武漢地鐵2號線側(cè)梁焊接變形控制

摘要：文章主要介紹了武漢地鐵2號線側(cè)梁的組成部分，闡述了側(cè)梁焊接變形的原因，分析了焊接變形的特點(diǎn)，并提出了側(cè)梁焊接變形的控制措施與矯正方法。

關(guān)鍵詞：武漢地鐵；側(cè)梁；焊接變形；側(cè)梁下蓋板；側(cè)梁主焊縫；側(cè)梁附件

中圖分類號：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）16-0083-03

隨著城市交通的需求與鐵路現(xiàn)代化的高速發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為緩解城市交通壓力的必然產(chǎn)物，作為地下交通客運(yùn)裝備，地鐵的設(shè)計(jì)以及工藝質(zhì)量都要求有較高的水平，而且產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命要求也越來越高。作為地鐵組成部分的轉(zhuǎn)向架，特別是轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的質(zhì)量尤為重要，而轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接變形的控制則是確保構(gòu)架產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。地鐵構(gòu)架側(cè)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理，工裝設(shè)計(jì)的逐步完善，焊接工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，將使得側(cè)梁焊接變形得到有效的控制。本文分析了武漢地鐵2號線側(cè)梁焊接變形的原因及特點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的控制措施和矯正方法，有利于以后對焊接工裝及工藝的改善，對以后的批量生產(chǎn)有重要作用。

1 武漢地鐵2號線側(cè)梁結(jié)構(gòu)及工藝流程

1.1 側(cè)梁組成結(jié)構(gòu)

武漢地鐵2號線側(cè)梁包括下蓋板組成、立板隔板組成、上蓋板、端立板、交叉腹板以及各附件。

1.2 側(cè)梁制造流程

武漢地鐵2號線側(cè)梁的制造流程是：下蓋板組焊、立板隔板組焊、梁體組焊、側(cè)梁主焊縫焊接、側(cè)梁附件組焊。

2 焊接變形

2.1 焊接變形產(chǎn)生原因

焊接變形產(chǎn)生的原因有很多，不均勻的局部加熱和冷卻是最主要的原因，另外，焊接方法、接頭形式、坡口形式、坡口角度、焊件裝配間隙、焊接速度和焊接順序等都會對焊接變形造成影響。

2.2 焊接變形分類

焊接變形的一般可以分為縱向收縮變形、橫向收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲

變形。

2.3 焊接變形控制

2.3.1 設(shè)計(jì)措施

第一，合理地選擇焊接的尺寸和形式：焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小。

第二，盡可能減少不必要的焊縫：在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時，力求焊縫數(shù)量少，避免不必要的焊縫，從而減小焊接變形。

第三，合理地安排焊縫位置：在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這對于減小扭曲變形有良好的

效果。

2.3.2 工藝措施

第一，焊前預(yù)防措施。

反變形法：根據(jù)預(yù)測焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的反變形量，焊后焊接殘余變形抵消了反變形量，使構(gòu)件恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求的幾何形狀尺寸。

剛性固定組裝法：采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件盡可能地固定，可有效地控制待焊構(gòu)件的角變形與彎曲變形等。

預(yù)留加工變形余量法：在工件下料及加工時預(yù)先考慮收縮余量，以便焊后工件達(dá)到所要求的形狀、尺寸。

第二，焊接過程控制措施。

焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)：選擇線能量較低的焊接方法以及合理的控制焊接規(guī)范參數(shù)可以有效的防止焊接變形。

焊接順序：采用合理的焊接順序，對于控制焊接變形有較大的作用，尤其是在多道焊中，作用更加明顯。

第三，焊后矯正措施。

加熱矯正：利用火焰加熱時產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形使構(gòu)件較長的部分在冷卻后縮短來消除

變形。

機(jī)械矯正：給構(gòu)件施加外部機(jī)械力，使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，從而消除焊接變形。

3 武漢地鐵2號線側(cè)梁焊接變形分析及控制

3.1 側(cè)梁下蓋板組成焊接引起的變形

武漢地鐵2號線側(cè)梁下蓋板組成由中間下蓋板、端下蓋板（左、右）組成，由兩條對接焊縫連接，由于端下蓋板左和端下蓋板右缺少與焊縫垂直方向的橫向定位裝置，焊接過程中一般發(fā)生與對接焊縫垂直方向的橫向收縮變形，控制橫向收縮變形的方法一般采用工藝放量，武漢2號線側(cè)梁工藝放量尺寸（省略）所示，控制垂向、縱向收縮變形主要采用有效工裝剛性約束，工裝壓緊狀態(tài)如圖1所示：

由于下蓋板都是壓型板，若各自壓型不到位也將引起組裝間隙不均勻，焊接時容易產(chǎn)生焊接變形，尤其是扭曲變形，為控制扭曲變形，首先要對下蓋板的壓型質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查不合格的進(jìn)行返工到位后再進(jìn)行組焊，在焊接過程中，采用對稱施焊和層間冷卻工藝可減小焊接變形。

3.2 側(cè)梁內(nèi)部焊縫焊接引起的變形

武漢地鐵2號線側(cè)梁內(nèi)部焊縫有隔板與下蓋板組成、立板的焊接，隔板與內(nèi)外立板、下蓋板組成之間的焊縫焊接可能會引起彎曲變形、橫向收縮變形及扭曲變形，內(nèi)外立板和下蓋板組成的內(nèi)部焊縫焊接可能會引起角變形及扭曲變形。

側(cè)梁內(nèi)部焊縫較多，而且分布復(fù)雜，需要減少單層焊接量，減少熱變形，選擇合理的焊接順序和合理的焊接規(guī)范，同時設(shè)計(jì)專用組焊工裝確保裝配質(zhì)量及焊接變形。

嚴(yán)格控制焊縫間隙：一般對接焊縫間隙約為3mm，角焊縫采用無間隙焊接，焊前需檢查，達(dá)不到要求需返工到位。

采用剛性固定焊接：用工裝夾具壓緊側(cè)梁體，壓緊定位點(diǎn)分別位于側(cè)梁中間、兩端和介于中間和兩端的傾斜位置，壓緊后進(jìn)行焊接。

采用對稱焊接：焊接內(nèi)部焊縫時，采用由中間向兩端對稱施焊，有效的減少了工件的焊接變形。

采用單層單道焊接并選擇合理的焊接規(guī)范：焊接電流240A，焊接電壓26V。

對梁體垂向、縱向、橫向采用剛性固定方法約束相對應(yīng)方向的焊接變形，具體組焊工裝如圖2

所示：

3.3 側(cè)梁外部焊縫焊接引起的變形

側(cè)梁外部焊縫焊接變形主要是側(cè)梁內(nèi)外立板和上下蓋板之間的主焊縫，在工裝壓緊狀態(tài)下由IGM焊接機(jī)器手進(jìn)行外部主焊縫焊接，具體焊接狀態(tài)如圖3所示。

兩端在焊接主焊縫過程中由于縱向收縮及工裝夾具的壓緊力，使得側(cè)梁兩端產(chǎn)生了角變形；為便于機(jī)器人焊接，采用的工裝夾具比較簡單，也容易引起彎曲變形，因此，在編制焊接工藝文件時，采用完全對稱焊接工藝，焊接順序完全對稱，對焊接方向、焊腳大小、焊縫形狀等作了嚴(yán)格的規(guī)定，有效的控制了焊接變形。

3.4 側(cè)梁附件焊接引起的變形

該車型側(cè)梁軸承座與下蓋板焊接，容易引起角變形，所以在工裝上定位焊好軸承座后，在軸承座之間增加工藝撐桿，防止焊接時的角變形，其余附件主要分布在側(cè)梁的外側(cè)，而且大部分設(shè)計(jì)尺寸為空間尺寸，組裝尺寸不容易控制，必須通過專用工藝裝備來定位才能得到有效保證（具體組焊工裝見圖4），但由于工裝定位裝置過于復(fù)雜，附件焊接只能在轉(zhuǎn)胎夾具上進(jìn)行，這樣無形當(dāng)中，側(cè)梁附件焊接相當(dāng)于在自由狀態(tài)下焊接，焊接時由于梁體受力不均，將引起側(cè)梁整體彎曲變形及扭曲變形；通過前期試制的經(jīng)驗(yàn)積累，結(jié)合機(jī)器手焊接產(chǎn)生的旁彎和附件焊接產(chǎn)生的旁彎相抵消，對梁體彎曲變形的控制起到了很好的效果，目前該項(xiàng)目側(cè)梁彎曲變形基本上控制在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。

在側(cè)梁生產(chǎn)中，雖然各部分焊縫的焊接變形均采取了較為有效的工藝措施進(jìn)行控制，但實(shí)際生產(chǎn)中，側(cè)梁焊接變形仍舊偶有發(fā)生，其原因主要有以下幾方面：

第一，操作者違反工藝操作，焊前未打磨、組裝有偏差、焊接規(guī)范不合理及焊接順序不合理等違反工藝紀(jì)律的操作，都會造成焊接變形。

第二，工裝定位的偏差，工裝使用一段時間后，用于定位的螺栓會發(fā)生變形，沒有及時調(diào)整與返修，使得零部件組裝時產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致焊接

變形。

第三，零部件的變形，上、下蓋板等零部件都是壓型件，其本身的小變形在檢查中易被忽視，各零部件組裝起來可能就會形成較大的變形，施焊后就容易產(chǎn)生變形。

4 結(jié)論

到目前為止，該項(xiàng)目已完成4列車構(gòu)架的制造，通過對試制過程出現(xiàn)的問題進(jìn)行工藝攻關(guān)，改進(jìn)工藝裝備，調(diào)整焊接工藝，構(gòu)架各尺寸得到有效控制，同時，該項(xiàng)目的焊接變形控制方法也將為后續(xù)同類型構(gòu)架產(chǎn)品制造提供有力保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會．焊接手冊（第2版）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

作者簡介：胡彬（1977-），男，江西南豐人，南車株洲電力機(jī)車有限公司轉(zhuǎn)向架事業(yè)部部門經(jīng)理助理，工程師，研究生在讀，研究方向：材料工程。

（責(zé)任編輯：王書柏）