动车组铝合金车体底架焊接变形控制

王立夫，尹德猛，杨仲林，袁 武，王金金

（中车唐山机车车辆有限公司制造技术中心，河北唐山063035）

动车组铝合金车体底架焊接变形控制

王立夫，尹德猛，杨仲林，袁 武，王金金

（中车唐山机车车辆有限公司制造技术中心，河北唐山063035）

介绍了某车型动车组底架的主要结构，从底架关键尺寸及焊接变形分析入手，全面深入研究了底架生产制造工艺、重要控制尺寸以及相应焊接变形控制难点。通过焊接模拟分析与现车装配、焊接控制相结合的方式，研究了底架焊接变形的控制措施，发现在部件焊接前施加一定的反变形量，工艺放量以及合理的焊接顺序可以很好地控制底架焊接变形，保证动车组底架的焊接质量。

动车组；底架；焊接变形；控制措施

0 前言

随着社会经济的快速发展，高速列车越来越多地成为人们出行选择的交通工具，高速列车的稳定、安全运行直接关系到乘坐人员的安全，而作为高速列车的载体——铝合金车体的生产质量直接影响着车体运行的安全性能，因此，铝合金车体在生产过程中必须严格控制重点部件的质量[1]。动车组是近几年我国主导研发的高速列车之一，它的研制成功代表我国高铁事业在国际轨道车辆发展中迈向了一个新的台阶，标志着我国已经进入世界先进高铁领域。由于动车组运行速度快，且长时间处于高速运行状态，因此对焊接部件质量要求极为严格。底架作为动车组的重要组成部分，承受着来自车钩、转向架等的巨大冲击载荷，生产质量对车辆的安全运行和使用寿命起至关重要的作用[2]。因此，需要从根本上重视底架的生产，严格控制底架的生产质量。

1 底架结构及变形分析

某型动车组铝合金车体底架结构不同于CRH3型动车组底架，前端结构也差别较大，某型动车组端部缓冲梁（前端）是在底架地板之上，通过角接或对接焊缝形式进行连接，涉及薄板厚板焊接，而CHR3型动车组前端上面是作为地板的一部分，前端两侧与边梁以角接或对接焊缝形式进行连接，不涉及薄板厚板焊接。另外，某型动车组地板与边梁连接方式为插接结构可进行自动焊接，而CRH3型动车组地板与边梁为搭接结构，不可以进行自动焊接。虽然某型动车组与CRH3型动车组铝合金车体底架结构不同，但由于底架的制造尺寸会直接影响整车的运行安全，因此它们的尺寸要求却极为相似，对底架宽度、地板平面度、边梁平行度、车钩中心孔到边梁的尺寸以及车钩面板的垂直度都有着严格的控制要求，保证整车的生产质量。

某型动车组底架的生产经过底架边梁焊接、端部缓冲梁与底架焊接、底架附件安装焊接及底架整体加工等工序才能完成整个底架的制造过程。底架的焊接量是铝合金车体整个工序中最大的一个，而且结构较复杂，涉及焊缝形式较多，焊缝较密集，这些焊接过程都是影响底架宽度、地板平面度、边梁平行度、车钩中心孔到边梁尺寸以及车钩面板垂直度变化的重要因素，因此，焊接变形更难控制。

2 底架焊接变形控制

2.1 底架宽度尺寸控制

某型动车组宽度尺寸变化主要是由地板间正反4条4V连接焊缝以及地板与边梁搭接a5角焊缝焊接引起的，其中横向收缩变形最严重是中间正反4条4V焊缝。产品生产时，两侧边梁的压卡从一位端至二位端每隔1 500 mm便有一个约束，压卡均匀，因此预制宽度方向的工艺放量为3～4 mm，但由于底架地板端部需要焊接端部缓冲梁，因此，端部角中间区域增大2 mm工艺放量以抵消端部缓冲梁焊接时的宽度收缩[3-4]。

为了进一步验证焊前宽度方向工艺放量，采用sysweld软件对对接焊缝的焊接收缩、变形及应力状况进行数值模拟，分析对接焊缝焊接完成后焊缝的收缩及母材变形状况，如图1所示。每条4V焊缝焊接完成后焊接变形最大的点为1.1 mm，但绝大部分变形量处在0.5～0.6 mm范围内，而底架边梁与地板角焊缝焊接完成后也有一定的收缩量，给予补偿量为1 mm，几条焊缝收缩叠加后基本与工作试件横向收缩量相同，因此制定中间区域宽度方向工艺放量为3～4 mm，两端宽度方向工艺放量为4～5 mm满足焊接横向收缩变形。

2.2 底架边梁平行度及地板平面度控制

底架边梁平行度、旁弯主要依靠焊接组焊工装来保证。为了更好地控制底架边梁不产生倾斜、旁弯变形，边梁放入工装后，横向必须使用压卡将边梁与定位基准压实，如图2所示。地板边梁正装焊接时，边梁4个方向都施加约束，反装焊接时边梁3个方向通过压卡也施加约束，边梁自由度得到了控制，不能够随意变形，加之焊接工装定位基准平面度要求在0.5 mm以内，进一步保证了边梁平面度、旁弯变形的控制。当端部缓冲梁在底架焊接时，由于端部缓冲梁与边梁连接焊缝较多，为了防止边梁横向变形，在横向用短支撑对边梁进行压卡，在竖直方向用顶镐对边梁进行压卡，如图3所示，这样既增大了边梁刚性，也约束了其自由度，使其不因焊接收缩而变形。

图1 焊接收缩、变形模拟

图2 边梁地板焊接压卡示意

地板平面度主要从两方面进行控制：一方面是地板、边梁焊接时整体地板的平面度，焊接地板连接焊缝时，地板与边梁的段焊对地板横向产生了一定的约束力，致使地板连接焊缝完成后存在较大的内应力，从而造成地板焊接变形，其控制度的好坏直接影响底架交出时的结果，因此必须严格控制。另一方面是地板端部缓冲梁焊接造成的底架端部地板平面度超差，这主要是因为端部缓冲梁与地板连接焊缝较多且焊缝均处于地板反装端部区域，加之地板型材较薄，端部缓冲梁焊接时焊接热输入较多，焊接能量较为集中，焊接过程中产生的焊接应力势必通过强度相对较弱的地板进行释放，从而达到工件自身的一种平衡，因此，焊接端部缓冲梁时需要对地板提前预制一定的反变形量来抵消由于端部缓冲梁焊接时造成的焊接变形。

图3 端部边梁焊接边梁压卡示意

地板、边梁焊接时，地板平面变形主要是由地板间连接焊缝造成。采取措施：一是在焊接顺序上采取从中间向两侧焊接的顺序，如图4所示，应力可以从中间向两侧释放一些，从而减少部分焊接应力；二是优化地板、边梁段焊工艺，即降低地板与边梁之间的点固段焊数量，点固焊接由之前的均匀段焊15段改为均匀段焊6段，这样焊接地板连接焊缝时可以降低边梁对地板的约束力，从而降低了地板连接焊缝焊后的焊接应力，缓解了部分焊接应力造成的焊接变形。同时，为了验证减少段焊对焊接变形的影响，通过Sysweld软件对地板对接焊缝前后应力状况进行数值模拟，如图5所示。优化前，段焊数量为15段，焊接应力最大为205 MPa，优化后，段焊数量为6段，最大焊接应力降为190 MPa，并且热影响区优化后的应力比之前降低10 MPa，焊接应力较之前降低约7%，一定程度上减缓了因焊接应力产生的地板焊接变形。

图4 地板组焊顺序

图5 焊接应力状况模拟

另外，为了抵消焊接应力造成的地板焊接变形，在地板、边梁反装焊接工序与端部缓冲梁组焊工序，分别对地板做了相应的预制反变形，如图6所示。图6a是边梁地板反装焊接时在地板支撑上施加的预制反变形，它是在工作试件基础上进行优化制定的，反装胎梁上的支撑高度不同，中间最高，向车长及车宽方向递减。为了抵消端部缓冲梁在底架焊接时的部分变形，端部地板在边梁、地板焊接工序需要做凹，因此，地板焊接时端部地板的预制反变形量与中间区域不同，中间区域地板宽度方向反变形量为 0 mm、2 mm、4 mm、4 mm、4 mm、2 mm、0 mm、而两个端部位宽度方向反变形量为0mm、3mm、7mm、7 mm、7 mm、3 mm、0 mm，这样既满足了地板本身的平面度要求，又可抵消部分端部缓冲梁焊接造成的地板变形。

图6b、6c是焊接前端部缓冲梁对地板制定的预制反变形。这主要是由于端部缓冲梁以厚板为主，刚度、强度都较大，而地板型材虽然有一定的厚度，但单面型材较薄，在焊接端部缓冲梁与地板连接焊缝时，热量较为集中，焊接时由于缓冲梁与地板导热速度不同，在焊接中及之后的冷却过程中造成的焊接应力通过较为薄弱的地板型材进行释放，造成地板局部变形和端部抬头，因此需要在横向和纵向提前施加一定的反变形量方可抵消底架端部缓冲梁的焊接变形。

图6 地板支撑预制反变形

2.3 底架车钩变形控制

底架车钩变形控制主要分为车钩面板垂直度控制和车钩中心孔至边梁之间尺寸的控制。车钩面板垂直度底架工序要求为0.3 mm，其好坏直接影响整车的运行安全，一旦车钩前后倾斜严重，容易造成组装车钩发生低头或扬起，引起整车运行时脱轨隐患，因此，在底架工序必须严格控制车钩面板垂直度，防止由于端部缓冲梁与地板的焊接造成的车钩面板变形。车钩中心孔至边梁间的距离也非常重要，公差要求小于3 mm，其尺寸的精确度直接影响到车体的落车和转向架的安装，需要重点控制。

为了控制车钩面板的垂直度与车钩中心孔至边梁的距离，根据车钩的特点先单件整体加工，然后在底架组焊工装制定车钩面板固定装置以控制焊接变形，如图7所示。图7a是车钩单件进行加工后的状态，加工原因是底架组成由于车钩焊接完成后空间的限制不能进行加工，目的是保证车钩面板的平面度，方便车钩固定座的安装。图7b是车钩固定座安装在车钩上的示意，此车钩座拥有足够的强度和刚度且固定在组焊工装框架上，使用前其垂直度及中心销至边梁的距离已经过严格的检查并满足要求，以它为基准，将端部缓冲梁车钩面板中心孔装到车钩面板固定装置上进行组焊，可以有效地防止车钩面板垂直度变形以及车钩面板中心孔至边梁距离超差问题。

图7 车钩面板固定示意

同时，为了降低焊接端部缓冲梁的焊接残余应力导致的车钩面板变形，在端部缓冲梁组焊时采取以下工艺措施：（1）焊接端部缓冲梁与地板及边梁连接焊缝时都采取了从内侧向外侧焊接的顺序，将焊接应力由内往外释放一部分，从而缓解焊接残余应力的变形，另外对于较长焊缝采取分段退焊的方法焊接，充分释放焊接应力，有效控制焊后变形，减少调修工作量。（2）纵向从转向架中心向端部逐渐预制了16 mm的反变形（见图6b），这样既可以解决底架前端由于抬头造成的车钩面板垂直度超差，也可以抵消车钩面板中心孔至边梁距离超差问题。（3）装配时，端部缓冲梁与地板及边梁间的角焊缝尽量严密无间隙，以减少焊缝填充量和焊接收缩，最大限度地降低焊接变形[5]。

通过以上工艺措施，有效控制了底架组成的焊接变形和各关键尺寸，使用莱卡和平尺检测完成的底架，关键尺寸如表1所示，保证了生产质量，满足了生产需求。

表1 底架焊接后的数据

3 结论

深入研究了某型动车组控制底架焊接变形的要点，分析底架的主要结构及制造工艺。通过制定合理有效的组焊工装，摸索出焊接工作试件的初步变形规律并加以利用，焊前预制合理的反变形与焊接顺序、施加一定的工艺放量，优化焊接点固段焊数量等工艺措施可以有效地解决底架焊接变形等焊接技术难题，保证某型动车组底架的生产质量。

[1]吴振华，尹德猛，陈晓霞，等.动车组底架边梁焊缝X射线探伤检测技术[J].电焊机，2013，43（7）：96-98.

[2]邹侠铭，韩士宏，尹德猛.新型动车组铝合金车体底架制造工艺研究[J].铁道机车车辆工人，2013（4）：4-5.

[3]尹德猛，刘东军，田新莉，等.动车组底架自动焊接变形控制[J].电焊机，2016，46（5）：106-108.

[4]EN 15085-2～3-2007，轨道车辆和车辆部件的焊接-第2～3部分[S].2007.

[5]玄兆丰，唐衡郴，王金金，等.地铁铝合金车体牵缓焊接工艺[J].焊接技术，43（3）：35-37.

Conrol measure of deformation on auto welding technology of underframe on EMU

WANG Lifu，YIN Demeng，YANG Zhonglin，YUAN Wu，WANG Jinjin
（Manufacturing Technical Center，CRRC Tangshan Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China）

It introduces the main structure of Underframe on EMU.The manufacturing process，the important control dimension and the corresponding welding deformation control difficulties have been studied by the analysis of the main dimensions and the welding deformation analysis.Through the welding simulation analysis and the combination of vehicle assembly and welding control，the control measures of the welding deformation of the chassis are studied.It is found that the deformation which can improved quality of EMU can be prevent the by setting down the reasonable sequence of welding，opposite deformation and additional intentionally length.

EMU；underframe；deformation on welding；conrol measure

TG404

A

1001-2303（2017）10-0089-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.19

本文参考文献引用格式：王立夫，尹德猛，杨仲林，等.动车组铝合金车体底架焊接变形控制[J].电焊机，2017，47（10）：89-93.

2017-06-24

中车唐山机车车辆有限公司科技项目（TSD045）

王立夫（1979—），男，高级工程师，国际焊接工程师，主要从事轨道车辆铝合金车体制造技术研究及管理工作。E-mail：wanglifu@tangche.com。