门立柱自动焊内撑工装设计

前言

国内陆铁车体材料主要是铝合金，车体侧墙通过开模整体拉拔出来；不锈钢地铁车体侧墙结构则不同，通过框架结构焊接，然后将侧墙蒙皮通过电阻点焊与框架连接，形成一个整体侧墙。这种结构车体主要出口到国外，门立柱是车体侧墙骨架的承载构件，不同的车体结构，门立柱断面尺寸不同。门立柱是侧墙上的关键承载构件，为了保证强度，设计者要求门立柱材料为SUS301L-ST不锈钢。虽然门立柱外形结构是方管，但是特殊的方管断面尺寸以及特殊的材料，无法在市场**到现成的方管。为了实现这种工件门立柱产品结构，通过多种焊接试验对比，找出一种合适的焊接方案，满足门立柱焊接的质量要求。

1 门立柱工艺分析

1.1 门立柱规格尺寸

某地铁1号线项目，整车是一个全不锈钢车体，车体侧墙门立柱要求用SUS301L-ST不锈钢材料，侧墙有两种规格的门，因此门立柱有两种规格，即客室门立柱和司机室门立柱。根据侧墙的厚度及与顶盖和底架的接口形式，决定了门立柱的外形尺寸和断面尺寸。

门立柱有两种规格；一种是客室门立柱，产品规格：1 950 mm(长度)×50 mm(断面宽)×120 mm(断面高)×3 mm(壁厚)；另一种是司机室门立柱产品规格：2 147 mm(长度)×65 mm(断面宽)×180 mm(断面高)×3 mm(壁厚)，如图1所示。

图1 客室门和司机室门立柱规格

1.2 门立柱制作工艺初析

根据设计图纸分析，门立柱制作工艺确定为激光下料、折弯成形、TIG焊接、打磨精整，其中最为关键的工序是焊接。焊接会影响门立柱变形，为防止发生扭曲变形，需要设计焊接整形工装。门立柱焊接接头形式是3 mm+3 mm对接焊缝，两种规格门立柱焊缝长度为2 000 mm左右，焊接过程中容易出现未焊透、背面焊瘤、焊穿、焊缝根部余高不一致等缺陷。一方面通过调整焊接参数，另一方面需要设计一个内撑工装，保护门立柱焊缝熔池，防止焊缝背部被氧化，保证焊缝根部余高一致，从而有效解决门立柱焊接质量问题。

2 门立柱试制

2.1 焊接整形工装设计

为了保证门立柱焊接完不扭曲变形，需设计一套门立柱焊接整形工装，此工装的结构是由一块2 200 mm×600 mm×30 mm的可升降平台，在平台之间安装一块固定挡板尺寸为2 200 mm×180 mm×30 mm，组装焊接后，需要整体铣加工，保证焊接整形工装平台整体的平面度和垂直度。此工装加工后，需在上方安装10个压具。当门立柱一侧与固定挡板贴紧后，门立柱的另一侧贴紧活动挡板，用快速夹将其顶紧。此工装是一个两用的整形工装，左边用于焊接客室门立柱，右边用于焊接司机室门立柱。焊接整形工装及产品装配效果如图2所示。

图2 门立柱焊接整形工装

2.2 门立柱焊接试验

不锈钢SUS301L-ST板料通过激光切割折弯成形后，首先对下料工件门立柱焊接区域进行酒精清洗，再将下料工件装夹到焊接整形工装上，进行多种方法试验。

(1)机器人自动焊接。对接焊缝背面采用氩气保护。具体操作方法是，下料工件门立柱里面充满氩气，防止焊缝背面被氧化。焊接方法采用机器人钨极氩弧焊(TIG)自动焊接，焊接电流130～140 A，保护气体为纯度99.999%的氩气，气体流量为8～10 L/min，喷嘴距产品表面15 mm，钨棒与工件表面角度保持80°～85°，填充焊丝与工件表面夹角10°左右。连续焊接试验后，发现以下两个问题：①焊缝根部余高不一致；②焊缝有焊穿，且越到后面焊缝，焊穿现象越严重。初步分析，调整焊接参数，将焊接电流调小到110～120 A，结果2 m焊缝未焊透，不能满足客户焊缝质量要求。

(2)手工TIG焊接。为了排除机器人设备因素，焊接电流130～140 A，保护气体为纯度99.999%的氩气，氩气气体流量为8～10 L/min，喷嘴距产品表面15 mm，钨棒与工件表面角度保持80～85°，填充焊丝与工件表面夹角10°左右。经过两件试验后，采用手工TIG焊接，前段焊缝根部余高与机器人自动焊效果相当，后段焊缝相比于自动焊焊穿现场更为严重。对比两种试验方法，在常温下从门立柱一端到另一端进行焊接，当焊接到500～700 mm距离时，无论是手工焊还是机器人焊，此段焊缝长度都是合格的；当超过这个焊缝长度时，焊缝根部余高随着焊接的进行越来越大，直至焊穿灭弧。针对以上问题分析，主要是下料工件门立柱焊接散热的问题造成的。门立柱装夹在焊接整形工装上，两边都有防止门立柱变形的挡板夹紧，焊接到一段距离后门立柱温度会升高，而两边挡板会阻碍门立柱散热；当焊接温度过高，焊接时焊缝根部余高偏高，甚至会出现焊穿和焊瘤。

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(3)采用分段式自动焊。焊接电流为130～140 A，保护气体为纯度99.999%的氩气，氩气气体流量为8～10 L/min，喷嘴距产品表面15 mm，钨棒与工件表面角度保持80°～85°，填充焊丝与工件表面夹角10°左右。根据产品总长，均分成5段，每段焊缝长度为400 mm左右，间隔焊接。试验表明，先焊接的几段焊缝，能焊透且根部余高合格，如果立即焊接剩余的几段焊缝，就会有焊穿现象。为进一步试验，分段焊接前面几段焊缝，采用风管冷却20 min左右，再焊接剩余几段焊缝，就没有焊穿和焊瘤的现象。但是按这种方式焊接，生产效率太低，无法满足客户生产进度要求。

(4)采用简易内撑工装的机器人自动焊。设计一根比门立柱长的铜垫板，断面开5 mm×0.7 mm/1.5 mm两种规格通长的沟槽，通氩气时用来防止焊缝背面氧化，且用来托住焊缝透过时背面的熔池，保证焊缝背面根部余高一致性。具体操作方法是用一根2 000 mm长的60 mm×40 mm×4 mm的不锈钢方管插入门立柱里面，铜垫板放置在方管上方，铜垫板开槽位置紧贴门立柱焊接区域，两端用夹具夹紧，通过铜垫板可以将门立柱焊接时产生的热量更快速散发和传递出来，同时铜垫板可以很好的托住焊缝熔池。在试验过程中，出现了新的问题，长长的铜垫板与门立柱焊接区域贴合仅靠两端来夹紧，中间位置没有办法贴合，就失去了保护作用，于是门立柱中间位置缝隙仍有焊穿、焊瘤和焊缝背面根部余高不一致的现象。铜垫板设计如图3所示。

根据以上4种试验方案，既要保证门立柱的焊接质量，又要保证产品制作效率，只能采用第4种试验方案，但是第4种试验方案的简易内撑工装需要进一步改进。

图3 铜垫板

3 门立柱专用内撑工装

3.1 门立柱专用内撑工装设计

通过反复的试验和分析并进行总结后发现，铜垫板可以解决焊缝背面根部余高一致性问题，但要保证铜垫板通长方向一直贴紧门立柱焊接区域，就需要设计一套专用的内撑工装。经过仔细研究，此工装需要采用连杆形式并结合杠杆原理，才能实现以上功能。

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工装结构中顶部是铜垫板，中间是U型梁，铜板垫在U型梁上方，U型梁由6根撑杆支撑。撑杆上端有活动销与U型梁连接，下端装有两个小轴承。中间用一根连杆与6根撑杆连接，连杆的一端用螺杆连接，高度根据门立柱的内腔高度来设计。具体设计方案如图4所示。

3.等质量的不同金属与足量酸反应，产生H2的质量由多到少的顺序（以“质量同为m的常见金属——Na、Mg、Al、Zn、Fe分别与足量稀盐酸反应”为例进行探究）。

图4 门立柱内撑工装

3.2 门立柱内撑工装使用说明

先把螺杆拧松，让撑杆达到一定的斜角，使得整个工装高度低于门立柱内腔高度。把内撑工装伸进门立柱内腔中，然后拧紧螺杆来拉动连杆，使铜垫板上升。随着拧紧螺杆，铜垫板与门立柱背面焊接区域贴紧，铜垫板的开槽设计可以保证背部焊缝根部余高一致性。经过试验和分析讨论，铜垫板贴紧时撑杆需要保持倾斜，焊接完毕后，在重力的作用下，松卸螺栓，铜垫板即可轻易离开门立柱，便于整个内撑工装脱模。若铜垫板贴紧时撑杆刚好处于垂直方向，门立柱焊接完毕后，内撑工装将无法松卸下来。内撑工装实物效果，如图5所示。

所有样品点中，为分选差(δ介于1～2之间)的只有一个样品，其余均为分选较差(δ介于2～4之间)。说明该地区堆积体总体分选较差。

图5 门立柱内撑工装实物图

4 门立柱产品检验

采用专用内撑工装机器人自动焊，门立柱焊接完脱模后，对焊缝表面和背面进行目视检测，没有缺陷，对焊缝进行渗透检测和断面宏观金相分析，焊缝熔深满足要求，没有焊接裂纹和气孔等其它缺陷[1-2]，焊缝一次合格率达到99.9%。焊接检查合格后，需要将门立柱上表面焊缝余高进行修磨平整，平面度达到1 mm以内。门立柱焊缝宏观形貌，如图6所示。门立柱焊接接头示意图和焊缝断面宏观金相，如图7所示。

图6 门立柱焊缝宏观形貌

图7 门立柱焊接接头示意图和焊缝断面宏观金相

5 结论

(1)通过4种焊接方案试验对比，门立柱焊接采用专用的内撑工装，才能保证产品焊接质量。采用机器人自动焊，焊接效率高，焊接参数稳定，有助于稳定产品焊接质量。

(2)内撑工装设计成倾斜结构，既容易脱模，也能保证内撑工装与门立柱内部贴紧，保证了门立柱焊缝背面根部余高一致性，没有焊穿、焊瘤等现象。

(3)内撑工装采用铜板设计，能够将焊接热量快速导出，减少工件门立柱焊接热变形。

来源：兆恒机械