟蹤不同板厚支撐裝置的控制效果，確定異形支撐裝置板厚為6mm，滿足支撐確定要求。

城際動車組側(cè)窗變形控制裝置采用Catia軟件設(shè)計（見圖6），然后采用激光切割下料而成，保證了各支撐裝置的整體結(jié)構(gòu)尺寸和側(cè)窗的控制效果[3]。

圖6 專用支撐裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)

側(cè)窗控制裝置制作完成后，選取8個側(cè)窗進行支撐裝置安裝及效果驗證（見圖7），測量數(shù)據(jù)見表2。通過跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，除兩處位置超差較小，只需輕微調(diào)修外，側(cè)窗其他尺寸都能滿足使用要求，側(cè)窗專用控制裝置控制效果較好，滿足城際動車組側(cè)窗焊接變形的控制要求。

圖7 專用支撐裝置使用效果

表2 窗口尺寸變形量測量數(shù)據(jù) （mm）

4 結(jié)束語

通過對城際動車組側(cè)窗焊接變形的控制過程分析，提出了一種控制曲面不規(guī)則開口結(jié)構(gòu)焊接變形的方法，完全解決了城際動車組不規(guī)則側(cè)窗的焊接變形問題，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。該方法從開口部件的結(jié)構(gòu)、施工工藝流程及變形規(guī)律統(tǒng)計等方面入手分析，制定不同開口結(jié)構(gòu)的特定控制方案，可通過適應(yīng)性調(diào)整應(yīng)用于其他三維不規(guī)則開口結(jié)構(gòu)的焊接變形控制。