减少客车张拉蒙皮失稳变形的措施研究

张聪炳，徐春江，周良国，邢真武

（江西博能上饶客车有限公司，江西上饶334000）

减少客车张拉蒙皮失稳变形的措施研究

张聪炳，徐春江，周良国，邢真武

（江西博能上饶客车有限公司，江西上饶334000）

从设计和工艺两方面探讨客车两侧张拉蒙皮变形的影响因素及产生机理，并提出车间实践的预防和改善措施，有具体的量化指标，供同行改进张拉蒙皮质量参考。

客车；张拉蒙皮；失稳变形；改进措施

客车两侧的蒙皮俗称“大板”[1]，常采用张拉蒙皮，它的平整度是衡量车身蒙皮制作水平的重要因素，也是降低刮灰量，提高油漆光泽度，减轻或防止蒙皮在面漆后出现波浪纹、凹坑（在光反射肉眼观看）的关键参数之一，可以说它既关系到产品的美观、车的使用寿命，也直接影响整车制造成本。目前，影响客车蒙皮张拉失稳的参数（如焊接选材、影响失稳焊接因数、骨架设计、斜撑工装及工艺保证等）陈旧且不全面，需要更新总结，因此对它进行改进和补全很有必要。

1 张拉蒙皮工艺及失稳分析

1.1 工艺分析

客车张拉蒙皮是使蒙皮产生一定的机械弹性变形或者热变形，通过焊接方式将蒙皮与车身骨架固定，从而保证客车车身侧面的平整性的一种加工方式。张拉方式一般分为机械张拉（冷张拉）和热张拉。

机械张拉方法通过外力使蒙皮产生一定的弹性变形和少量塑性变形，保证车身侧围的刚性和平整度。机械张拉设备主要由基础轨道、拉伸架、拉伸头、高度调节系统、拉伸架调整锁紧机、液压系统、电气系统组成。四个拉伸架沿车身两侧布置，每侧拉伸架一端固定，另一端可沿基础道移动。热张拉方法采用电加热，使客车侧围蒙皮发热产生膨胀并通过气缸拉伸，然后把蒙皮与车身骨架焊接。电热张拉设备主要由主体桁架、机械夹紧式电极、拉伸装置、变压器及电控系统组成，其主要工作原理：电极夹紧蒙皮，通电加热使蒙皮自身产生电涡流发热，伸长后迅速焊接在车身骨架上，待蒙皮冷却收缩后而达到张紧的效果[2]。

另外，施工中存在张拉蒙皮在焊接固定到车身骨架上时，焊接受热导致的蒙皮失稳，因此焊接过程如何保证蒙皮不失稳也是必须考虑的一个关键因素。

1.2 薄板失稳变形的机理

在焊接过程中，焊接热源的热输入使得薄板上产生不均匀的焊接温度场，由于受到约束作用，最终在焊接区域形成残余应力和不协调的塑性变形[3]。当残余应力超过结构的失稳临界应力时，薄板就会发生失稳，产生变形。在未失稳前，残余应力与变形是通过变形有效释放残余应力，保持平衡状态。

焊接加热过程受约束的因素包括材料、工艺和车身结构，焊接冷却是受力逆向过程。材料因素主要为材料热膨胀系数、弹性模量、屈服强度、熔化温度以及金属相变等；工艺因素主要为焊接方法、焊接工艺和焊接顺序、支承条件等，结构因素主要为薄板形状、厚度、宽度、面积等。由于多种约束因素相互作用、不断变化使得焊接应力和变形问题变得较为复杂，在实践中往往通过工艺试验的方法来摸索其规律，达到控制和调整焊接应力与变形的目的[4-5]。

2 控制变形的主要措施方法

可以从降低残余应力和提高薄板结构的失稳临界应力、刚度着手，以减少薄板变形。

2.1 设计方面

1）钢蒙皮材料的选择。选用参数包括焊接性能、热膨胀系数、线能量、失稳临界应力。选用焊接性能好的低碳钢和热膨胀系数小、熔化温度低的镀锌钢板，其焊接应力、变形均更小；低碳钢弹性模量变化不大，一旦选定，弹性模量可认为是一常数；屈服强度增大，焊接残余应力会增大，变形一般会减少，但受材料其他物理指标比如焊接输入的线能量、支撑条件等多重因素影响，残余应力达到结构的失稳临界应力时，焊接残余应力反而易转换为变形，使薄板变形增大[6]。目前客车企业张拉蒙皮多选用1 mm厚低碳钢热镀锌卷板（DX51D+Z或DX52D+Z），电镀锌卷相对价格更贵，用的少些。

2）蒙皮结构形式。薄板压制成带凸筋结构可以减小或防止焊接波浪变形。公司团体车用的凸字型辊边辊压蒙皮结构，蒙皮焊后平整度较好，刮灰量少，涂装后表面质量更好。

3）板厚与板宽的比值。它越小，失稳临界应力就越小，薄板也就越容易失稳变形，板厚确定为1 mm后，一般板宽超过1 000 mm时，板长越长蒙皮焊后变形会更大[7]，设计时板宽不要超过1 250 mm。

4）车身骨架结构。应保证一定的强度，多用封闭式结构，少用开放式结构，应尽量采用整体式结构以增强车身强度，满足蒙皮张拉力卸去后侧骨架主横梁无大的内凹变形，全长直线度应小于3 mm，不然会影响蒙皮外观质量。

5）合理布置张拉蒙皮内侧骨架的斜撑。合理的斜撑跨距不仅仅加强骨架，也能够对蒙皮起均衡支撑作用。以控制蒙皮在预期的变形范围内为目的，斜撑跨距不要过大，一般长或宽600 mm左右就布置斜撑，具体还得根据产品结构、尺寸确定。实际工作中对蒙皮张拉焊接后出现变形超标的区域采用加档支撑的办法解决。

6）海绵条厚度。内侧骨架的斜撑与蒙皮间隙（10 mm或13 mm）间用40 mm宽的单面贴海绵条支撑蒙皮，海绵条的弹性可补偿斜撑与蒙皮间隙不一致的问题，也可降低车辆运动中蒙皮振动发出的响声。海绵条厚度的确定最终以对蒙皮支撑效果来评判：蒙皮平整度好，挺拔饱满、无松软现象。

7）采用电热张拉工艺时海绵条厚度一般为斜撑与蒙皮间隙（10 mm或13 mm）+压缩预留量3 mm；冷张拉工艺时海绵条厚度一般为斜撑与蒙皮间隙（10 mm或13 mm）+压缩预留量（5～15 mm）。具体还得根据海绵条的发泡密度、弹性大小来确定最佳值。

8）焊缝设置。设计时尽量减少焊缝数量，且焊缝布置、对接、搭接、角接方式要合理；选择较大的焊缝间距、较小的焊缝长度，减少焊接变形同时保证蒙皮焊接强度及防止原子灰开裂；粘接蒙皮在客车左右侧张拉蒙皮上的实际运用还很少，蒙皮四边焊接固定的四条边焊接是必须的。裙部各种舱门边、轮胎圈、侧边开孔也有切割或焊接作业，这些切割或焊接作业对左右侧张拉蒙皮的焊接变形存在很大的影响，也是引起张拉蒙皮变形、松动鼓动的关键因素之一。侧边开孔的方式可以通过工艺方法、手段解决；裙部各种舱门胶条止口的折制件、舱门铰链与张拉蒙皮、骨架方钢连接方式均可通过减少焊接次数、焊缝数量或在张拉前先焊接，从而减小对张拉蒙皮变形的影响。焊缝尽可能考虑对称、变形抵消的布置。对接、搭接、角接考虑变形、刮灰量最小的方式。

2.2 工艺方面

1）骨架校整。强化六大片骨架合装后的左右侧骨架校整工作，骨架校整工作不到位对张拉蒙皮施工后的质量影响极大，龙门框对角线误差≤2 mm，直线度≤2 mm，1 000 mm2平面度≤2 mm，总成上表面的平面度≤3 mm。

2）预应力张拉工艺。采用机械预拉伸或电加热预拉伸的方法使薄钢板得到预先的拉伸、伸长，这时在张紧的薄钢板上进行焊接，焊后去除拉伸力或加热到规定温度后立即断开电源进行焊接。此方法已在客车企业普及，可防止蒙皮变形，但是其拉伸力（或拉伸量）要控制到位，应严格按工艺文件要求进行。张拉（或拉伸量）不够，焊接时产生的变形依然很大[8]。张拉长度与张拉力的确定公式如下[9]：

式中：△L为伸长量；L为蒙皮的总长度；E为弹性模量；σ为屈服应力；P为张拉力；A为截面面积。

3）焊接方法。张拉蒙皮的焊接用CO2保护焊或电阻点焊，两种焊接方法的热输入线能量存在差异，CO2保护焊焊接热输入线能量相对大，加热的高温区范围大，变形区大，因此用电阻点焊焊接比CO2保护焊焊接变形小，但是其生产效率低、成本高。综合考虑，采用CO2保护焊和电阻点焊并存方式，可以采用电阻点焊方式的区位优先采用电阻点焊。CO2保护焊在蒙皮焊接方式上有板边点焊、钻孔塞焊、反面拉焊等方式[10]。应因地制宜，在保证蒙皮变形最小、满足结构强度的目标下采取最佳组合的焊接方式。

4）刚性固定限制焊接变形。可尝试用磁铁焊接夹具将薄板易变形处用吸力固定来限制焊接变形，或在焊缝布置上设计简易夹具工装定位紧固，防止波浪变形。

5）焊接工艺参数优化。通过工艺验证不断优化CO2保护焊及电阻点焊焊接热镀锌板的焊接工艺参数，在保证焊接强度、生产效率的前提下减少焊接变形。客车行业电阻点焊的间距为40 mm已成常规，CO2保护焊的焊点间距一般选择65 mm。

6）焊接顺序。根据不同的蒙皮结构和焊缝的布置，工艺部门持续进行工艺验证，优化焊接顺序，达到焊接变形最小化的目的，切忌沿立柱与蒙皮相连接的边缘从内向外焊。横向、纵向蒙皮焊接均可从中间向两头先定位焊，再加密焊，到达绷紧蒙皮的作用。作业方法形成工艺作业指导书。

7）新工艺的引进、吸收、推广。对于低应力无变形焊接技术—薄板构件的LSND焊接技术，考量产品结构的可运用性及投入费用，有选择性地考虑该技术的运用；按工艺文件要求实施随焊即冷措施，减小焊接变形。因为随焊即冷措施可以使焊缝处热量迅速散走，减小薄板金属涉及的受热面。

8）焊后局部变形校正。通过火焰加热等方法对局部变形蒙皮处进行适当的加热，利用加热时的膨胀变形和冷却时的收缩变形来矫正原来的变形，再采用木锤锤击法校正薄板变形。

3 结束语

在实际工作中，对张拉蒙皮焊接变形的控制和预防应具体问题具体分析，选择相应合适的措施并不断地进行改进、实践，优化参数指标，以达到最优的效果。

[1]刘开春.客车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]王瑞雪，胡运学，施金超.全承载客车侧围蒙皮张拉工艺设备开发应用[J].装备维修技术，2015（4）：58-62.

[3]江锋，刘民.客车车身焊接变形形式及其控制措施[J].客车技术与研究，2000，22（3）：34-36.

[4]陈作式.客车车身张拉强化蒙皮工艺及其设备[J].客车技术与研究，1996，18（4）：229-231.

[5]中国公路学会客车分会，江苏省交通科学研究院.客车制造工艺技术[M].北京：人民交通出版社，2008.

[6]曾纪敏.客车车身蒙皮的预应力张拉工艺[J].汽车技术，1994（7）：38-41.

[7]方化民.客车张拉蒙皮的辊型设备结构设计和改进[J].客车技术与研究，2005，27（4）：36-37.

[8]薛立平，徐永绥.预应力焊接工艺在内燃机车车体蒙皮时的应用[J].机车车辆工艺，2008（4）：4-7.

[9]吉国光.大型客车车身张拉蒙皮的点焊特点[J].重型汽车，2007（2）：39-40.

[10]杨雨人，陈作式.客车车身张拉强化蒙皮工艺实用探讨[J].客车技术与研究，1998，20（3）：26-28.

修改稿日期：2016-09-29

Research of Measures to Reduce Instability Deformation of Coach Tension Skins

ZhangCongbing,Xu Chunjiang,Zhou Liangguo,XingZhenwu
（Jiangxi B-EnergyShangraoCoach Co.,Ltd,Shangrao334000，China)

The authors explore the factors affectingthe tensioning skins deformation of the coach's two sides and it's generation mechanism from the two aspects of design and process,and put forward the prevention and improvement measures in workshop practice,includingthe specific quantitative indicators.This can provide reference ofthe qualityimprovement ofthe tensioningskin for the colleagues.

coach;tension skin;instabilitydeformation;improvement measures

TH112；TH114

A

1006-3331（2017）01-0040-03

张聪炳（1985-），男，硕士；工程师；主要从事基建项目工艺研究及非标设备设计与管理工作。