地鐵側梁組成焊接變形分析與控制

■ 劉成，崔巖，柳士強，畢越寬

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1. 概述

近年來，隨著我國經濟迅速發展，地鐵已成為城市現代化的重要標志，它不僅是市民工作和生活的重要保障，更是城市經濟發展的重要基礎。修建地鐵成為大多數城市解決城市交通擁擠問題的優先舉措。其中現代地鐵車輛的類型主要有三種：A型車、B型車和C型車，其中，A型車和B型車是目前我國地鐵交通系統中的主車型，A型車以載客量大越來越受到城市的青睞，本文以A型為例分析地鐵側梁焊接變形。

構架側梁是機車車輛的重要承載部件，在其生產過程中面臨的主要問題是如何控制焊接殘余變形，降低殘余應力。在設計結構一定的情況下，可采用焊前的預防措施或焊后矯正措施，焊前的預防措施包括預調整焊接順序、剛性固定法和反變形法等，這些措施可以控制焊接殘余變形但不能降低焊縫中的殘余應力；焊后的矯正措施常用的有局部加熱嬌正法等，相比幾種焊接變形矯正的方法，局部加熱矯正法會帶來以下不利影響：①火焰矯正引起的應力與焊接應力一樣．都是內應力，因不恰當的矯正產生的內應力與焊接內應力和負載應力相疊加時，會使構件的縱向應力超過允許應力，從而導致承載安全系數的降低。②側梁組成反復烤火還會造成熱輸入的增加，熱影響區擴大，組織晶粒粗化，接頭強度、韌性降低，對轉向架的整體性能有一定影響，給行車的安全帶來了隱患。

由上述可知為保證側梁焊接完成后變形量最小，我們應該通過調整組裝反變形量、改進側梁組成的焊接順序、焊接方向和焊接參數等創新，達到減小側梁組成焊后變形和減少焊后調修的目的。

2. A型側梁組成產生焊接變形原因分析

（1）側梁結構特點 研究對象為A型地鐵轉向架側梁，側梁為典型的“箱體、魚腹”式結構，其結構具有穩固、可實現載荷良好傳遞的性能，結構如圖1所示。其內腔只有4塊支撐筋板焊接，側梁外側焊縫填充量占整條側梁的填充量90%以上，因此側梁焊接主要熱輸入為側梁外側焊縫焊接。

采用熔化極活性氣體保護焊，手工焊接設備為Trans Steel 5000nc的福尼斯焊機（見圖2），機器人焊接設備為型號CLOOS ROMAT 310的CLOOS焊接機器人（見圖3），鋼板材質為S275J2C耐候鋼，焊接材料為ISO 14341-A-G 38 3 M G3Si1焊絲、直徑1.2mm，保護氣體為ISO14175-M21（80%Ar+20%CO2）。

（2）尺寸分析 A型地鐵轉向架側梁為經典的箱型焊接結構，如圖4所示。

本文為分析側梁焊接完成后變形量，研究側梁焊接每步的焊接變形量，整條側梁焊接分為三步：①下蓋板焊接：側梁下蓋板與左右兩一系彈簧座的焊接，焊縫形式為16V，四層四道焊接，采用手工焊接。②側梁內腔焊接：側梁內外立板、側梁內部4塊筋板與下蓋板焊接，焊縫形式為a4，單層單道焊接，采用手工焊接。③側梁外側長焊縫焊接：焊接側梁內外立板與側梁上下蓋板的長焊縫，焊縫形式為16HV與12HV，其中16HV在圖4中的A區和B區位置，焊縫長度為2144mm，12HV在圖4中除A區和B區外的長焊縫，焊縫長度為14100mm，均為三層三道焊接。外側焊縫焊接質量要求高、焊接量大，采用傳統的焊條電弧焊不僅生產效率低，而且焊接質量不穩定。將機器人焊接技術應用于轉向架焊接是提高生產效率，保證焊接質量和提高構架可靠性的有效方法，因此外側四條長焊縫采用機器人焊接。

圖1 A型地鐵轉向架側梁示意

圖2 福尼斯焊機

圖3 CLOOS焊接機器人

表1是根據現場數據統計每道焊接工序完成后的焊接變形，圖4箭頭方向變形為正值。通過表1可以看出，在下蓋板焊接和側梁外側長焊縫焊接時，產生較大的變形量。因此改變下蓋板焊接和側梁外側長焊縫焊接工藝，就可減少焊后變形量，也就等同于減少了后續調修量。

3. 焊接變形控制方案

本文針對側梁在焊接側梁下蓋板和外側長焊縫后出現較大焊接變形的問題，分別對兩次焊接工藝進行優化，在組裝工序時控制好對焊接變形量進行補償，同時在焊接過程中選擇合適的焊接順序、焊接方向、工藝參數，以達到控制焊接變形的目的。

（1）下蓋板焊接變形控制 側梁下蓋板組成為三個工件組焊（見圖5），焊縫均在下蓋板上側，熱輸入集中在一側造成下蓋板焊接完成后出現很有規律的焊接變形，因此采用焊接作業前對工件在線性尺寸上提前做出一定量的反變形。根據表1統計的焊接變形量，在側梁下蓋板焊接時采用焊接反變形3mm，可以達到控制焊接變形的目的。

焊接側梁下蓋板組成時將側梁下蓋板兩側一系彈簧座壓緊，中間下蓋板使用反變形支撐頂起，使側梁下蓋板外面到一系彈簧座外平面183mm，比理論180mm增加3mm反變形量，焊接完成后下蓋板收縮變形3mm，達到了控制焊接變形的目的（見圖6）。

（2）側梁外側長焊縫焊接的控制 側梁由表1可知，側梁長焊縫焊接完成后側梁兩側端頭上翹4～5mm，側梁外側長焊縫焊接完成后變形量大，側梁為箱型結構強度較大，很難一次施加5mm的側梁反變形（見圖7），因此采用焊接反變形和焊接參數調整的聯合方案控制變形。側梁立板為不等厚板，制定出一套新的焊接參數可以保證不同板厚焊縫的平滑過渡。合理的焊接工藝對控制側梁焊接變形發揮重要作用，合適的焊接參數是工件良好焊接質量的重要保障，多層多道焊的合理應用能夠在保證焊接質量的前提下有效控制焊接變形。

圖4 A型地鐵側梁組成外立板厚度變化示意

表1 側梁組成每道工序焊后的變形量統計

首先，焊接反變形：增加側梁反變形，在機械手焊接時在側梁兩端增加下壓力使側梁端頭下壓3mm，圖8為側梁機械手工裝兩端增加向下壓緊裝置。

其次，優化焊接工藝解決焊接變形問題和立板厚薄不均焊縫成形外觀問題，坡口形式為12HV和16HV均三層三道焊接，打底層的焊接方向為從右向左焊接，焊接順序為：焊接外立板與上蓋板的打底層，焊接內立板與上蓋板的打底層，焊接內立板與下蓋板的打底層，焊接外立板與下蓋板的打底層；填充層的焊接時為了控制焊接變形，采取從中間向兩端焊接（見圖9）。并且調整厚板與薄板過渡區域的焊接速度，實現立板板厚過渡部分焊縫的平滑過渡、成形美觀。圖10解決了薄厚板間的焊接填充量的過渡，便于后序的整體蓋面焊接；填充層的焊接方向同打底層。焊接時開啟“脈沖焊接方式”，減少焊接飛濺和保證焊縫美觀，機器人焊接參數如表2所示。

圖5 A型地鐵側梁下蓋板組成示意

圖6 A型地鐵側梁下蓋板焊接現場

圖7 A型地鐵側梁外側長焊縫焊接件

圖8 A型地鐵側梁外側長焊縫焊接現場

本文通過使用焊接反變形、優化焊接順序得到了如下優勢：①焊接反變形實現焊接變形的補償。②對稱焊接，使變形量減少至最小。③優化焊接順序，減少了變位機的翻轉次數。④開啟“脈沖焊接”方式：帶來的優點是焊接飛濺少，焊縫成形美觀。

圖9 A型地鐵側梁立板長焊縫填充層從中間向兩端焊接現場

圖10 A型地鐵側梁立板長焊縫過渡區焊縫現場

表2 A型地鐵側梁外側長焊縫焊接參數

4. 結語

針對A地鐵轉向架側梁組成焊接過程中出現的焊接變形問題，通過合適的焊接參數保障了良好的焊接質量，使A型地鐵轉向架側梁組成改進后具有焊接變形量和打磨量減小、焊縫熔合良好、焊縫成形美觀的特點。使用此種焊接方法減少側梁組成焊接變形2mm以上，使80%的側梁組成不用調修。這樣不僅降低了側梁組成的調修量，節約了車間的生產成本，提高了生產效率，而且使A型地鐵轉向架的整體強度得到了有效保障，行車的安全也得到了保證。此方法同時適用于不等厚板連續焊縫的多層多道焊接，對于其他車型的焊接變形都具有很好的借鑒作用。

[1] 劉志平，崔巖，王立夫，等.地鐵車轉向架焊接工藝[J].焊接技術，2011(40)，8：38-40.

[2] 李曉明，孫德偉.焊接結構件焊接變形的控制[J].鐵道車輛，2010（48），5：10-12.

[3] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[4] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第3卷）[M].北京：機械工業出版社，2009.