动车组司机室钢结构制造工艺探讨

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摘要:时速160km∕h动力集中动车组是我国普速客车换型的主力产品,司机室钢结构包括侧墙、前墙组成和闸墙等部件。文中从工艺分析、工艺策划和工艺实施3个方面对司机室钢结构制造工艺进行了研究。通过焊接工艺评定确定Q460E钢的焊接材料和焊接工艺参数;通过采用合理工艺流程和工装等工艺措施,司机室侧墙组焊后使用弧形检测样板检测弧形间隙≤2mm;司机室钢结构组焊后满足焊接和装配尺寸要求。

关键词:司机室钢结构;组焊工装;焊接工艺评定

轨道交通作为国家发展进程中的重要基础设施,在经济发展中起着不可或缺的作用,更与国计民生息息相关。国家和各地方政府加快完善基础设施建设,势必会为铁路客车带来国内市场的又一个“黄金期”。在不断提高旅客出行服务体验的前提下,铁路客车的改革势在必行。我国目前已经拥有具有完全自主知识产权、时速达到350km∕h和250km∕h的标准动车组“复兴号”。随着新型城镇化的发展和区域城市群的形成,为提高运输组织效率和旅客出行服务,减少基础投入和设备维护成本,时速160km∕h动力集中动车组项目应运而生[1]。作为“复兴号”动车组的系列产品,时速160km∕h动力集中动车组项目参照动力分散动车组进行优化设计,采用流线型外形,内部服务设施设备与既有动车组基本一致,适用于所有普速电气化铁路,将成为我国普速客车换型的主力产品。

1复杂结构制造工艺分析

司机室钢结构包括侧墙、前墙组成和闸墙等部件,如图1所示。司机室采用流线型外形,侧墙钢结构外表面呈三维弧形,三维弧形准确性增加了侧墙钢结构制造难度。司机室钢结构总组成时闸墙落入两侧墙间,前墙组成安装弯梁弧形与侧墙弧形相匹配,很难保证总组成后钢结构各个尺寸。司机室结构材料为Q460E钢,相比较常用的耐候钢05CuPCrNi及09CuPCrNi,Q460E钢具有良好的强度、韧性及低温冲击性能,在使用前应确定相对应的焊接材料和焊接工艺参数。司机室钢结构总组成后需要组焊开闭机构安装座,安装座位置如图2所示。安装座、定位销和裙板孔等相互配合安装开闭机构,安装座组焊时要求精度高,公差为±1mm。相邻开闭机构安装座安装平面存在角度差,操作者手工组对无法满足安装座精度和角度差要求。

2工艺策划要点

2.1焊接材料与工艺参数确定

通过对生产现场实际情况进行分析,结合相关生产进度要求,焊接方法选定为氩-二氧化碳气体保护焊[2]。Q460E材质化学成分要求见表1,执行标准为GB∕T1591—2008[3]。通过对焊丝执行标准TB∕T2374—2008[4]的研究,按照焊丝选用等强匹配的原则,选取ϕ1.2mm的ER55-G实心焊丝作为Q460E钢的焊材。ER55-G焊丝化学成分和熔覆金属力学性能见表2和表3。通过梳理司机室钢结构焊接接头形式、板厚组合等信息,确定制作Q460E材质的6mm+6mm角接和6mm+6mm对接接头的焊接工艺评定,焊接接头宏观试样如图3所示,工艺评定按照ISO15614-1标准要求执行[5]。通过工艺评定确定了焊接工艺参数,见表4,其中保护气体选用φ(Ar)82%+φ(CO2)18%,气体流量为18L∕min。

2.2工艺流程

通过对图样和各部件特点进行分析,为更好地控制钢结构尺寸和焊接变形,将司机室钢结构生产工序进行细化,分为侧墙骨架组焊、侧墙组焊、闸墙组焊和前墙组成组焊。各部件组焊完成后进行尺寸检查,尺寸检查合格后进行总组成组焊[6]。司机室钢结构焊接工艺流程如图4所示。

2.3工装方案

为保证司机室侧墙三维弧形,将侧墙生产工序分为侧墙骨架组焊和侧墙合成组焊。如图5a所示为侧墙合成工装,工装横撑上增加2~5个随形定位块,侧墙组焊时要求蒙皮与随形定位块贴合,使用压紧装置将其压紧后方可焊接。利用三维数据设计软件设计侧墙弧形检测样板,如图5b所示。侧墙组焊完成后使用样板对弧形进行检测,要求间隙≤2mm,对不合格区域进行调整,直至合格,并要求司机室总组成后再次对侧墙弧形进行检测。图5司机室侧墙钢结构工装和样板

2.4安装座组对工装实施

针对安装座安装精度和角度差要求,经过图样和工装可行性分析,制作1套开闭机构安装座组对工装。工装采用铝合金框架结构,使用过程中易于装卸,方便运输。为了保证安装座精度和角度差,工装以车钩安装孔为基准,铝合金框架组装后使用数控机床加工,使用三坐标测量机对工装进行检测,不合格尺寸需要重新使用数控机床加工直到满足尺寸精度要求。使用时,将开闭机构安装座与工装使用螺栓固定,用螺栓使工装基准孔与车钩安装孔重合后,确定了安装座的尺寸和角度。安装座与司机室钢结构点固焊后将工装卸下,测量图样中所要求的尺寸,尺寸合格后才可进行焊接。

3制造工艺实施

3.1司机室侧墙组焊

用吊链吊运立柱组件、边梁组成和腰梁组件等料件吊运至工装处。组对时要求立柱组成与工装贴严,边梁组成与弧形定位块贴严,间隙保持在1mm以内,并用快速卡子将料件与工装夹紧。按照图样尺寸放入侧墙角铁,要求角铁与立柱组件间隙≤1mm。为避免焊接带来的收缩,边梁组成与腰梁组件和立柱组件间增加支撑杆,如图6b所示。侧墙合成组对时要求墙板和骨架与定位块贴严,间隙不超过1mm。组对窗口组成和小件时要求窗口组成与骨架研配,小件尺寸符合图样要求。料件组对完成后使用压杆将侧墙骨架与墙板压紧、点固焊。组焊完成后使用侧墙弧形检测样板检测弧形。

3.2司机室总组成组焊

(1)将闸墙吊运至总组成工装,闸墙中心与工装中心对齐,偏差≤1mm。保证司机室闸墙内外平面与立柱组件平面重合,利用拉杆拉动两侧司机室边梁,满足司机室侧墙板间距3127+20mm后,将司机室闸墙与侧墙进行点固焊。(2)利用线坠测量司机室闸墙立柱、门框等垂直度,保证部件与线坠偏差不超过2mm。司机室侧墙前端与前墙组成组对时,推动前墙组成工装到指定位置,用定位销将工装定位。两者匹配弧形出现偏差时,可以使用拉杆配合弧形压紧装置,调整弧形偏差。组对时要求弧形偏差≤1mm,侧墙前端与前端连接板间隙≤2mm。组对完成后进行点固焊。考虑到司机室组焊后的焊接变形,为保持侧墙三维弧形和司机室钢结构尺寸,需要在司机室侧墙间增加工艺拉杆。拉杆支撑点应该在边梁和腰梁等组成件上,拉杆数量不少于7根,拉杆位置如图7所示。拉杆支撑后保证司机室侧墙与工装弧形板贴严。按照图样要求对司机室组成进行焊接,焊接可参照WPS文件,依次焊接司机室闸墙部位、腰梁组成部位、弯梁组成部位。按照从中心向两侧、分段焊接的方式焊接。所有的焊缝冷却至室温后再将工装拆卸,并对焊缝进行打磨清理。

4结论

(1)司机室侧墙通过工装等工艺措施组焊后,使用弧形检测样板检测弧形间隙≤2mm。(2)通过焊接工艺评定确定Q460E钢的焊接材料和焊接工艺参数,保证司机室钢结构的强度,有效控制了焊接变形。(3)通过合理工艺流程,使用组焊工装,实现司机室钢结构的组焊,组焊完成后宽度(3360±3)mm,高度(3033±3)mm,长度(3514±5)mm,满足司机室钢结构焊接和装配尺寸要求。

参考文献:

[1]杨雨佳,闫石磊,于海,等.时速160公里动力集中动车组车顶制造工艺研究[J].金属加工,2019(6):29-31.

[2]王宗杰.熔焊方法及设备[M].北京:机械工业出版社,2013.

[3]中国国家标准化管理委员会.GB∕T1591—2008低合金高强度结构钢[S].北京:中国标准出版社.

[4]中国人民共和国铁道部.TB∕T2374—2008铁道车辆用耐大气腐蚀钢及不锈钢焊接材料[S].北京:中国铁道出版社.

[5]ISO技术委员会.ISO15614-1—2004金属材料焊接工艺规范和合格试验[S].瑞士日内瓦:国际标准组织.

[6]黄治轶,耿非,李威.铁路客车侧墙大板工艺与侧墙小板工艺分析[J].城市轨道交通研究,2008,5(9):29-31.

作者：张野 胡立国 张强 周勇 裴起 单位：中车长春轨道客车股份有限公司