摘要隨著我國城市的不斷發展，交通行業成為城市發展的重要行業，這時軌道交通行業中地鐵成為大眾寵兒。而鋁合金地鐵因其擁有密度低、耐腐蝕性好、外觀美觀、比較易制造復雜表面、強度高等優點。在世界范圍內，軌道交通越來越受到人們的關注。鋁合金地鐵憑借輕量化的優點直接進入各大城市軌道交通行列，并且所占領的市場越來越大，但是與之匹配的焊接工藝卻不成熟，大部分關鍵技術被國外壟斷，進行鋁合金地鐵車體的焊接工藝要求迫在眉睫。目前，我國大部分大城市進入軌道交通的快速發展時期，而鋁合金地鐵是城市軌道交通的首選，鋁合金地鐵的輕量化是提高地鐵速度的首選。國外鋁合金車體早上上世紀就已經發展的比較成熟，并且得到大量運用，其中德國和日本的技術比較成熟并且在本國有大量的實例，與此同時雖為鋁合金產能大國的中國，卻一直以來沿用鋼鐵技術，在鋁合金領域沒有很大的發展。通過對地鐵鋁合金車頂結構的分析，結合鋁合金車體焊接的特點，制定合理的車頂焊接順序、焊接工藝參數以及裝配要求。對于焊接過程中出現的問題，分析原因，制定解決措施，完善工藝方法，通過分析鋁合金車頂的焊接工藝，結合實際生產總結出預制反變形、利用工裝剛性固定，同時調節工藝參數優化等手段，很大程度上解決了車頂尺寸過大的問題，保證了車頂的焊接質量。關鍵詞：鋁合金車頂；焊接；工藝；

AbstractAbstract WiththecontinuousdevelopmentofChina'scities,thetransportationindustryhasbecomeanimportantindustryforurbandevelopment,andthesubwayintherailtransitindustryhasbecomeapopularfavorite.However,thealuminumtubehastheadvantagesoflowdensity,goodcorrosionresistance,beautifulappearance,easytomanufacturecomplexsurfaceandhighstrength.Worldwide,railtransitisgettingmoreandmoreattention.Withdirectaccesstotheadvantagesoflightweightaluminumalloysubwayrailtrafficinbigcities,andoccupythemarketmoreandmorebig,buttomatchtheweldingprocessisnotmature,mostofthekeytechnologybyforeignmonopoly,totheweldingprocessrequirementofthealuminumalloymetrovehicleisimminent.Atpresent,mostofthebigcitiesofourcountryhasenteredtherapiddevelopmentofrailtransit,metroisthefirstselectionofurbanrailtransitandaluminumalloy,aluminumalloytubelightisthefirstchoiceforraisingthespeedofthesubway.Foreignaluminumalloycarbodyinthemorningofthelastcenturyhasbeenthedevelopmentofmoremature,andgetalargenumberofuse,amongthemthetechnologyofGermanyandJapanismorematureandhavealargenumberofinstancesineachcountry,atthesametime,thoughforthealuminiumalloyproductionpowerofChina,hasbeenusedfortheironandsteeltechnology,nogreatdevelopmentinthefieldofaluminumalloy.Basedontheanalysisoftheroofstructureofthemetroaluminumalloy,theweldingsequence,weldingprocessparametersandassemblyrequirementsoftheroofaremadeaccordingtothecharacteristicsoftheweldingofaluminumalloybody.Fortheproblemduringtheweldingprocess,andanalysisthereason,putforwardmeasurestoimprovetheprocess,throughtheanalysisoftheweldingtechnologyofaluminumalloyroof,combinedwiththeactualproductionsummarizedprecastrigidfixedagainstdeformation,theuseoftools,andadjustingtheprocessparametersoptimizationmethod,toalargeextentsolvedtheproblemoftheroofsizeistoolarge,toensuretheweldingqualityoftheroof.Keywords:aluminumalloyroof;Welding;Process;Keywords:aluminumalloyroof;Welding;Process;目錄TOC\o"1-3"\u第1章緒論 11.1地鐵鋁合金車頂研究背景 11.2研究意義 11.3國內外的研究現狀 11.4研究的內容和方法 21.5本章小結 2第2章鋁合金車頂方案設計 32.1鋁合金車頂平頂夾具設計方案 32.2鋁合金焊接工藝 3第3章鋁合金車頂平頂焊接夾具及工藝設計 123.1鋁合金車頂平頂結構 123.2鋁合金車頂平頂夾具設計 123.3鋁合金車頂平頂夾具強度校核 153.4鋁合金車頂平頂及邊梁焊接工藝 193.5本章小結 20第4章鋁合金車頂圓頂焊接夾具及工藝設計 214.1鋁合金車頂圓頂結構 214.2鋁合金車頂圓頂夾具設計 214.3鋁合金車頂圓頂夾具強度校核 224.4鋁合金車頂圓頂焊接工藝 244.5本章小結 25第5章鋁合金邊梁圓頂焊接夾具及工藝設計 265.1鋁合金車頂邊梁圓頂結構 265.2鋁合金車頂邊梁圓頂夾具設計 265.3鋁合金車頂邊梁圓頂夾具強度校核 295.4鋁合金車頂邊梁圓頂焊接工藝 305.5本章小結 31第6章鋁合金車頂焊接總結和展望 326.1設計總結 326.2未來展望 32參考文獻 34致謝 35第1章緒論1.1地鐵鋁合金車頂研究背景普通公民應當包括城市地鐵線路和建設項目。目前，中國已經完成了近200km的地鐵線路的運營，以及15個主要城市的總里程已達到2280km和飛速發展。隨著城市化進程的加速在中國，在中國城市軌道交通快速發展的過程中一直保持“第十二五”時期。自行研制開發的鋁合金輕質全焊接地鐵線路已建成柔性精簡示范管道。高效率、高質量的覆蓋模塊的生產是后續車身焊接和汽車內部裝飾的重要保證。1.2研究意義鋁合金地鐵憑借輕量化的優點直接進入各大城市軌道交通行列，并且所占領的市場越來越大，但是與之匹配的焊接工藝卻不成熟，大部分關鍵技術被國外壟斷，進行鋁合金地鐵車體的焊接工藝要求迫在眉睫[1]。鋁合金地鐵車體焊接技術的有效發展促進地鐵的不斷進步，地鐵從一線大城市逐漸進入二線三線城市，它給公眾帶來了極大的便利。同時鋁合金車身節能減耗，在能源匱乏的今天，變成了高效清潔的綠色出行。1.3國內外的研究現狀國外鋁合金車體早上上世紀就已經發展的比較成熟，并且得到大量運用，其中德國和日本的技術比較成熟并且在本國有大量的實例，與此同時雖為鋁合金產能大國的中國，卻一直以來沿用鋼鐵技術，在鋁合金領域沒有很大的發展。鋁合金車體因其重量輕、密封性好、耐腐蝕性能好等優點，在國外越來越多地被國外高速轎車和廣安地鐵車輛使用[2]。從20世紀90年代開始，隨著中國經濟的迅速發展，經濟發達地區廣州的1,2號線和上海1號線都從國外進口鋁合金地鐵車體，正是由于這個原因，從而帶動了全國鋁合金地鐵的發展熱潮。鋁合金地鐵車體市場的大力發展，又帶動國內各大軌道車輛廠商積極投身參與鋁合金車體的研發中[2]。目前，國內發展大型鋁型材生產能力正在迅速發展，一些強大的企業正在推動。有一臺8000噸臥式擠壓機，每臺配有8000噸臥式擠壓機，山東龍口市叢林鋁業有限公司擁有世界上最大的10000噸擠壓機。巡航鋁型材有限公司擁有一臺5000噸的擠壓機，能擠出400～800毫米寬的鋁型材。這些都為在中國國內鋁合金的發展創造了有利條件[3]。1.4研究的內容和方法對地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接工藝的研究內容主要包括鋁合金焊接工藝、車頂夾具設計定位、夾緊以及裝配圖、零件圖的繪制等主要工作。在老師和同學們的的指導下，認真學習，了解關于地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接工藝的各個相關知識，努力完成畢業設計每個時間段的任務，多了解一些鋁合金車頂夾具的結構及設計的相關參數。通過調查和查閱書籍資料，設計出滿足要求的地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接工藝。1.5本章小結本章主要的對地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接工藝的研究背景、國內外的發展現狀和需求分析進行了初步的研究，對地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接工藝目前的狀況有了比較清晰的認識和了解，讓自己對后期的設計分析更加的有信心。第2章鋁合金車頂方案設計2.1鋁合金車頂平頂夾具設計方案2.1.1鋁合金平頂夾具設計平頂由三塊鋁合金型材焊合而成，夾具設計需同時滿足定位于夾緊，并且保證在焊接過程中不與焊槍發生干涉，由此平頂夾具設計需要對平頂端部進行夾緊定位，對中間鋁合金型材進行加緊，同時考慮到夾緊較多采用氣動夾緊操作[4]。2.1.2鋁合金圓頂夾具設計圓頂由四塊帶弧形鋁合金型材焊合而成，實現車頂正面焊接過程中組板、定位、壓緊、鎖緊等功能，并以氣源作為動力，完成定位、壓緊、鎖緊等動作的控制，從而提高了生產效率，降低了勞動強度。2.1.3鋁合金邊梁圓頂夾具設計邊梁鋁合金車頂邊梁是通過兩塊鋁合金長型材拼焊而成，即鋁合金型材中立筋的位置。邊梁與圓頂焊接工裝需要分別對圓頂和邊梁進行定位夾緊，采用端面定位夾緊和側面定位夾緊對邊梁和原定兩條焊縫進行焊接。2.2鋁合金焊接工藝2.2.1鋁合金的氣焊該焊劑用于鋁及鋁合金的焊接。焊接后，殘渣被清除。接頭的質量和性能不高。（1）氣焊的接頭形式這種接頭很難將殘留的焊劑和爐渣在進入間隙的流中清洗，應盡可能使用對接接頭。（2）氣焊熔劑的選用氣焊劑（也稱為氣體劑）是氣體焊接的助焊劑。氣焊鋁合金必須是焊劑，通常是焊接前。焊劑直接分布在焊絲上的焊縫或焊縫上。焊劑是一種粉末混合物。焊接渣容易生產，適用于焊接厚、重零件。不適合使用含鈉焊劑用于搭接接頭、未熔化的角焊縫和焊縫，難以完全除去殘留的爐渣和具有高鎂的高鎂合金。 3）焊嘴和火焰的選擇鋁合金具有很強的氧化和吸氣性能。在氣焊過程中，為了使鋁不氧化，應采用中性火焰或弱碳化火焰（乙炔過量碳化火焰）使鋁熔池在還原氣氛的保護下不氧化。嚴禁氧化火焰，因為強氧化性氧化物火焰能強烈地氧化鋁并防止焊接過程；而過量的乙炔、游離氫可能熔化到熔池中，會導致焊縫產生氣孔，從而焊縫松動。（4）定位焊縫為了防止焊接過程中焊接件的尺寸和相對位置的變化，焊接前必須進行點焊。由于線性熱膨脹系數大，熱導率大，氣焊加熱面積大，定位焊縫應比鋼更致密。用于定位焊接的填充絲與焊接時的填充絲相同。定位焊接的火焰功率略大于氣焊的火焰功率。（5）氣焊操作在焊接鋼材料時，可以根據鋼的顏色變化判斷加熱溫度。但是，當鋁焊接時，它沒有這種方便的條件。由于鋁合金從室溫加熱到熔化的過程中顏色沒有明顯的變化，因此操作員難以控制焊接溫度。但有可能根據下列現象掌握焊接時間：1）當加熱工件表面由亮白變為淡銀白色時，表面氧化膜皺縮，當金屬在加熱點處波動時，表明熔化溫度將達到并可焊接[5]。2）當焊絲端部和加熱部浸在焊劑中時，可達到熔化溫度，焊絲與母材熔化。可以施焊；3）當母材的邊緣下落時，達到了母材的熔化溫度，此時可以施焊。氣體焊接片可采用左焊法焊接。焊絲位于焊接火焰的火焰之前。這種焊接方法使熱失去部分，因為火焰指向冷金屬。有利于防止熔池過熱和金屬顆粒在熱影響區內蔓延和燃燒。如果基材厚度大于5，則可以采用正確的焊接方法。焊絲放置在焊炬后，火焰指向焊縫，熱損失小，熔化深度大，加熱效率高。當薄壁件的厚度小于3時，焊炬的傾斜角度為20～40度。當氣體焊接厚度較厚時，焊炬的傾斜角度為40～80度，焊絲與焊炬之間的夾角為80～100度[6]。 鋁合金焊接接頭應盡快焊接，不堆疊第二層，因為堆疊第二層會導致焊縫熔渣夾雜物。（6）焊后處理鋁合金接頭的殘余焊劑和爐渣對焊縫的腐蝕是鋁合金接頭今后使用損傷的原因之一。氣體焊接1～6h后，應清除殘余焊劑和爐渣，防止焊縫腐蝕。焊后清理工序如下。1）焊接后，將焊接件浸入40～50℃的熱水箱中，最好使用熱水，用硬毛線和焊縫附近的殘余焊劑和爐渣刷焊，直到干凈為止。2）把焊縫泡在硝酸溶液中。如果外界溫度大于25℃時，這時需要溶液的濃度為15%～25%，并且浸泡時間長度為10～15min。如果外界溫度為10～15℃時，那么溶液濃度應該為20%～25%，浸泡時間長度為15min。3）在移動式熱水（溫度40～50度）槽中浸漬5～10min的焊接件。4）用冷水沖洗一段時間。5）干燥焊接部件，或在干燥爐中干燥或用熱風吹干。2.2.2鋁合金的鎢極氬弧焊（TIG焊）鎢極惰性氣體保護電弧焊是利用惰性氣體將焊接與空氣隔離的一種氣體保護焊，工作時，通過鎢極與工件接觸產生大量的熱量，對工作面進行焊接，與其他焊接一樣通過電流產生大量熱量，焊絲作為焊接的填充材料使得工件焊接完成，在焊接過程中，惰性氣體起到非常重要的作用，可以保護鋁合金型材在焊接時候不被氧化而保證焊接質量[7]。采用TIG焊接技術可以很好地對鋁合金型材表面進行清理，去除鋁合金表面致密的氧化膜，保證了焊接質量，同時這種焊接可以避免焊接過程對接頭的腐蝕。所以接頭的形式可以按照情況選擇，并且焊接后焊縫非常好，表面比較光亮。惰性氣體的快速流動對接頭的冷卻有比較好的改善，通過對接頭結構和性能進行改善，適合焊接位置更廣，但是由于沒有使用溶劑，因此焊接時對焊縫的清理要求更嚴格。通常，鋁合金的交流焊接在電流承載能力、電弧可控性和電弧清潔方面都能達到最佳匹配。當DC直接連接（電極連接到負極）時，在工件表面產生熱量以形成深穿透，并且較大的焊接電流可以施加到一定尺寸的電極上。即使是厚的部分不需要預熱，并且賤金屬幾乎不變形。雖然TIG焊方法很少用于焊接鋁，但該方法具有連續熔化或修復薄壁換熱器和管道厚的優點，如熔化深度、電弧控制容易、電弧凈化效果好等2.4種。（1）鎢極鎢的熔點為340℃，最高熔點金屬。鎢在高溫下具有較強的電子發射能力。添加稀土元素釷、鈰、鋯等微量稀土氧化物后，鎢電極的發射功顯著降低，鎢的載量明顯提高。在鋁合金TIG焊中，鎢電極起到導電電流、點燃電弧和維持電弧正常燃燒的作用。常用的鎢材料分為鎢、釷鎢、鈰和鎢。（2）焊接工藝參數為了獲得良好的焊縫成形和焊接質量，應根據焊接件的技術要求選擇合理的焊接參數。工藝參數是確定鎢電極的直徑和形狀、焊絲的直徑、保護氣體和流量、噴嘴的孔徑、焊接電流、電弧電壓和焊接速度，然后根據參數調整參數。達到實際焊接效果，直至達到要求。選用TIG焊接技術進行鋁合金焊接時，焊接參數有以下要求：1）鋁合金焊接時，TIG焊接噴嘴孔徑一般為5～22，惰性保護氣體流量5～15L/min。2）工件與鎢極噴嘴的距離以及鎢極的長度有一定關系，鎢極的長度通常為：對接工件的焊縫一般為5～6，而對接工件角焊時，焊縫通常為7～8。焊接工件與鎢極噴嘴之間的距離一般為10左右[8]。3）進行鋁合金焊接時，焊接過程中電流、電壓與工件的厚度、焊接接頭結構以及形狀、工件焊接焊縫的位置以及操作工人的操作水平有關。當進行手工交流電源TIG焊接時，如果工件的焊接厚度為小于6mm的鋁合金時，根據公式I=（60~65）d，在已知電極直徑d的情況下可以確定焊接電流。而焊接電壓可以更具電弧的長度進行計算，通常電弧的長度與鎢直徑比較接近。。4）在用TIG焊接技術進行鋁合金焊接時，為了減少鋁合金在焊接過程中的變形，應該通過提高焊接時速度降低變形量。手動TIG焊通常根據熔池的尺寸、熔池的形狀和兩側的熔接來調整焊接速度。一般焊接速度為8～12M/h。在設定工藝參數時，焊接過程中焊接速度基本不變。5）焊絲直徑一般由焊接板的厚度和焊接電流決定。焊絲直徑與焊絲直徑成正比。交流電的特性是負半波（工件為負極）。當正半波（工件為正極）時，鎢電極由于其低熱值而不易熔化。必須保持短弧長，以獲得足夠的熔化深度深度并防止咬邊、焊縫寬度和由此產生的焊縫深度和焊縫形狀的失控。電弧的長度近似等于鎢極的直徑。為了防止焊接時焊接產生的電弧以及電弧點引起的裂紋，需要在焊接時增加防范裝置：滅弧板、導弧板。在工作時，產生的電弧達到穩定狀態并且鎢的極端已經被加熱到可以使用的溫度時，電弧可以進行焊接操作，移動到焊接區域。焊接接頭可以通過焊接薄板和硬鋁來獲得。交流鎢脈沖氬弧焊可實現高架焊接、垂直焊接、管道全位置焊接、單面焊接和雙面成形的良好焊接效果。合金焊接交流脈沖TIG焊工藝參數如表3.2所示。表3.2鋁合金交流脈沖TIG焊的工藝參數（3）鋁合金TIG焊常見缺陷及防止措施1）氣孔由于氬氣管道純度低或水和空氣泄漏，當焊絲或焊絲基體在焊接或清洗之前未清洗或清洗時，焊接電流和焊接速度太大或太小。熔池保護不好，電弧不穩定，電弧過長，鎢極過長。預防氬氣管道的措施，選擇仔細清洗焊絲、焊接件，及時清理焊接后，防止再污染。必要時，可采用預熱技術在現場對風電屏蔽裝置進行焊接，以防止風場在現場發生[9]。2）裂紋焊絲的組成不合適。如果在焊接過程中，需要較高溫度進行焊絲熔化時，這時會由于溫度太高對此區域產生液化裂紋，這存在不合理的結構設計，如果出現焊接工件焊縫比較集中或者焊絲進行加熱的區溫度比較高，導致接頭被扣留。從預防措施中選擇的焊絲應與母材相匹配，增加弧板或加裝電流衰減裝置填充弧焊坑；焊接結構設計合理，焊縫布置得當，避免焊接應力集中。3）未焊透當焊接操作焊過快，電弧未達到工藝要求并且工件的焊縫間隙比較小，工件焊縫坡口角度不合適，焊接電流未達到指定要求，以及鈍邊過大；鋁合金工件未按照要求進行清理打磨；焊接技術的焊絲和焊槍未選擇合適的。4）焊縫夾鎢由于接觸引起接觸弧的原因，鎢極的端部形狀和焊接電流沒有合理選擇，尖端脫落，焊絲接觸到熱鎢極的尖端，而氧化氣體被誤用。預防措施采用高頻高壓脈沖引弧，根據選定電流，采用鎢極尖的合理形狀，減少焊接電流，增加鎢極直徑，縮短鎢極長度，更新惰性電極。如提高操作技能，請勿與鎢絲接觸導線[10]。5）咬邊其原因是焊接電流過大，電弧電壓過高，焊槍不均勻，焊絲填充過少，焊接速度過快。 2.2.3鋁合金的摩擦攪拌焊(ＦＳＷ)雖然鋁合金的焊接工藝可以獲得較高的焊接速度，但應用范圍很廣，但焊縫是鑄態結構，焊接接頭在熱循環作用下發生很大變化，導致接頭的力學性能下降（特別是焊接接頭）。熱處理鋁合金。此外，焊接鋁合金時，接頭的熱影響區寬，變形大，容易產生缺陷，成本高，接頭的顏色不同于母材的顏色。1991，焊接研究所（TWI）提出了攪拌摩擦焊接技術。該技術已被廣泛應用于發達國家，尤其是造船、航天和汽車工業的鋁合金連接，如挪威的馬潤鋁業公司、波音飛機公司、日本日立公司等，國內對該工藝的研究仍在進行中。在幼年時期。鋁合金工件采用攪拌摩擦焊進行焊接時有比較多的優點：（1）攪拌摩擦焊由于采用合金材料焊接接頭比較耐磨質量良好。FSW是一種固相焊接。焊接接頭在凝固過程中不易產生裂紋、氣孔等缺陷。焊接溫度低于鋁合金熔點，可獲得與母材相似的接頭，工件變形小，焊接后無顏色變化。（2）成本低。無需填充材料和保護氣體；裝配精度不高，焊接前的制備工藝簡單；厚板焊接不需要開槽；接頭機構簡單，易于管理；節能。（3）攪拌摩擦焊焊接時工人操作難度小比較方便，在焊接工程中焊接狀態比較好控制，因此比較容易實現與自動化技術相融合，并且焊接質量穩定可靠。（4）不會產生煙霧或惡臭氣味，也不會產生紫外線或紅外線等有害射線。攪拌摩擦焊接是一種固態焊接工藝，所以焊接鋁合金在焊接過程中不會出現各種缺陷，接頭性能良好，對于焊接性差且不能焊接的鋁合金，可以有效焊接[7]。圖2.2.3為攪拌摩擦焊圖.4合金半自動MIG焊工藝半自動焊的焊槍由操作者握持著向前移動。熔化極半自動氬焊多采用平特性電源，焊絲直徑為1.2～3.0㎜。可采用左焊法，焊炬與工件之間的夾角為75°，以提高操作者的可見度。多用于點焊、短焊縫、斷續焊縫及鋁容器中的橢圓形封頭、人孔接管、支座板、加強圈、各種內件及錐頂等。熔化極半自動氬弧焊的點固焊縫應設在坡口反面，點固焊縫的長度為40～60㎜，對于相同厚度的鋁錳、鋁鎂合金，焊接電流應降低20～30A，氬氣流量增大10～15L/min。脈沖MIG焊可以將熔池控制得很小，容易進行全位置焊接，尤其焊接薄板、薄壁管的立焊縫、仰焊縫和全位置焊縫是一種較理想的焊接方法。脈沖MIG焊電源是直流脈沖，脈沖TIG焊的電源是交流脈沖。它們的焊接工藝參數基本相同。純鋁、鋁鎂合金半自動脈沖MIG焊的工藝參數見表3.3。表3.3鋁鎂合金半自動脈沖MIG焊的工藝參數鋁合金MIG焊需注意的問題如下。（1）噴射過渡焊接時，電弧電壓應稍低一點，使電弧略帶輕微爆破聲，此時熔滴形式屬于噴射過渡中的射滴過渡。弧長增大對焊縫成形不利，對防止氣孔也不利。（2）在中等焊接電流范圍內（250~400A），可將弧長控制在噴射過渡區與短路過渡區之間，進行亞射流電弧焊接。這種熔滴過渡形式的焊縫成形美觀，焊接過程穩定。（3）粗絲大電流MIG焊（400~1000A）在平焊厚板時具有熔深大、生產率高、變形小等優點。但由于熔池尺寸大，為加強對熔池的保護，應采用雙層保護焊槍（外層噴嘴送Ar氣，內層噴嘴送Ar-He混合氣體），這樣可擴大保護區域和改善熔池形狀。（4）大電流時，為了保護熔池后面的焊道，可在雙層噴嘴角后面再安裝附加噴嘴。第三章鋁合金車頂平頂焊接夾具及工藝設計3.1鋁合金車頂平頂結構a.平頂模塊組成結構A型地鐵一般分為帶司機室的拖車（Tc車）和帶受電弓的動車（Mp車）以及不帶受電弓的動車（M車）三種車型，根據平頂模塊承載作用的不同，這三種車型的車體均有兩個。客室空調平頂模塊，另外。Tc車有一個司機室空調平頂模塊、Mp車有一個受電弓平項模塊。三種平頂模塊組焊尺寸不同，但焊接結構相似，均由平頂邊梁、平頂板和端板三部分組成。本文以平頂板組焊工藝、平頂板與平頂邊梁自動焊接工藝為切入點，研究分析平頂模塊的焊接變形控制。b.平頂模塊焊接結構鋁合金型材結構具有質量輕、強度高的優點，但焊接時也存在熱導率大、熱裂傾向大、易形成氣孔、接頭強度軟化的難點，所以，良好的焊接接頭設計和焊接參數的選擇，可以在焊接時使得焊縫獲得足夠的焊接熱輸入量，盡量避免焊接缺陷產生，減少接頭焊接變形，從而保證平頂模塊焊縫質量和尺寸控制。A型地鐵三種類型的平頂模塊結構相似，平頂板均由3塊鋁合金型材雙面焊接而成，采用70°V形坡口，鈍邊為1mm，帶永久性墊板的(33)mm對接焊接接頭形式[11]。3.2鋁合金車頂平頂夾具設計平頂夾具只需滿足三塊鋁合金型材的定位和夾緊。端部定位采用型定位，保證平頂一端三塊鋁合金型材狀態穩定，在端部定位完成后夾具立馬夾緊，完成平頂的端部定位夾緊，采用氣動夾緊，減少工人勞動量，端部定位夾緊設計圖如圖3.2.1。圖3.2.1由于平頂型材比較長，避免在夾緊過程中型材出現變形，需要在中間設計一些支撐單元，同時預留焊縫位置，支撐單元設計如圖3.2.2。圖3.2.2平頂焊接過程需保證平頂寬度尺寸不受焊接，所以平頂寬度需要定位，同時需要合理的加緊，平頂兩側定位夾緊單元設計如圖3.2.3.圖3.2.3平頂中間型材由于已經有定位支撐，但是為保證型材狀態穩定，需要加一些夾緊單元，夾緊單元設計如圖3.2.4.圖3.2.4這樣平頂的三塊鋁合金型材就完成了定位夾緊，平頂夾具設計圖如圖3.2.5.圖鋁合金車頂平頂夾具強度校核對夾具支撐單元受力分析，如圖3.3.1.圖3.3.1σ=F因為支撐塊材料為Q235，所以Fmax=84835N因為地鐵鋁合金使用型材6005A（T6）6005A（T6）型材的室溫縱向拉伸力學性能如圖3.3.2：牌號狀態壁厚/mm抗拉強度Rm/Mpa規定非比例延伸強度Rp0.2/Mpa斷后伸長率/%A5.65aA50mmb不小于60056005AT5≤6.3260215—7T4≤25180901513T6實心型材≤5270225—6＞5~10260215—6＞10~2525020086空心型材≤5255215—6＞5~1525020086參數：aA5.65表示原始標距（L0）為5.65的斷后伸長率。b壁厚不大于1.6mm的型材不要求伸長率。A伸長率：原始標距L0的伸長與原始標距之比的百分率。Rp規定非比例延伸強度：非比例延伸率等于引伸計標距（Le）規定百分率時的應力。6005A鋁合金型材[σ]=200MPa對端部夾緊單元夾緊臂進行受力分析，如圖3.3.2圖3.3.2畫出梁的彎矩圖，如圖3.3.3圖3.3.3氣缸型號為MCKB63x100當氣壓為0.7Mpa時，F壓=2181.9NM1=FL=2181.9X60.2=131.35N·m彎曲的最大正應力：σ1=Fσ2=MxIx=a計算得：σ=FAmax=108.02MPa＜[σ經比較安全對兩側夾緊單元夾緊臂進行受力分析，如圖3.3.4圖3.3.4畫出梁的彎矩圖，如圖3.3.5圖3.3.3氣缸型號為MCKB80x120當氣壓為0.7Mpa時，F壓=3518.2NM1=FL=2181.9X86=302.57N·m彎曲的最大正應力：σ1=Fσ2=MxIx=a計算得：σ=FAmax=26.67MPa＜[σ經比較安全所以平頂夾具強度安全3.4鋁合金車頂平頂及邊梁焊接工藝地鐵平頂模塊組焊工藝流程平頂板組焊工藝流程如下：平頂板清洗、打磨→平頂板吊運、預組→平頂板反裝段焊、滿焊→平頂板正裝滿焊。平頂板與平頂邊梁組焊工藝流程如下：各部件待焊區域清洗、打磨→平頂板與平頂邊梁吊運、組裝→平頂板與平頂邊梁正、反裝段焊→平頂板與平頂邊粱正、反裝滿焊→平頂端板組焊→平頂焊后尺寸測量。焊件焊前清洗打磨工作須嚴格規范執行，否則容易導致焊縫出現氣孔、夾雜、熔合不良等缺陷，增加焊縫修補工作量、降低生產效率，嚴重時會造成焊接部件報廢，給生產帶來極大的浪費和經濟損失[12]。A型地鐵平頂模塊焊接工藝平頂板組焊、平頂板與平頂邊梁組焊母材均為(33)mm板厚6005A鋁合金型材，焊接方法為MIG焊，保護氣體為99.999%高純氬，焊接材料為φ1.2mm、ER5356[AIMg5]，焊接設備為IGM龍門式雙焊槍自動焊設備，具體焊接參數參考焊接手冊。具體工藝控制措施如下：第一，平頂板組焊工裝的橫向夾緊裝置，可保證平頂板對接焊縫的焊接間隙在0~Imm內，也可防止焊接過程中焊接間隙變化，以獲得平頂板理想焊后尺寸。第二，采用合理的焊接順序：先使用自動焊焊機同時焊接兩條焊縫，翻轉工裝后再同時焊接另兩條焊縫，使平頂板組焊后整體呈上拱狀態。第三，通過施加重陀等輔助工藝手段及正反面滿焊焊參數的調節，使平頂板焊后尺寸滿足工藝要求。平頂板與平頂邊梁由正反面4道搭接焊縫焊接而成。與平頂板組焊焊接變形不同，平頂板與平頂邊梁組焊變形主要為角變形，而且焊后要求中a、A、c尺寸須同時滿足工藝要求。a為焊后平頂邊梁的上口開檔：A為焊后平頂邊梁下口C型槽開檔：c為平頂高度。具體工藝控制措施如下：第一，在工藝條件相同的情況下，⑦、⑧焊縫收縮引起的平頂變形比⑤、⑥焊縫收縮引起的平頂變形大，如果焊前不對平頂邊梁預制反變形，焊后平頂A、c尺寸比理論值小10~12mm，a尺寸比理論值大4~5mm，導致產品形狀和尺寸不滿足使用要求，造成生產浪費，因此必須對平頂邊梁預制反變形，以抵消正反面焊縫收縮引起的焊接變形量的差異。第二，對平頂采用剛性固定法焊接。現場生產通過平頂正反裝組焊工裝的邊梁定位及夾緊裝置，對平項在剛性固定狀態下施焊，可充分限制平頂變形。第三，平頂邊梁的搭接焊縫由一端向另一端焊接，被焊接位置的熱量對該位置有預熱作用，其他工藝條件相同的情況下，焊接位置的焊接變形會比未焊接的位置大3~4mm，通過在未焊接端施加工藝拉桿，可以使得兩端焊接變形量一致。第四，為使得a、A、c同時滿足要求，生產中還須做到以下兩點：①焊前須嚴格自檢平頂邊梁與平項板的搭接量。②為防止平頂在翻胎及焊接過程中搭接量變化，焊前須進行正反面段焊，否則搭接量不均勻焊接，使得邊梁兩側焊縫變形量存在差異，最終導致平頂兩側高度相差較大，車體內高分布小一致[13]。3.5本章小結良好的焊接接頭設計和適當的焊接參數選擇，是平頂模塊高質量、快節奏生產的基礎保障。針對平頂組焊流程中變形較大的工步進行重點工藝攻關，采取焊接預變形、改進工藝裝備、優化組焊順序及改進焊接參數等措施有效控制了平頂的焊接變形。平頂模塊生產過程中，可以利用焊縫收縮引起的彎曲變形，使平項板上拱0~3mm，滿足工藝要求。第四章鋁合金車頂圓頂焊接夾具及工藝設計4.1鋁合金車頂圓頂結構其中，圓頂模塊由四塊圓頂板自動焊焊接完成，再與車頂邊梁自動焊焊接，因其圓頂模塊與車頂邊梁剛性相差較大，焊接變形量大，因此控制其焊接變形是難點。4.2鋁合金車頂圓頂夾具設計4.2.1端部定位裝置用于車頂板的端部定位，保證所焊車頂蓋左端平齊。定位板經過機械加工，保證定位精度，定位裝置用螺栓固定在工裝主體支架上，開工前先根據車頂長度選擇定位靠板。氣動壓緊裝置由萬向壓頭、壓臂、氣缸、支架等部分組成，是工裝的一種典型的、常用的壓緊機構，壓緊穩定可靠，故障率低，，其中的可調節壓頭可根據產品的變化進行自適應調整。端部定位夾緊設計如圖4.2.1。圖.2圓頂的兩側定位采用固定限位，加緊利用可調節高度的支撐定位，滿足發生形變時可調節，兩側定位如圖4.2.2。圖.3圓頂支撐單元采用尼龍塊隨型設計，保證圓頂支撐于圓頂弧度相吻合，設計如圖4.2.3。圖鋁合金車頂圓頂夾具強度校核對端部和兩側夾緊單元夾緊臂進行受力分析，如圖4.3.1圖4.3.1畫出梁的彎矩圖，如圖4.3.2圖4.3.2氣缸型號為MCKB63x100當氣壓為0.7Mpa時，F壓=2181.9NM1=FL=2181.9X60.2=131.35N·m彎曲的最大正應力：σ1=Fσ2=MxIx=a計算得：σ=FAmax=108.02MPa＜[σ經比較安全經比較安全所以平頂夾具強度安全4.4鋁合金車頂圓頂焊接工藝圓頂模塊組焊工藝：型材反裝組焊→反面段焊反面滿焊→圓頂翻轉→圓頂正裝定位夾緊及段焊→圓頂正面滿焊→圓頂尺寸檢測。4.4.1鋁合金圓頂焊接結構圓頂結構由4塊材料為6005A鋁合金圓頂板型材對接拼焊而成，焊接方法為MIG焊，保護氣體為99.999%高純氬，焊接材料為φ1.2mm、ER5356[AlMg5]。接頭形式是V型70°，鈍邊為1mm，帶永久性墊板[14]。4.4.2車頂自動焊焊接變形分析鋁合金車體圓頂焊接時需要多次焊接，其橫向變形存在多次累加效應，因此，控制橫向變形是難點。大部件圓頂焊接時，盡管在剛性固定和工裝壓緊條件下，能夠獲得一定的預變形，但是該變形屬于彈性和塑性變形的混合體，因此，一旦松開夾具的固定工裝，此前預變形會發生反彈，因而需要預留一定的反變形量[1]。車頂內高尺寸普遍超差，最大達7mm，且車頂圓頂高度超差直接影響到車頂組裝車頂吊掛壁，車頂寬度等尺寸。在車圓頂試制時，對工裝圓頂正裝反變形量焊接增加至8mm，并按照文件進行焊接，焊接后車頂內高偏小約6mm。4.4.3焊接變形控制措施通常控制焊接變形的方法有焊前預變形及焊后矯正。前一種方法更主動和有效。鋁合金車體的縱向焊接變形往往通過機械拉伸和加熱預拉伸兩種凡是得到，而橫向焊接變形往往需要借助壓鐵、真空吸盤和大剛度卡具等才能實現。根據0102車預加8mm反變形后，尺寸仍不滿足的情況，繼續調整圓頂反變形，尋求合適的反變形量。車頂由4塊圓頂板模塊插接而成，依靠3條對接焊縫連接，焊接過程中變形主要來自于與對接焊縫相垂直的橫向收縮，圓頂結構與邊梁采用搭接形式。對圓頂板進行剛性固定焊接。反裝組焊工裝一端是死定位端，一端是橫向氣動夾緊裝置，可保證圓頂對接焊縫的焊接間隙控制在0～1mm范圍內[15]。此外，工裝兩側的長壓臂在內側，短壓臂在外側，用定位銷將壓臂固定，以此來控制圓頂與邊梁的搭接焊縫間隙，通過剛性固定法來限制焊件變形。4.4.4優化焊接參數焊接工藝參數中的焊接電流及焊接速度直接影響焊接線能量的大小，最終控制著焊接變形的產生，制定合理的焊接工藝參數可以很大程度上減少焊接變形量[2]。通過將圓頂板焊接電流由220A，電壓23.0V調整為由180A，電壓20.4V；4.5本章小結通過分析車頂圓頂的組焊工藝，結合其試制中產生尺寸超差等問題，提出了相應的工藝措施和解決方法，采用優化焊接工藝參數、調整焊槍角度、預制反變形措施，有效的控制了車頂自動焊焊接變形量，保證車頂圓頂的焊接質量，為后續生產提供了借鑒。第五章鋁合金車頂邊梁圓頂焊接夾具及工藝設計5.1鋁合金車頂邊梁圓頂結構鋁合金車頂邊梁是通過兩塊鋁合金長型材拼焊而成，如圖5.1.1鋁合金車頂邊梁圓頂結構由兩側邊梁和中間一塊圓頂構成5.2鋁合金車頂邊梁圓頂夾具設計5.2.1鋁合金車頂邊梁工裝設計其中鋁合金型材截面形狀不規則，由此造成型材定位較困難，這時要選取正確的定位基準比較重要，同時要兼顧型材材料性能的要求，夾緊力應在承重的位置，即鋁合金型材中立筋的位置。地鐵鋁合金邊梁在焊接時，使用可翻轉的組焊工裝，設計時采用模塊化設計，整個邊梁焊接工裝13個夾緊支撐單元組成，同時每個單元又由結構功能類似的框架、翻轉定位和旋轉壓緊這三部分組成。邊梁框架設計框架是邊梁工裝的重要組成之一，它的作用是支撐工裝的總重量，保證在焊接加工過程中工裝保證穩定。框架是用鋼管焊接熱處理而成。其形狀與槽鋼形狀相似。考慮到框架的穩定性和操作中的安全性，在框架兩側焊接支撐的方管，為了實現工裝焊接的翻轉功能，需要預留旋轉裝置，并且滿足旋轉定位和夾緊，框架與地面相連，需要在框架底面預留與地面相連的安裝板，同時需要滿足高度可調節功能。5.2.1.2邊梁翻轉定位設計為實現工裝的定位夾緊功能，首先需要全定位，利用6點定位原理，滿足工件的定位，從而保證工裝滿足焊接要求。空間中的任何一個自由物體，進行合理的坐標系建立后，都可以在6個方向進行運動，即沿著三個坐標軸運動或者繞三個坐標軸轉動。想要實現工件在夾具的一個方向上有相對于坐標軸確定的位置，只能通過限制這個坐標軸方向的自由度；要實現工件在夾具定位夾緊狀態下處于穩定不變的位置，就必須限制工件6個方向的自由度[16]。通過型面進行六個自由度的限制，完成工件的定位。5.2.1.3邊梁旋轉壓緊設計在邊梁焊接過程中，因為邊梁型材是鋁合金材質，在焊接過程中，型變量比較大，為了實現焊接不變形，保持邊梁產品外形，需要在合適的位置緊鋁合金型材，采用機械夾緊的夾緊方式。為了方便工人的操作，盡量設計快速夾緊，采用旋轉夾緊在適當位置壓緊。壓緊點位置選取工件C型槽位．此處能夠承受比較大的夾緊力。可以保證工件在夾緊時，不發生形變。同時，考慮到工件外形為弧面，夾緊力應為型面的法線方向，因此保證有60°傾角。夾緊應保證不與焊接操作發生干涉，因此應保證360°旋轉，同時方便上件取件。5.2.2邊梁圓頂焊合工裝圓頂支撐夾緊圓頂采用端部定位和夾緊，設計如圖圖圓頂支撐單元采用尼龍塊隨型設計，保證圓頂支撐于圓頂弧度相吻合，設計如圖圖邊梁定位夾緊邊梁采用兩個貼型尼龍塊做限位，利用旋轉壓臂進行夾緊，設計如圖。圖5.3鋁合金車頂邊梁圓頂夾具強度校核對端部和兩側夾緊單元夾緊臂進行受力分析，如圖4.3.1圖4.3.1畫出梁的彎矩圖，如圖4.3.2圖4.3.2氣缸型號為MCKB63x100當氣壓為0.7Mpa時，F壓=2181.9NM1=FL=2181.9X60.2=131.35N·m彎曲的最大正應力：σ1=Fσ2=MxIx=a計算得：σ=FAmax=108.02MPa＜[σ經比較安全經比較安全所以平頂夾具強度安全5.4鋁合金車頂邊梁圓頂焊接工藝邊梁圓頂模塊組焊工藝：型材反裝組焊→反面段焊反面滿焊→邊梁圓頂翻轉→邊梁圓頂正裝定位夾緊及段焊→邊梁圓頂正面滿焊→邊梁圓頂尺寸檢測。將圓頂與邊梁焊接電流由135A，電壓18.0V調整為由180A，電壓21.0V，能更好的保證車頂焊接質量，減少焊接變形。在焊接完成后對頂蓋進行整形處理，確保焊接產品滿足要求。5.5本章小結通過分析車頂邊梁圓頂的組焊工藝，在焊接過程中需要不停地調節焊縫的尺寸，直到找到最合適的焊縫尺寸，保證邊梁圓頂焊合變形較小并且符合強度要求。第6章自動粉料上料系統總結和展望6.1設計總結對本次設計做認真的總結，本論文基于機械設計、機械原理、機械制造工藝學等基礎，以實現自動化上料為目標，為質量要求高，生產效率需要提高，降低勞動成本的生產過程提供地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接夾具和工藝，滿足了那些進行基礎教育操作的技工學校進行講解的案例要求，讓他們找到合理適合自己的生要操作要求的機會，讓工人操作更安全，強度也更低。通過本次設計研究，為地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接工藝的研究提供了一定的思路，希望可以讓車間操作工人在以后的生產中能夠更輕松、更安全的工作，擁有一個更適合工作的環境。通過這一階段的畢業設計，我受益匪淺，不僅鍛煉了良好的設計和邏輯思維能力，而且培養了棄而不舍的求學精神和嚴謹作風。回顧此次畢業設計，是大學四年所學知識很好的總結[17]。此次地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接工藝不僅重溫了過去所學知識，而且學到了很多新的內容。相信這次畢業設計對我今后的工作會有一定的幫助。所以，我很用心的把它完成。在設計中體味艱辛，在艱辛中體味快樂。通過本次設計我可以更加系統的了解地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接工藝的知識；能夠了解地鐵車輛鋁合金車體車頂焊接工藝理念以及應該達到的目標；能夠檢驗自己能否將大學里學習的理論知識轉化為實際應用；能夠培養自己自學和獨立思考的能力。這次設計不但鍛煉我的思維能力，還鍛煉我的查閱資料獲取有用信息的能力，通過繪制設計圖紙，使我熟練的掌握了SolidWorks和CAD繪圖軟件的使用，我把自己的理論用到實際當中去，在設計過程當中遇到的各種困難，我通過思考和咨詢同學和老師獲得了許多解決問題的方法和方式。畢業設計的過程是艱辛的，解決問題的過程是快樂的，成長過程是痛苦的，我相信只要我們保持嚴謹的學習態度，我一定能夠成長起來。6.2未來展望本論文完成了地鐵車輛鋁