軌道車側(cè)梁焊接變形及擾度控制

屈普

（中車永濟電機有限公司， 山西　永濟　044502）

軌道車側(cè)梁焊接變形及擾度控制

屈普

（中車永濟電機有限公司， 山西永濟044502）

詳細介紹軌道車的底架梁結(jié)構(gòu)，著重分析側(cè)梁的撓度變形及側(cè)梁的焊接彎曲變形量。通過采取合理的焊接工藝調(diào)整焊接順序、剛性固定組合、反變形法等方案，有效地控制了側(cè)梁的焊接變形量與擾度值及軌道車鋼結(jié)構(gòu)底架的焊接變形，使軌道車的各項指標(biāo)達到了設(shè)計要求。

車架焊接變形量撓度值焊接順序

軌道車車架是由各類型鋼組成的扁平形框架型鋼結(jié)構(gòu)，其長度通常會達到13～17 m。在此類鋼結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)中，焊縫較多、焊接量大，產(chǎn)生的焊接應(yīng)力較大，如果焊接工藝不合理，產(chǎn)生的焊接變形量在后期很難得以調(diào)整，甚至造成零部件及整體部件的報廢。[1]因此，在進行焊接應(yīng)力理論分析的基礎(chǔ)上，在生產(chǎn)中對各個零部件進行編號，按照合理的焊接工藝對號入座，全面制定一套切實可行的工藝措施，可有效實現(xiàn)對底架焊接變形量及擾度值的控制。

1　焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生分析

經(jīng)查詢資料和實踐驗證，造成焊接殘余應(yīng)力的原因主要是焊接構(gòu)件的接頭形式設(shè)計不合理以及焊接工藝參數(shù)的設(shè)置不正確等。

1.1不合理的工藝參數(shù)和焊接方法

構(gòu)件產(chǎn)生的熱變形和殘余應(yīng)力與不同的焊接方法帶來的不同的性能和溫度場有關(guān)[2]。在實際工作中，應(yīng)結(jié)合焊接構(gòu)件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸，尋找合理的焊接方法和工藝參數(shù)，最大限度減少殘余應(yīng)力和受熱區(qū)，使凹坑、裂紋、夾渣、氣孔等焊接缺陷處于合理范圍，避免形成局部應(yīng)力，減小底架焊接變形量及擾度值。

1.2不合理的構(gòu)件接頭搭接形式和焊接構(gòu)件焊縫尺寸

焊接應(yīng)力受焊縫尺寸影響，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力隨受熱區(qū)域的增大而增大。焊縫余高、坡口形式及大小、焊接間隙、焊接構(gòu)件之間的搭接方式以及設(shè)計不科學(xué)都會直接影響焊接殘余應(yīng)力的大小。

1.3焊接構(gòu)件焊縫的位置分布和數(shù)量不匹配

焊縫相互交叉，封閉焊縫較多，密度差異較大。

1.4焊接構(gòu)件的方法不合理及焊接順序不當(dāng)

對于多焊縫構(gòu)件，比如工礦車車體、軌道車底架或集裝箱體，焊接的先后順序不同，會造成焊接應(yīng)力和焊接拘束度不同。拘束度越大，焊接應(yīng)力就越大，變形量也就越大。

2　焊接變形的控制措施

焊接構(gòu)件的焊接內(nèi)應(yīng)力可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進焊接工藝等措施進行調(diào)節(jié)和控制。在保證承載能力的基礎(chǔ)上，優(yōu)化焊縫尺寸，改進設(shè)計形式，減少焊縫數(shù)量，最終減小焊接應(yīng)力。對于關(guān)鍵焊縫，需組織專人計算焊接接頭的靜載強度，結(jié)合焊件的搭接方式、材料類別、焊接方式、材料尺寸、承載大小等，嚴(yán)格強度校核，確定焊縫尺寸[3-6]。

2.1合理設(shè)置焊縫位置

經(jīng)過大量實踐發(fā)現(xiàn)：應(yīng)確保焊縫部位周邊圓滑，不得出現(xiàn)尺寸突變和尖角；在焊接構(gòu)件時焊縫不應(yīng)過于集中，需有足夠間隙，尤其是要避免焊縫交叉，因為焊縫過于集中會出現(xiàn)雙向或三相應(yīng)力；當(dāng)焊縫出現(xiàn)在焊接構(gòu)件拐角處的應(yīng)力集中區(qū)（如彎曲區(qū)域、焊縫垂直交叉區(qū)）時，為避免焊縫受力，應(yīng)改變工作焊縫為連接焊縫，因為只有改變焊縫區(qū)域受力為焊接構(gòu)件整體均勻受力，才能達到理想的焊接效果。

2.2合理制定焊接順序

焊接應(yīng)力的引起源于焊縫區(qū)金屬收縮不自由，因此在制定焊接順序時，要盡量使每條焊縫自由收縮、拘束度減小，以消除或減少焊接殘余應(yīng)力。遇到有多種形式的焊縫在焊接構(gòu)件上并存時，要先焊接收縮量最大的焊縫（如對接焊縫），再焊收縮量小的焊縫（如角焊縫）。對于長焊縫的焊接要從中間向兩端焊。

2.3采用較低剛性的焊接接頭

為使零件受熱變形空間充分，對于較大剛性的焊接接頭，考慮到焊接因應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，在設(shè)計時要減小接頭拘束度。實際生產(chǎn)中，建議以翻邊焊接取代插入焊接，用空心鋼管作為焊材，可大幅度減小接頭剛性，使應(yīng)力分散。

2.4對大量減應(yīng)區(qū)進行加熱

礦用車的焊接實踐顯示，對大量減應(yīng)區(qū)進行加熱在多種機械結(jié)構(gòu)如輪盤式、框架式以及鑄鐵件的焊修中焊接效果理想。原因是加熱阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，可有效減小焊接應(yīng)力，使焊接區(qū)同步熱脹冷縮。

2.5對不同層數(shù)焊縫的金屬進行不同的錘擊

為利用焊縫的金屬延展性抵消一部分變形，在焊接溫度為500～800℃時可采取以下措施：對于單層焊縫，用力度和頻次適當(dāng)?shù)膱A錘敲擊，以減小內(nèi)應(yīng)力；對于多層焊縫，不能錘擊底和蓋面焊縫部位，以免損壞物件，造成缺陷。

3　側(cè)梁撓度值的控制

根據(jù)理論分析，要想控制變形或按照預(yù)期的效果進行定位變形，首先從焊接順序及結(jié)構(gòu)上進行控制，要求側(cè)梁的均勻上撓度為如圖1所示。

圖1　車架結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗可知，組裝底架鋼結(jié)構(gòu)后，由于車體重量大、剛性強，按照原工藝技術(shù)水平制作的上撓度，工藝很難保證。通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為在鋼結(jié)構(gòu)組焊前，應(yīng)預(yù)制側(cè)梁上撓度。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗和多次測定可知，要使鋼結(jié)構(gòu)有的上撓度，必須保證在側(cè)梁組焊完成后外旁承內(nèi)側(cè)均勻有（22±2）mm的上撓度。

為了在側(cè)梁上得到所需要的上撓度，同時滿足側(cè)梁制造工藝要求，對其上撓度的預(yù)制方法及焊接上的措施進行了分類。側(cè)梁上撓度的預(yù)制方法主要有：在焊接過程中采用強制變形法；在組焊過程中強制側(cè)梁上撓度比設(shè)計要求留有回彈量；采用焊后壓力機強制調(diào)整上撓度和火焰；焊后對車體保壓24 h后，等車體完全冷卻后再拆除保壓工裝。

根據(jù)目前的工藝條件及側(cè)梁本身的結(jié)構(gòu)特點，采用強制焊接變形、壓力機調(diào)整的方法，預(yù)制側(cè)梁撓度難度很大，對工裝要求嚴(yán)格，成本高，不適用。采取焊接過程中火焰矯正與焊接變形方向相結(jié)合的方法，既可滿足側(cè)梁上撓度預(yù)制的要求，又可滿足設(shè)計要求，不僅節(jié)省大量的工裝費用，而且縮短生產(chǎn)周期。

側(cè)梁焊接過程采用的焊接變形控制方法為：首先將鋼結(jié)構(gòu)踏板與上蓋板點焊固定，固定兩側(cè)腹板，按工藝要求對上蓋板與隔板、隔板與腹板進行焊接，全部組焊后將支撐工裝點焊牢固，將下蓋板點焊固定；然后將上述組焊構(gòu)件擺放至焊接平臺上，組焊側(cè)梁與上下蓋板；最后調(diào)整側(cè)梁上撓度。

在點焊過程中，除控制組裝尺寸外，還要重點控制焊接變形和側(cè)梁內(nèi)部焊接應(yīng)力。在組焊過程中，應(yīng)以構(gòu)件中心為對稱軸，由中心向兩端對稱焊接。

4　實施效果

經(jīng)測定，施焊完工后側(cè)梁扭曲小，在全長范圍內(nèi)，可將旁彎控制在2～4 mm，滿足產(chǎn)品全長均勻上撓度值約20～24 mm的要求，在外旁承14 550 mm內(nèi)測量時，上撓值在13～17 mm的范圍內(nèi)。在臺位上根據(jù)技術(shù)要求對上撓值進行調(diào)整。通過組裝施焊，外旁承內(nèi)側(cè)上撓度值達不到規(guī)定要求，結(jié)合火焰調(diào)整后此值可達到規(guī)定值。火焰調(diào)整采用裝配位置三角形火焰加熱法，一般取3個位置，具體位置根據(jù)組焊后的測定值決定。

當(dāng)臺位上火焰調(diào)整上撓度內(nèi)應(yīng)力減小時，運用焊接本身的變形可滿足上撓度值的要求，再配合少量的火焰矯形，在側(cè)梁組焊過程中，選擇合理的產(chǎn)品、規(guī)定的焊接順序和方向要求，使焊接熱量分布均勻，減少焊接變形量。

5　結(jié)語

焊接變形在焊接構(gòu)件中普遍存在，應(yīng)針對產(chǎn)品具體情況具體分析。只有嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，全方位監(jiān)控工藝制造、焊后處理等階段，才能確保產(chǎn)品質(zhì)量得到用戶的滿意，為企業(yè)贏得更為廣闊的市場空間。

[1]王天武.挖掘機大型結(jié)構(gòu)件焊接工藝研究[D].長春：吉林大學(xué)，2003.

[2]叢培山.礦用挖掘機原始參數(shù)的幾個問題[J].礦山機械，1982（8）:1-9.

[3]付榮柏.焊接變形的控制與矯正[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4]中國機械工程協(xié)會焊接協(xié)會.焊接手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[5]李亞江，劉強，王娟.焊接質(zhì)量控制與檢驗[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[6]勞動和社會保障部，中國就業(yè)培訓(xùn)技術(shù)指導(dǎo)中心組織.國家職業(yè)資格培訓(xùn)教程—焊工[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2005.

（編輯：胡玉香）

Deflection Control and the Welding Deformation of Side Beam of the Rail Car

QU Pu
（Yongji Motor Factory of China North Car Group，Yongji Shanxi 044502）

This paper introduces the low frame of rail cars and emphasize the deflection and deformation of side beam. The deflection and deformation of side beam and low frame have been controlled by adopting reasonable plans of welding order，rigidity permanently couple and prestrain method，which can achieve the design demand.

frame，welding deformation，deformation，welding order

U273.1

A

1672-1152（2016）04-0103-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.35

2016-06-17

屈普（1970—），男，從事人力資源和信息化管理工作，高級工程師。