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【摘要】由于電阻點(diǎn)焊不銹鋼軌道車輛車體存在點(diǎn)焊壓痕明顯、密封性差、焊接效率低等問題，采用部分熔透激光搭焊工藝替代電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行不銹鋼車體制造，解決點(diǎn)焊車體存在的相關(guān)問題。激光搭焊工藝要求工件間密貼，自動(dòng)化程度高，為此開發(fā)不銹鋼軌道車輛側(cè)墻激光焊快速裝夾裝置，針對(duì)激光焊接特性及焊接設(shè)備特點(diǎn)，進(jìn)行了機(jī)器人數(shù)值模擬仿真設(shè)計(jì)與實(shí)施，保證組對(duì)側(cè)墻及窗口的長、寬、對(duì)角線等尺寸符合公差要求，控制側(cè)墻整體的變形量。

1. 概述

由于電阻點(diǎn)焊不銹鋼軌道車輛車體存在點(diǎn)焊壓痕明顯、密封性差、焊接效率低等問題，目前國內(nèi)外軌道交通行業(yè)制造商正致力于激光焊工藝替代電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行不銹鋼車體制造，解決點(diǎn)焊車體存在的相關(guān)問題。

不銹鋼材料的熱物理性質(zhì)決定了不銹鋼車體不適于電弧熔化焊接，焊接變形大和焊縫應(yīng)力腐蝕開裂是不銹鋼電弧焊的主要問題。不銹鋼車設(shè)計(jì)者考慮到不銹鋼薄板適于搭接方式，并達(dá)到了預(yù)期的使用要求。不銹鋼車體側(cè)墻主要采用骨架加蒙皮的結(jié)構(gòu)，骨架與蒙皮之間采用搭接焊。由于側(cè)墻外板不涂裝，點(diǎn)焊壓痕影響美觀效果，采用激光焊技術(shù)提高了車體強(qiáng)度及外觀美觀程度。

根據(jù)激光焊的實(shí)際特點(diǎn)和工藝設(shè)備的具體情況及試驗(yàn)分析具體數(shù)據(jù)，激光焊接的側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要采用了“夾心式”結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要包括了側(cè)墻外板、波紋板、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度件等搭接形式。由于激光焊接技術(shù)對(duì)焊件的精度以及焊件間的間隙要求較高，故對(duì)焊接時(shí)使用的工裝夾具須具備非常高的精度才能保證焊接質(zhì)量。

焊接工裝的設(shè)計(jì)是一門經(jīng)驗(yàn)性、理論性很強(qiáng)的綜合性技術(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)要確定生產(chǎn)綱領(lǐng)、使用環(huán)境，熟悉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，了解部件成形及公差特點(diǎn)，掌握焊接工藝方法，達(dá)到保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件，降低成本的目的。

傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊不銹鋼側(cè)墻工裝采用銅臺(tái)鋪裝、點(diǎn)焊電極壓緊焊接的方式，為剛性專用工裝，隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國際市場的開拓，原有的傳統(tǒng)剛性工裝已不能適應(yīng)鐵路車輛的制造需求。需針對(duì)激光焊接特性及焊接設(shè)備特點(diǎn)，開發(fā)激光焊不銹鋼側(cè)墻快速裝夾工裝，確保激光搭接焊件間無間隙，同時(shí)保證組對(duì)側(cè)墻及窗口的長、寬、對(duì)角線等尺寸符合公差要求，控制側(cè)墻整體的變形量。

2. 快速裝夾裝置技術(shù)要求

（1）激光焊不銹鋼車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 激光焊接的側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要采用了“夾心式”結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要包括了側(cè)墻外板、波紋板、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度件及結(jié)構(gòu)功能件等零部件。外墻板與波紋板、波紋板與立柱補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)件的焊接均采用部分熔透激光疊焊工藝，要求焊接時(shí)工件間密貼。

（2）激光焊設(shè)備特點(diǎn) 激光焊設(shè)備Trudisk4002盤式固體激光器，額定功率4kW ；光束質(zhì)量8mm*mrad，激光束波長1.0 6μm，焊接時(shí)采用滾輪壓緊，激光焊接頭形式及焊縫斷面如圖1所示。焊接時(shí)需要工裝將波紋板、立柱兩端進(jìn)行壓緊、定位。

（3）快速裝夾裝置設(shè)計(jì)要求快速裝夾裝置胎位金屬表面加工的最后工序應(yīng)為數(shù)控銑加工，表面粗糙度值≤3.2μm，在壓力100kg下不得有變形和位移。整體平整度≤0.2mm，波紋板定位裝置精度尺寸≤0.5mm，窗框整體平面度精度要求≤0.2mm。

（4）快速裝夾裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn) 外墻板鋪裝在工作臺(tái)上層，采用真空吸盤模式吸附外板，保證外板與工作臺(tái)面密貼。

波紋板及側(cè)墻立柱、窗框等定位裝置應(yīng)不阻礙激光設(shè)備焊接及設(shè)備自身攜帶壓輪工作。波紋板與外墻板、立柱與波紋板的夾緊利用氣動(dòng)及液壓元件執(zhí)行，壓緊裝置應(yīng)保證將料件緊密壓緊，同時(shí)料件壓力下無明顯變形量，氣動(dòng)元件設(shè)置在側(cè)墻周邊以及窗框周邊，電液伺服技術(shù)控制壓緊力。同時(shí)所有壓緊模式不能影響設(shè)備本身采用的滾輪壓緊模式。

3. 快速裝夾裝置設(shè)計(jì)開發(fā)

（1）側(cè)墻板裝夾設(shè)計(jì) 側(cè)墻板采用真空吸盤方式將外墻板固定，工裝吸盤真空閥由手動(dòng)開關(guān)，氣動(dòng)打開，吸盤的具體安裝位置和選型將依據(jù)波紋板的焊接位置來選擇，胎膜內(nèi)嵌裝外墻板檢測傳感器，窗框內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)雙工件檢測傳感器，如圖2所示。

（2）波紋板焊接定位設(shè)計(jì)波紋板采用兩端型面塊夾具固定，窗框左右側(cè)波紋板暫時(shí)設(shè)計(jì)為長型面塊夾具，外墻板的限位塊共用于波紋板的限位，如圖3所示。

（3）立柱焊接定位設(shè)計(jì) 縱向加強(qiáng)立柱采用兩端型面塊夾具固定，窗框附近的縱向加強(qiáng)立柱采用加長的一端型面塊夾具固定，型面塊夾具帶有限位塊，保證加強(qiáng)板與外墻板對(duì)齊，如圖4所示。

4. 快速裝夾裝置驗(yàn)證

激光搭接焊焊縫斷面及壓緊方式

外墻板真空吸盤設(shè)計(jì)

波紋板焊接定位

（1）模擬仿真驗(yàn)證對(duì)激光焊不銹鋼車體側(cè)墻快速裝夾裝置進(jìn)行機(jī)器人數(shù)值模擬仿真分析，模擬波紋板與外墻板焊接、立柱與波紋板焊接的定位卡緊工裝與焊接頭及壓緊滾輪焊接過程，考察快速裝夾裝置與激光焊接設(shè)備是否存在干涉的位置。

立柱焊接定位

（2）生產(chǎn)試制驗(yàn)證對(duì)開發(fā)側(cè)墻激光焊快速裝夾裝置進(jìn)行側(cè)強(qiáng)激光焊接試制驗(yàn)證，該裝置滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了側(cè)墻外板、波紋板、立柱的定位、壓緊，與激光焊接設(shè)備不發(fā)生干涉，保證焊接質(zhì)量，保證組對(duì)側(cè)墻及窗口的長、寬、對(duì)角線等尺寸符合公差要求，控制側(cè)墻整體的變形量。