标准动车组地板平面度制造工艺研究

标准动车组地板平面度制造工艺研究

刘新喜 贺东宇

中车唐山机车车辆有限公司， 河北 唐山 064000

摘要：本文首先对地板平面度制造工艺进行了特性分析，从四个方面对标准化动车组中的地板组成正装对接焊间隙、地板组焊工序预制反变形、底架端部组焊反变形量、焊喉高度与焊接顺序进行了工艺方法研究，设计制定地板平面度制造工艺试验方案，通过地板平面度制造工艺试验，研究了优化焊接顺序与控制焊接热输入工艺流程，有效解决底架正装地板端部纵向中心位置凹陷趋势难点，并通过应力检测实验对工艺进行合理调整改进，总结得出了一套工艺优化方案，实现标准动车组地板平面度满足图纸设计要求，为提高标准动车组整车产品质量提供了有利的依据。

关键词：地板 焊接变形 平面度 应力监测

概述：国家大力发展铁路交通，我国自主研发标准化动车组的脚步也在不断加快^[1]，中国高铁动车组仅仅用了十年时间，实现了从无到世界领先质的飞跃。自主创新标准动车组项目的路上并不是一帆风顺的，其中底架正装地板端部中心位置出现长条状凹陷趋势是需要攻克的难点之一，正视自身创新发展面临的现实挑战以实现持续发展^[2]。

1、地板平面度制造工艺特性分析

中间车底架正装地板均出现不同程度的凹陷，其根本因素为：底架焊接端部组成过程中，端部组成与底架连接的焊缝均集中在底架反装端部，为控制焊接变形，端部组成点固完成后，需对底架端部位置预制反变形，反变形导致底架正装地板中心位置受压应力，底架正装地板中心位置压应力最大，端部组成焊接过程中，地板温度升高，地板的屈服强度随之折减，同时在端部组成焊接过程中产生的焊接应力作用下，底架中部型材内的压应力超过地板型材的屈服极限，底架端部正装地板中心出现凹坑。

2、地板平面度制造工艺方法研究

针对标准动车组底架端部组成焊接完成后，底架正装地板端部中心位置出现长条状凹坑的趋势，研究地板组成的优化与底架组成制造工艺，实现底架正装地板纵向中心位置压应力的减少具有重要作用^[3]。

（1）地板组成正装对接焊间隙研究

地板组焊工序，装配地板型材时，尽量减少正装地板型材对接间隙，减少焊接变形，型材装配后保证地板端部范围内中部型材与底架型材Ⅰ正装对接焊缝间隙≤0.2mm，地板装配过程中出现反装型材骑边、正装焊缝存在间隙的情况时，对型材反装接口进行加工，保证地板型材装配后正装焊缝“零间隙”。

（2）地板组焊工序预制反变形研究

为减少底架端部组焊过程中预制反变形对底架正装地板中心位置产生的压应力，在地板组焊工序，地板组焊完成后，通过调修保证地板端部范围内正装地板平面度在（+2，+4）mm范围内。在地板组焊工序，调整地板组焊工装反装端部范围内的反变形，使地板组焊完成后，地板端部范围内正装地板平面度在（+2，+4）mm范围内，目前地板焊接完成后端部位置的平面度为（-4，-3）mm，在现有反变形的基础上增加6mm反变形^[4]。

（3）底架端部组焊反变形量研究

调整底架端部组焊焊前预制的反变形量，以此降低预制反变形对地板正装产生的压应力，减少底架反装端部第1组支撑反变形量，支撑高度尺寸由4mm、8mm、12mm调整为6mm、9mm、12mm，降低预制反变形对底架正装地板中部产生的压应力。

（4）焊喉高度与焊接顺序研究

根据设计图纸，底架前端与地板组成的焊缝多为角焊缝，焊缝形式为a4。现对底架前端与地板组成连接的焊缝进行排查，并严格控制焊喉高度，以减少焊接热输入。为减少热输入，对焊接顺序进行优化，比如采用从中间向两侧焊接的顺序，从拘束度高的地方向拘束度低的地方焊接的顺序、两侧同时焊接等方式。

4、地板平面度制造工艺试验应用研究

（1）地板平面度制造工艺试验方案研究

根据底架组成、地板组成的生产情况，考虑到底架端部组成焊接过程中热传递使底架正装端部区域内型材温度升高导致其强度降低，同时在焊接应力和反变形外力作用下产生变形，因此对本次试验的底架端部正装中心区域粘贴应变片，在前端装配、预制反变形及焊接过程中进行应力检测，同时进行温度监测，分析反变形、温度升高、焊接应力对检测区域应力分布的影响，制定地板平面度制造工艺试验方案。

（2）地板平面度制造工艺试验研究

根据试验方案完成了标准动车组项目底架端部组焊的工艺实验。根据实验应力检测可知，点固前端产生的压应力约10MPa，前端焊前预制反变形产生的压应力约20MPa，随着端部组成与地板连接焊缝的焊接，底架正装地板纵向中心的压应力不断增加，端部组成中间连接板焊接完成后应力出现突变，由120MPa增加到190MPa；焊缝焊接完成后，底架正装地板纵向中心压应力达到6005A-T6铝型材屈服强度215MPa，端部组成与地板连接焊缝焊接完成后，压应力峰值为222MPa，压应力峰值位置距离端头1240mm，冷却到室温后下降到190MPa，拆除工装反变形后最大压应力为155MPa。底架端部组成点固及焊前预制反变形对底架正装地板端部纵向中心位置产生的压应力较小，压应力主要由底架端部组成与地板连接焊缝焊接过程中产生的。通过对底架正装地板端部纵向中心进行应力检测，可以确定底架端部组成焊接过程中正装地板纵向中心出现凹陷的原因为：底架正装地板端部纵向中心位置压应力达到屈服强度，型材发生塑性变形。减小底架端部组成焊接反变形量对底架正装地板端部纵向中心位置压应力变化不明显。

（3）地板平面度制造工艺试验优化研究

通过应力检测发现，底架端部组焊工装端部第1组支撑反变形由4mm、8mm、12mm改为6mm、9mm、12mm时，底架端部组焊反变形量减小，对底架正装地板端部纵向中心位置的压应力影响不大；且调整工装反变形后，端部组焊焊接完成后底架正装地板平面度超差（要求：+2mm，-5mm），底架端部组成焊接完成后需要对地板进行调修。因此，后续底架生产过程中端部组成焊接反变形仍延续原有反变形量：4mm、8mm、12mm，以保证底架端部组焊完成后地板平面度满足公差要求，同时避免底架莱卡检测z值超差，影响车体加工磨耗板剩余厚度。

通过底架端部组焊过程中应力检测数据可知：底架端部组成与地板连接焊缝焊接过程中产生的焊接应力是导致底架端部正装地板纵向中心位置压应力过大的主要原因，对后续底架的焊接工艺进行了优化，一方面，焊接底架端部组成与地板连接焊缝时，从中心向两侧对称焊接，先焊接前端连接板开孔与地板连接焊缝，前端连接板与地板连接长大焊缝焊接时，采用分段焊的方式，单此焊接焊缝长度约600mm；另一方面，优化底架端部组成与地板连接焊缝，端部组成两侧连接板与地板连接焊缝同时对称跳焊改为先中心后两侧跳焊，焊接过程中不允许两台焊接设备同时焊接作业，以减少焊接热输入。

五、结论

采用合理的工艺方法，通过地板平面度制造工艺试验，效果显著，实现焊接底架端部组成与地板连接焊缝产生的应力不超过100MPa，远小于6005A-T6铝型材的屈服强度215MPa，通过优化焊接顺序、控制焊接热输入能够有效地解决底架正装地板端部纵向中心位置凹陷趋势，保证了焊接质量，实现标准动车组地板平面度完全达到了设计要求并顺利通过了验收，为后续的整车装配焊接打下坚定地基础。

参考文献

[1]邢晓东.我国高铁技术提升问题研究[D].对外经济贸易大学,2015.

[2]黄俊辉,肖翔,康洪军等.中国高铁动车组创新发展的对策研究[J].城市公共交通,2018,(5).

[3]刘任民.高速动车组铝合金车体长大型材关键焊接技术研究[J].区域治理,2019,(4).

[4]阚松,李献杰.铝合金车体地板平面度优化措施探讨[J].铁道车辆,2018,56(4).

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