毕业设计（论文）-地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺设计

摘要随着我国城市的不断发展，交通行业成为城市发展的重要行业，这时轨道交通行业中地铁成为大众宠儿。而铝合金地铁因其拥有密度低、耐腐蚀性好、外观美观、比较易制造复杂表面、强度高等优点。在世界范围内，轨道交通越来越受到人们的关注。铝合金地铁凭借轻量化的优点直接进入各大城市轨道交通行列，并且所占领的市场越来越大，但是与之匹配的焊接工艺却不成熟，大部分关键技术被国外垄断，进行铝合金地铁车体的焊接工艺要求迫在眉睫。目前，我国大部分大城市进入轨道交通的快速发展时期，而铝合金地铁是城市轨道交通的首选，铝合金地铁的轻量化是提高地铁速度的首选。国外铝合金车体早上上世纪就已经发展的比较成熟，并且得到大量运用，其中德国和日本的技术比较成熟并且在本国有大量的实例，与此同时虽为铝合金产能大国的中国，却一直以来沿用钢铁技术，在铝合金领域没有很大的发展。通过对地铁铝合金车顶结构的分析，结合铝合金车体焊接的特点，制定合理的车顶焊接顺序、焊接工艺参数以及装配要求。对于焊接过程中出现的问题，分析原因，制定解决措施，完善工艺方法，通过分析铝合金车顶的焊接工艺，结合实际生产总结出预制反变形、利用工装刚性固定，同时调节工艺参数优化等手段，很大程度上解决了车顶尺寸过大的问题，保证了车顶的焊接质量。关键词：铝合金车顶；焊接；工艺；

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;目录TOC\o"1-3"\u第1章绪论 11.1地铁铝合金车顶研究背景 11.2研究意义 11.3国内外的研究现状 11.4研究的内容和方法 21.5本章小结 2第2章铝合金车顶方案设计 32.1铝合金车顶平顶夹具设计方案 32.2铝合金焊接工艺 3第3章铝合金车顶平顶焊接夹具及工艺设计 123.1铝合金车顶平顶结构 123.2铝合金车顶平顶夹具设计 123.3铝合金车顶平顶夹具强度校核 153.4铝合金车顶平顶及边梁焊接工艺 193.5本章小结 20第4章铝合金车顶圆顶焊接夹具及工艺设计 214.1铝合金车顶圆顶结构 214.2铝合金车顶圆顶夹具设计 214.3铝合金车顶圆顶夹具强度校核 224.4铝合金车顶圆顶焊接工艺 244.5本章小结 25第5章铝合金边梁圆顶焊接夹具及工艺设计 265.1铝合金车顶边梁圆顶结构 265.2铝合金车顶边梁圆顶夹具设计 265.3铝合金车顶边梁圆顶夹具强度校核 295.4铝合金车顶边梁圆顶焊接工艺 305.5本章小结 31第6章铝合金车顶焊接总结和展望 326.1设计总结 326.2未来展望 32参考文献 34致谢 35第1章绪论1.1地铁铝合金车顶研究背景普通公民应当包括城市地铁线路和建设项目。目前，中国已经完成了近200km的地铁线路的运营，以及15个主要城市的总里程已达到2280km和飞速发展。随着城市化进程的加速在中国，在中国城市轨道交通快速发展的过程中一直保持“第十二五”时期。自行研制开发的铝合金轻质全焊接地铁线路已建成柔性精简示范管道。高效率、高质量的覆盖模块的生产是后续车身焊接和汽车内部装饰的重要保证。1.2研究意义铝合金地铁凭借轻量化的优点直接进入各大城市轨道交通行列，并且所占领的市场越来越大，但是与之匹配的焊接工艺却不成熟，大部分关键技术被国外垄断，进行铝合金地铁车体的焊接工艺要求迫在眉睫[1]。铝合金地铁车体焊接技术的有效发展促进地铁的不断进步，地铁从一线大城市逐渐进入二线三线城市，它给公众带来了极大的便利。同时铝合金车身节能减耗，在能源匮乏的今天，变成了高效清洁的绿色出行。1.3国内外的研究现状国外铝合金车体早上上世纪就已经发展的比较成熟，并且得到大量运用，其中德国和日本的技术比较成熟并且在本国有大量的实例，与此同时虽为铝合金产能大国的中国，却一直以来沿用钢铁技术，在铝合金领域没有很大的发展。铝合金车体因其重量轻、密封性好、耐腐蚀性能好等优点，在国外越来越多地被国外高速轿车和广安地铁车辆使用[2]。从20世纪90年代开始，随着中国经济的迅速发展，经济发达地区广州的1,2号线和上海1号线都从国外进口铝合金地铁车体，正是由于这个原因，从而带动了全国铝合金地铁的发展热潮。铝合金地铁车体市场的大力发展，又带动国内各大轨道车辆厂商积极投身参与铝合金车体的研发中[2]。目前，国内发展大型铝型材生产能力正在迅速发展，一些强大的企业正在推动。有一台8000吨卧式挤压机，每台配有8000吨卧式挤压机，山东龙口市丛林铝业有限公司拥有世界上最大的10000吨挤压机。巡航铝型材有限公司拥有一台5000吨的挤压机，能挤出400～800毫米宽的铝型材。这些都为在中国国内铝合金的发展创造了有利条件[3]。1.4研究的内容和方法对地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺的研究内容主要包括铝合金焊接工艺、车顶夹具设计定位、夹紧以及装配图、零件图的绘制等主要工作。在老师和同学们的的指导下，认真学习，了解关于地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺的各个相关知识，努力完成毕业设计每个时间段的任务，多了解一些铝合金车顶夹具的结构及设计的相关参数。通过调查和查阅书籍资料，设计出满足要求的地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺。1.5本章小结本章主要的对地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺的研究背景、国内外的发展现状和需求分析进行了初步的研究，对地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺目前的状况有了比较清晰的认识和了解，让自己对后期的设计分析更加的有信心。第2章铝合金车顶方案设计2.1铝合金车顶平顶夹具设计方案2.1.1铝合金平顶夹具设计平顶由三块铝合金型材焊合而成，夹具设计需同时满足定位于夹紧，并且保证在焊接过程中不与焊枪发生干涉，由此平顶夹具设计需要对平顶端部进行夹紧定位，对中间铝合金型材进行加紧，同时考虑到夹紧较多采用气动夹紧操作[4]。2.1.2铝合金圆顶夹具设计圆顶由四块带弧形铝合金型材焊合而成，实现车顶正面焊接过程中组板、定位、压紧、锁紧等功能，并以气源作为动力，完成定位、压紧、锁紧等动作的控制，从而提高了生产效率，降低了劳动强度。2.1.3铝合金边梁圆顶夹具设计边梁铝合金车顶边梁是通过两块铝合金长型材拼焊而成，即铝合金型材中立筋的位置。边梁与圆顶焊接工装需要分别对圆顶和边梁进行定位夹紧，采用端面定位夹紧和侧面定位夹紧对边梁和原定两条焊缝进行焊接。2.2铝合金焊接工艺2.2.1铝合金的气焊该焊剂用于铝及铝合金的焊接。焊接后，残渣被清除。接头的质量和性能不高。（1）气焊的接头形式这种接头很难将残留的焊剂和炉渣在进入间隙的流中清洗，应尽可能使用对接接头。（2）气焊熔剂的选用气焊剂（也称为气体剂）是气体焊接的助焊剂。气焊铝合金必须是焊剂，通常是焊接前。焊剂直接分布在焊丝上的焊缝或焊缝上。焊剂是一种粉末混合物。焊接渣容易生产，适用于焊接厚、重零件。不适合使用含钠焊剂用于搭接接头、未熔化的角焊缝和焊缝，难以完全除去残留的炉渣和具有高镁的高镁合金。 3）焊嘴和火焰的选择铝合金具有很强的氧化和吸气性能。在气焊过程中，为了使铝不氧化，应采用中性火焰或弱碳化火焰（乙炔过量碳化火焰）使铝熔池在还原气氛的保护下不氧化。严禁氧化火焰，因为强氧化性氧化物火焰能强烈地氧化铝并防止焊接过程；而过量的乙炔、游离氢可能熔化到熔池中，会导致焊缝产生气孔，从而焊缝松动。（4）定位焊缝为了防止焊接过程中焊接件的尺寸和相对位置的变化，焊接前必须进行点焊。由于线性热膨胀系数大，热导率大，气焊加热面积大，定位焊缝应比钢更致密。用于定位焊接的填充丝与焊接时的填充丝相同。定位焊接的火焰功率略大于气焊的火焰功率。（5）气焊操作在焊接钢材料时，可以根据钢的颜色变化判断加热温度。但是，当铝焊接时，它没有这种方便的条件。由于铝合金从室温加热到熔化的过程中颜色没有明显的变化，因此操作员难以控制焊接温度。但有可能根据下列现象掌握焊接时间：1）当加热工件表面由亮白变为淡银白色时，表面氧化膜皱缩，当金属在加热点处波动时，表明熔化温度将达到并可焊接[5]。2）当焊丝端部和加热部浸在焊剂中时，可达到熔化温度，焊丝与母材熔化。可以施焊；3）当母材的边缘下落时，达到了母材的熔化温度，此时可以施焊。气体焊接片可采用左焊法焊接。焊丝位于焊接火焰的火焰之前。这种焊接方法使热失去部分，因为火焰指向冷金属。有利于防止熔池过热和金属颗粒在热影响区内蔓延和燃烧。如果基材厚度大于5，则可以采用正确的焊接方法。焊丝放置在焊炬后，火焰指向焊缝，热损失小，熔化深度大，加热效率高。当薄壁件的厚度小于3时，焊炬的倾斜角度为20～40度。当气体焊接厚度较厚时，焊炬的倾斜角度为40～80度，焊丝与焊炬之间的夹角为80～100度[6]。 铝合金焊接接头应尽快焊接，不堆叠第二层，因为堆叠第二层会导致焊缝熔渣夹杂物。（6）焊后处理铝合金接头的残余焊剂和炉渣对焊缝的腐蚀是铝合金接头今后使用损伤的原因之一。气体焊接1～6h后，应清除残余焊剂和炉渣，防止焊缝腐蚀。焊后清理工序如下。1）焊接后，将焊接件浸入40～50℃的热水箱中，最好使用热水，用硬毛线和焊缝附近的残余焊剂和炉渣刷焊，直到干净为止。2）把焊缝泡在硝酸溶液中。如果外界温度大于25℃时，这时需要溶液的浓度为15%～25%，并且浸泡时间长度为10～15min。如果外界温度为10～15℃时，那么溶液浓度应该为20%～25%，浸泡时间长度为15min。3）在移动式热水（温度40～50度）槽中浸渍5～10min的焊接件。4）用冷水冲洗一段时间。5）干燥焊接部件，或在干燥炉中干燥或用热风吹干。2.2.2铝合金的钨极氩弧焊（TIG焊）钨极惰性气体保护电弧焊是利用惰性气体将焊接与空气隔离的一种气体保护焊，工作时，通过钨极与工件接触产生大量的热量，对工作面进行焊接，与其他焊接一样通过电流产生大量热量，焊丝作为焊接的填充材料使得工件焊接完成，在焊接过程中，惰性气体起到非常重要的作用，可以保护铝合金型材在焊接时候不被氧化而保证焊接质量[7]。采用TIG焊接技术可以很好地对铝合金型材表面进行清理，去除铝合金表面致密的氧化膜，保证了焊接质量，同时这种焊接可以避免焊接过程对接头的腐蚀。所以接头的形式可以按照情况选择，并且焊接后焊缝非常好，表面比较光亮。惰性气体的快速流动对接头的冷却有比较好的改善，通过对接头结构和性能进行改善，适合焊接位置更广，但是由于没有使用溶剂，因此焊接时对焊缝的清理要求更严格。通常，铝合金的交流焊接在电流承载能力、电弧可控性和电弧清洁方面都能达到最佳匹配。当DC直接连接（电极连接到负极）时，在工件表面产生热量以形成深穿透，并且较大的焊接电流可以施加到一定尺寸的电极上。即使是厚的部分不需要预热，并且贱金属几乎不变形。虽然TIG焊方法很少用于焊接铝，但该方法具有连续熔化或修复薄壁换热器和管道厚的优点，如熔化深度、电弧控制容易、电弧净化效果好等2.4种。（1）钨极钨的熔点为340℃，最高熔点金属。钨在高温下具有较强的电子发射能力。添加稀土元素钍、铈、锆等微量稀土氧化物后，钨电极的发射功显著降低，钨的载量明显提高。在铝合金TIG焊中，钨电极起到导电电流、点燃电弧和维持电弧正常燃烧的作用。常用的钨材料分为钨、钍钨、铈和钨。（2）焊接工艺参数为了获得良好的焊缝成形和焊接质量，应根据焊接件的技术要求选择合理的焊接参数。工艺参数是确定钨电极的直径和形状、焊丝的直径、保护气体和流量、喷嘴的孔径、焊接电流、电弧电压和焊接速度，然后根据参数调整参数。达到实际焊接效果，直至达到要求。选用TIG焊接技术进行铝合金焊接时，焊接参数有以下要求：1）铝合金焊接时，TIG焊接喷嘴孔径一般为5～22，惰性保护气体流量5～15L/min。2）工件与钨极喷嘴的距离以及钨极的长度有一定关系，钨极的长度通常为：对接工件的焊缝一般为5～6，而对接工件角焊时，焊缝通常为7～8。焊接工件与钨极喷嘴之间的距离一般为10左右[8]。3）进行铝合金焊接时，焊接过程中电流、电压与工件的厚度、焊接接头结构以及形状、工件焊接焊缝的位置以及操作工人的操作水平有关。当进行手工交流电源TIG焊接时，如果工件的焊接厚度为小于6mm的铝合金时，根据公式I=（60~65）d，在已知电极直径d的情况下可以确定焊接电流。而焊接电压可以更具电弧的长度进行计算，通常电弧的长度与钨直径比较接近。。4）在用TIG焊接技术进行铝合金焊接时，为了减少铝合金在焊接过程中的变形，应该通过提高焊接时速度降低变形量。手动TIG焊通常根据熔池的尺寸、熔池的形状和两侧的熔接来调整焊接速度。一般焊接速度为8～12M/h。在设定工艺参数时，焊接过程中焊接速度基本不变。5）焊丝直径一般由焊接板的厚度和焊接电流决定。焊丝直径与焊丝直径成正比。交流电的特性是负半波（工件为负极）。当正半波（工件为正极）时，钨电极由于其低热值而不易熔化。必须保持短弧长，以获得足够的熔化深度深度并防止咬边、焊缝宽度和由此产生的焊缝深度和焊缝形状的失控。电弧的长度近似等于钨极的直径。为了防止焊接时焊接产生的电弧以及电弧点引起的裂纹，需要在焊接时增加防范装置：灭弧板、导弧板。在工作时，产生的电弧达到稳定状态并且钨的极端已经被加热到可以使用的温度时，电弧可以进行焊接操作，移动到焊接区域。焊接接头可以通过焊接薄板和硬铝来获得。交流钨脉冲氩弧焊可实现高架焊接、垂直焊接、管道全位置焊接、单面焊接和双面成形的良好焊接效果。合金焊接交流脉冲TIG焊工艺参数如表3.2所示。表3.2铝合金交流脉冲TIG焊的工艺参数（3）铝合金TIG焊常见缺陷及防止措施1）气孔由于氩气管道纯度低或水和空气泄漏，当焊丝或焊丝基体在焊接或清洗之前未清洗或清洗时，焊接电流和焊接速度太大或太小。熔池保护不好，电弧不稳定，电弧过长，钨极过长。预防氩气管道的措施，选择仔细清洗焊丝、焊接件，及时清理焊接后，防止再污染。必要时，可采用预热技术在现场对风电屏蔽装置进行焊接，以防止风场在现场发生[9]。2）裂纹焊丝的组成不合适。如果在焊接过程中，需要较高温度进行焊丝熔化时，这时会由于温度太高对此区域产生液化裂纹，这存在不合理的结构设计，如果出现焊接工件焊缝比较集中或者焊丝进行加热的区温度比较高，导致接头被扣留。从预防措施中选择的焊丝应与母材相匹配，增加弧板或加装电流衰减装置填充弧焊坑；焊接结构设计合理，焊缝布置得当，避免焊接应力集中。3）未焊透当焊接操作焊过快，电弧未达到工艺要求并且工件的焊缝间隙比较小，工件焊缝坡口角度不合适，焊接电流未达到指定要求，以及钝边过大；铝合金工件未按照要求进行清理打磨；焊接技术的焊丝和焊枪未选择合适的。4）焊缝夹钨由于接触引起接触弧的原因，钨极的端部形状和焊接电流没有合理选择，尖端脱落，焊丝接触到热钨极的尖端，而氧化气体被误用。预防措施采用高频高压脉冲引弧，根据选定电流，采用钨极尖的合理形状，减少焊接电流，增加钨极直径，缩短钨极长度，更新惰性电极。如提高操作技能，请勿与钨丝接触导线[10]。5）咬边其原因是焊接电流过大，电弧电压过高，焊枪不均匀，焊丝填充过少，焊接速度过快。 2.2.3铝合金的摩擦搅拌焊(ＦＳＷ)虽然铝合金的焊接工艺可以获得较高的焊接速度，但应用范围很广，但焊缝是铸态结构，焊接接头在热循环作用下发生很大变化，导致接头的力学性能下降（特别是焊接接头）。热处理铝合金。此外，焊接铝合金时，接头的热影响区宽，变形大，容易产生缺陷，成本高，接头的颜色不同于母材的颜色。1991，焊接研究所（TWI）提出了搅拌摩擦焊接技术。该技术已被广泛应用于发达国家，尤其是造船、航天和汽车工业的铝合金连接，如挪威的马润铝业公司、波音飞机公司、日本日立公司等，国内对该工艺的研究仍在进行中。在幼年时期。铝合金工件采用搅拌摩擦焊进行焊接时有比较多的优点：（1）搅拌摩擦焊由于采用合金材料焊接接头比较耐磨质量良好。FSW是一种固相焊接。焊接接头在凝固过程中不易产生裂纹、气孔等缺陷。焊接温度低于铝合金熔点，可获得与母材相似的接头，工件变形小，焊接后无颜色变化。（2）成本低。无需填充材料和保护气体；装配精度不高，焊接前的制备工艺简单；厚板焊接不需要开槽；接头机构简单，易于管理；节能。（3）搅拌摩擦焊焊接时工人操作难度小比较方便，在焊接工程中焊接状态比较好控制，因此比较容易实现与自动化技术相融合，并且焊接质量稳定可靠。（4）不会产生烟雾或恶臭气味，也不会产生紫外线或红外线等有害射线。搅拌摩擦焊接是一种固态焊接工艺，所以焊接铝合金在焊接过程中不会出现各种缺陷，接头性能良好，对于焊接性差且不能焊接的铝合金，可以有效焊接[7]。图2.2.3为搅拌摩擦焊图.4合金半自动MIG焊工艺半自动焊的焊枪由操作者握持着向前移动。熔化极半自动氩焊多采用平特性电源，焊丝直径为1.2～3.0㎜。可采用左焊法，焊炬与工件之间的夹角为75°，以提高操作者的可见度。多用于点焊、短焊缝、断续焊缝及铝容器中的椭圆形封头、人孔接管、支座板、加强圈、各种内件及锥顶等。熔化极半自动氩弧焊的点固焊缝应设在坡口反面，点固焊缝的长度为40～60㎜，对于相同厚度的铝锰、铝镁合金，焊接电流应降低20～30A，氩气流量增大10～15L/min。脉冲MIG焊可以将熔池控制得很小，容易进行全位置焊接，尤其焊接薄板、薄壁管的立焊缝、仰焊缝和全位置焊缝是一种较理想的焊接方法。脉冲MIG焊电源是直流脉冲，脉冲TIG焊的电源是交流脉冲。它们的焊接工艺参数基本相同。纯铝、铝镁合金半自动脉冲MIG焊的工艺参数见表3.3。表3.3铝镁合金半自动脉冲MIG焊的工艺参数铝合金MIG焊需注意的问题如下。（1）喷射过渡焊接时，电弧电压应稍低一点，使电弧略带轻微爆破声，此时熔滴形式属于喷射过渡中的射滴过渡。弧长增大对焊缝成形不利，对防止气孔也不利。（2）在中等焊接电流范围内（250~400A），可将弧长控制在喷射过渡区与短路过渡区之间，进行亚射流电弧焊接。这种熔滴过渡形式的焊缝成形美观，焊接过程稳定。（3）粗丝大电流MIG焊（400~1000A）在平焊厚板时具有熔深大、生产率高、变形小等优点。但由于熔池尺寸大，为加强对熔池的保护，应采用双层保护焊枪（外层喷嘴送Ar气，内层喷嘴送Ar-He混合气体），这样可扩大保护区域和改善熔池形状。（4）大电流时，为了保护熔池后面的焊道，可在双层喷嘴角后面再安装附加喷嘴。第三章铝合金车顶平顶焊接夹具及工艺设计3.1铝合金车顶平顶结构a.平顶模块组成结构A型地铁一般分为带司机室的拖车（Tc车）和带受电弓的动车（Mp车）以及不带受电弓的动车（M车）三种车型，根据平顶模块承载作用的不同，这三种车型的车体均有两个。客室空调平顶模块，另外。Tc车有一个司机室空调平顶模块、Mp车有一个受电弓平项模块。三种平顶模块组焊尺寸不同，但焊接结构相似，均由平顶边梁、平顶板和端板三部分组成。本文以平顶板组焊工艺、平顶板与平顶边梁自动焊接工艺为切入点，研究分析平顶模块的焊接变形控制。b.平顶模块焊接结构铝合金型材结构具有质量轻、强度高的优点，但焊接时也存在热导率大、热裂倾向大、易形成气孔、接头强度软化的难点，所以，良好的焊接接头设计和焊接参数的选择，可以在焊接时使得焊缝获得足够的焊接热输入量，尽量避免焊接缺陷产生，减少接头焊接变形，从而保证平顶模块焊缝质量和尺寸控制。A型地铁三种类型的平顶模块结构相似，平顶板均由3块铝合金型材双面焊接而成，采用70°V形坡口，钝边为1mm，带永久性垫板的(33)mm对接焊接接头形式[11]。3.2铝合金车顶平顶夹具设计平顶夹具只需满足三块铝合金型材的定位和夹紧。端部定位采用型定位，保证平顶一端三块铝合金型材状态稳定，在端部定位完成后夹具立马夹紧，完成平顶的端部定位夹紧，采用气动夹紧，减少工人劳动量，端部定位夹紧设计图如图3.2.1。图3.2.1由于平顶型材比较长，避免在夹紧过程中型材出现变形，需要在中间设计一些支撑单元，同时预留焊缝位置，支撑单元设计如图3.2.2。图3.2.2平顶焊接过程需保证平顶宽度尺寸不受焊接，所以平顶宽度需要定位，同时需要合理的加紧，平顶两侧定位夹紧单元设计如图3.2.3.图3.2.3平顶中间型材由于已经有定位支撑，但是为保证型材状态稳定，需要加一些夹紧单元，夹紧单元设计如图3.2.4.图3.2.4这样平顶的三块铝合金型材就完成了定位夹紧，平顶夹具设计图如图3.2.5.图铝合金车顶平顶夹具强度校核对夹具支撑单元受力分析，如图3.3.1.图3.3.1σ=F因为支撑块材料为Q235，所以Fmax=84835N因为地铁铝合金使用型材6005A（T6）6005A（T6）型材的室温纵向拉伸力学性能如图3.3.2：牌号状态壁厚/mm抗拉强度Rm/Mpa规定非比例延伸强度Rp0.2/Mpa断后伸长率/%A5.65aA50mmb不小于60056005AT5≤6.3260215—7T4≤25180901513T6实心型材≤5270225—6＞5~10260215—6＞10~2525020086空心型材≤5255215—6＞5~1525020086参数：aA5.65表示原始标距（L0）为5.65的断后伸长率。b壁厚不大于1.6mm的型材不要求伸长率。A伸长率：原始标距L0的伸长与原始标距之比的百分率。Rp规定非比例延伸强度：非比例延伸率等于引伸计标距（Le）规定百分率时的应力。6005A铝合金型材[σ]=200MPa对端部夹紧单元夹紧臂进行受力分析，如图3.3.2图3.3.2画出梁的弯矩图，如图3.3.3图3.3.3气缸型号为MCKB63x100当气压为0.7Mpa时，F压=2181.9NM1=FL=2181.9X60.2=131.35N·m弯曲的最大正应力：σ1=Fσ2=MxIx=a计算得：σ=FAmax=108.02MPa＜[σ经比较安全对两侧夹紧单元夹紧臂进行受力分析，如图3.3.4图3.3.4画出梁的弯矩图，如图3.3.5图3.3.3气缸型号为MCKB80x120当气压为0.7Mpa时，F压=3518.2NM1=FL=2181.9X86=302.57N·m弯曲的最大正应力：σ1=Fσ2=MxIx=a计算得：σ=FAmax=26.67MPa＜[σ经比较安全所以平顶夹具强度安全3.4铝合金车顶平顶及边梁焊接工艺地铁平顶模块组焊工艺流程平顶板组焊工艺流程如下：平顶板清洗、打磨→平顶板吊运、预组→平顶板反装段焊、满焊→平顶板正装满焊。平顶板与平顶边梁组焊工艺流程如下：各部件待焊区域清洗、打磨→平顶板与平顶边梁吊运、组装→平顶板与平顶边梁正、反装段焊→平顶板与平顶边粱正、反装满焊→平顶端板组焊→平顶焊后尺寸测量。焊件焊前清洗打磨工作须严格规范执行，否则容易导致焊缝出现气孔、夹杂、熔合不良等缺陷，增加焊缝修补工作量、降低生产效率，严重时会造成焊接部件报废，给生产带来极大的浪费和经济损失[12]。A型地铁平顶模块焊接工艺平顶板组焊、平顶板与平顶边梁组焊母材均为(33)mm板厚6005A铝合金型材，焊接方法为MIG焊，保护气体为99.999%高纯氩，焊接材料为φ1.2mm、ER5356[AIMg5]，焊接设备为IGM龙门式双焊枪自动焊设备，具体焊接参数参考焊接手册。具体工艺控制措施如下：第一，平顶板组焊工装的横向夹紧装置，可保证平顶板对接焊缝的焊接间隙在0~Imm内，也可防止焊接过程中焊接间隙变化，以获得平顶板理想焊后尺寸。第二，采用合理的焊接顺序：先使用自动焊焊机同时焊接两条焊缝，翻转工装后再同时焊接另两条焊缝，使平顶板组焊后整体呈上拱状态。第三，通过施加重陀等辅助工艺手段及正反面满焊焊参数的调节，使平顶板焊后尺寸满足工艺要求。平顶板与平顶边梁由正反面4道搭接焊缝焊接而成。与平顶板组焊焊接变形不同，平顶板与平顶边梁组焊变形主要为角变形，而且焊后要求中a、A、c尺寸须同时满足工艺要求。a为焊后平顶边梁的上口开档：A为焊后平顶边梁下口C型槽开档：c为平顶高度。具体工艺控制措施如下：第一，在工艺条件相同的情况下，⑦、⑧焊缝收缩引起的平顶变形比⑤、⑥焊缝收缩引起的平顶变形大，如果焊前不对平顶边梁预制反变形，焊后平顶A、c尺寸比理论值小10~12mm，a尺寸比理论值大4~5mm，导致产品形状和尺寸不满足使用要求，造成生产浪费，因此必须对平顶边梁预制反变形，以抵消正反面焊缝收缩引起的焊接变形量的差异。第二，对平顶采用刚性固定法焊接。现场生产通过平顶正反装组焊工装的边梁定位及夹紧装置，对平项在刚性固定状态下施焊，可充分限制平顶变形。第三，平顶边梁的搭接焊缝由一端向另一端焊接，被焊接位置的热量对该位置有预热作用，其他工艺条件相同的情况下，焊接位置的焊接变形会比未焊接的位置大3~4mm，通过在未焊接端施加工艺拉杆，可以使得两端焊接变形量一致。第四，为使得a、A、c同时满足要求，生产中还须做到以下两点：①焊前须严格自检平顶边梁与平项板的搭接量。②为防止平顶在翻胎及焊接过程中搭接量变化，焊前须进行正反面段焊，否则搭接量不均匀焊接，使得边梁两侧焊缝变形量存在差异，最终导致平顶两侧高度相差较大，车体内高分布小一致[13]。3.5本章小结良好的焊接接头设计和适当的焊接参数选择，是平顶模块高质量、快节奏生产的基础保障。针对平顶组焊流程中变形较大的工步进行重点工艺攻关，采取焊接预变形、改进工艺装备、优化组焊顺序及改进焊接参数等措施有效控制了平顶的焊接变形。平顶模块生产过程中，可以利用焊缝收缩引起的弯曲变形，使平项板上拱0~3mm，满足工艺要求。第四章铝合金车顶圆顶焊接夹具及工艺设计4.1铝合金车顶圆顶结构其中，圆顶模块由四块圆顶板自动焊焊接完成，再与车顶边梁自动焊焊接，因其圆顶模块与车顶边梁刚性相差较大，焊接变形量大，因此控制其焊接变形是难点。4.2铝合金车顶圆顶夹具设计4.2.1端部定位装置用于车顶板的端部定位，保证所焊车顶盖左端平齐。定位板经过机械加工，保证定位精度，定位装置用螺栓固定在工装主体支架上，开工前先根据车顶长度选择定位靠板。气动压紧装置由万向压头、压臂、气缸、支架等部分组成，是工装的一种典型的、常用的压紧机构，压紧稳定可靠，故障率低，，其中的可调节压头可根据产品的变化进行自适应调整。端部定位夹紧设计如图4.2.1。图.2圆顶的两侧定位采用固定限位，加紧利用可调节高度的支撑定位，满足发生形变时可调节，两侧定位如图4.2.2。图.3圆顶支撑单元采用尼龙块随型设计，保证圆顶支撑于圆顶弧度相吻合，设计如图4.2.3。图铝合金车顶圆顶夹具强度校核对端部和两侧夹紧单元夹紧臂进行受力分析，如图4.3.1图4.3.1画出梁的弯矩图，如图4.3.2图4.3.2气缸型号为MCKB63x100当气压为0.7Mpa时，F压=2181.9NM1=FL=2181.9X60.2=131.35N·m弯曲的最大正应力：σ1=Fσ2=MxIx=a计算得：σ=FAmax=108.02MPa＜[σ经比较安全经比较安全所以平顶夹具强度安全4.4铝合金车顶圆顶焊接工艺圆顶模块组焊工艺：型材反装组焊→反面段焊反面满焊→圆顶翻转→圆顶正装定位夹紧及段焊→圆顶正面满焊→圆顶尺寸检测。4.4.1铝合金圆顶焊接结构圆顶结构由4块材料为6005A铝合金圆顶板型材对接拼焊而成，焊接方法为MIG焊，保护气体为99.999%高纯氩，焊接材料为φ1.2mm、ER5356[AlMg5]。接头形式是V型70°，钝边为1mm，带永久性垫板[14]。4.4.2车顶自动焊焊接变形分析铝合金车体圆顶焊接时需要多次焊接，其横向变形存在多次累加效应，因此，控制横向变形是难点。大部件圆顶焊接时，尽管在刚性固定和工装压紧条件下，能够获得一定的预变形，但是该变形属于弹性和塑性变形的混合体，因此，一旦松开夹具的固定工装，此前预变形会发生反弹，因而需要预留一定的反变形量[1]。车顶内高尺寸普遍超差，最大达7mm，且车顶圆顶高度超差直接影响到车顶组装车顶吊挂壁，车顶宽度等尺寸。在车圆顶试制时，对工装圆顶正装反变形量焊接增加至8mm，并按照文件进行焊接，焊接后车顶内高偏小约6mm。4.4.3焊接变形控制措施通常控制焊接变形的方法有焊前预变形及焊后矫正。前一种方法更主动和有效。铝合金车体的纵向焊接变形往往通过机械拉伸和加热预拉伸两种凡是得到，而横向焊接变形往往需要借助压铁、真空吸盘和大刚度卡具等才能实现。根据0102车预加8mm反变形后，尺寸仍不满足的情况，继续调整圆顶反变形，寻求合适的反变形量。车顶由4块圆顶板模块插接而成，依靠3条对接焊缝连接，焊接过程中变形主要来自于与对接焊缝相垂直的横向收缩，圆顶结构与边梁采用搭接形式。对圆顶板进行刚性固定焊接。反装组焊工装一端是死定位端，一端是横向气动夹紧装置，可保证圆顶对接焊缝的焊接间隙控制在0～1mm范围内[15]。此外，工装两侧的长压臂在内侧，短压臂在外侧，用定位销将压臂固定，以此来控制圆顶与边梁的搭接焊缝间隙，通过刚性固定法来限制焊件变形。4.4.4优化焊接参数焊接工艺参数中的焊接电流及焊接速度直接影响焊接线能量的大小，最终控制着焊接变形的产生，制定合理的焊接工艺参数可以很大程度上减少焊接变形量[2]。通过将圆顶板焊接电流由220A，电压23.0V调整为由180A，电压20.4V；4.5本章小结通过分析车顶圆顶的组焊工艺，结合其试制中产生尺寸超差等问题，提出了相应的工艺措施和解决方法，采用优化焊接工艺参数、调整焊枪角度、预制反变形措施，有效的控制了车顶自动焊焊接变形量，保证车顶圆顶的焊接质量，为后续生产提供了借鉴。第五章铝合金车顶边梁圆顶焊接夹具及工艺设计5.1铝合金车顶边梁圆顶结构铝合金车顶边梁是通过两块铝合金长型材拼焊而成，如图5.1.1铝合金车顶边梁圆顶结构由两侧边梁和中间一块圆顶构成5.2铝合金车顶边梁圆顶夹具设计5.2.1铝合金车顶边梁工装设计其中铝合金型材截面形状不规则，由此造成型材定位较困难，这时要选取正确的定位基准比较重要，同时要兼顾型材材料性能的要求，夹紧力应在承重的位置，即铝合金型材中立筋的位置。地铁铝合金边梁在焊接时，使用可翻转的组焊工装，设计时采用模块化设计，整个边梁焊接工装13个夹紧支撑单元组成，同时每个单元又由结构功能类似的框架、翻转定位和旋转压紧这三部分组成。边梁框架设计框架是边梁工装的重要组成之一，它的作用是支撑工装的总重量，保证在焊接加工过程中工装保证稳定。框架是用钢管焊接热处理而成。其形状与槽钢形状相似。考虑到框架的稳定性和操作中的安全性，在框架两侧焊接支撑的方管，为了实现工装焊接的翻转功能，需要预留旋转装置，并且满足旋转定位和夹紧，框架与地面相连，需要在框架底面预留与地面相连的安装板，同时需要满足高度可调节功能。5.2.1.2边梁翻转定位设计为实现工装的定位夹紧功能，首先需要全定位，利用6点定位原理，满足工件的定位，从而保证工装满足焊接要求。空间中的任何一个自由物体，进行合理的坐标系建立后，都可以在6个方向进行运动，即沿着三个坐标轴运动或者绕三个坐标轴转动。想要实现工件在夹具的一个方向上有相对于坐标轴确定的位置，只能通过限制这个坐标轴方向的自由度；要实现工件在夹具定位夹紧状态下处于稳定不变的位置，就必须限制工件6个方向的自由度[16]。通过型面进行六个自由度的限制，完成工件的定位。5.2.1.3边梁旋转压紧设计在边梁焊接过程中，因为边梁型材是铝合金材质，在焊接过程中，型变量比较大，为了实现焊接不变形，保持边梁产品外形，需要在合适的位置紧铝合金型材，采用机械夹紧的夹紧方式。为了方便工人的操作，尽量设计快速夹紧，采用旋转夹紧在适当位置压紧。压紧点位置选取工件C型槽位．此处能够承受比较大的夹紧力。可以保证工件在夹紧时，不发生形变。同时，考虑到工件外形为弧面，夹紧力应为型面的法线方向，因此保证有60°倾角。夹紧应保证不与焊接操作发生干涉，因此应保证360°旋转，同时方便上件取件。5.2.2边梁圆顶焊合工装圆顶支撑夹紧圆顶采用端部定位和夹紧，设计如图图圆顶支撑单元采用尼龙块随型设计，保证圆顶支撑于圆顶弧度相吻合，设计如图图边梁定位夹紧边梁采用两个贴型尼龙块做限位，利用旋转压臂进行夹紧，设计如图。图5.3铝合金车顶边梁圆顶夹具强度校核对端部和两侧夹紧单元夹紧臂进行受力分析，如图4.3.1图4.3.1画出梁的弯矩图，如图4.3.2图4.3.2气缸型号为MCKB63x100当气压为0.7Mpa时，F压=2181.9NM1=FL=2181.9X60.2=131.35N·m弯曲的最大正应力：σ1=Fσ2=MxIx=a计算得：σ=FAmax=108.02MPa＜[σ经比较安全经比较安全所以平顶夹具强度安全5.4铝合金车顶边梁圆顶焊接工艺边梁圆顶模块组焊工艺：型材反装组焊→反面段焊反面满焊→边梁圆顶翻转→边梁圆顶正装定位夹紧及段焊→边梁圆顶正面满焊→边梁圆顶尺寸检测。将圆顶与边梁焊接电流由135A，电压18.0V调整为由180A，电压21.0V，能更好的保证车顶焊接质量，减少焊接变形。在焊接完成后对顶盖进行整形处理，确保焊接产品满足要求。5.5本章小结通过分析车顶边梁圆顶的组焊工艺，在焊接过程中需要不停地调节焊缝的尺寸，直到找到最合适的焊缝尺寸，保证边梁圆顶焊合变形较小并且符合强度要求。第6章自动粉料上料系统总结和展望6.1设计总结对本次设计做认真的总结，本论文基于机械设计、机械原理、机械制造工艺学等基础，以实现自动化上料为目标，为质量要求高，生产效率需要提高，降低劳动成本的生产过程提供地铁车辆铝合金车体车顶焊接夹具和工艺，满足了那些进行基础教育操作的技工学校进行讲解的案例要求，让他们找到合理适合自己的生要操作要求的机会，让工人操作更安全，强度也更低。通过本次设计研究，为地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺的研究提供了一定的思路，希望可以让车间操作工人在以后的生产中能够更轻松、更安全的工作，拥有一个更适合工作的环境。通过这一阶段的毕业设计，我受益匪浅，不仅锻炼了良好的设计和逻辑思维能力，而且培养了弃而不舍的求学精神和严谨作风。回顾此次毕业设计，是大学四年所学知识很好的总结[17]。此次地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺不仅重温了过去所学知识，而且学到了很多新的内容。相信这次毕业设计对我今后的工作会有一定的帮助。所以，我很用心的把它完成。在设计中体味艰辛，在艰辛中体味快乐。通过本次设计我可以更加系统的了解地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺的知识；能够了解地铁车辆铝合金车体车顶焊接工艺理念以及应该达到的目标；能够检验自己能否将大学里学习的理论知识转化为实际应用；能够培养自己自学和独立思考的能力。这次设计不但锻炼我的思维能力，还锻炼我的查阅资料获取有用信息的能力，通过绘制设计图纸，使我熟练的掌握了SolidWorks和CAD绘图软件的使用，我把自己的理论用到实际当中去，在设计过程当中遇到的各种困难，我通过思考和咨询同学和老师获得了许多解决问题的方法和方式。毕业设计的过程是艰辛的，解决问题的过程是快乐的，成长过程是痛苦的，我相信只要我们保持严谨的学习态度，我一定能够成长起来。6.2未来展望本论文完成了地铁车辆铝