JW4G作業車轉向架構架焊接變形控制*

畢紅雪，丁 磊，李建龍，孫立國

（1.鄭州鐵路職業技術學院，河南鄭州 451460，2.洛陽機車有限公司，河南洛陽 470002）

JW4G型轉向架接觸網作業車轉向架構架由2個側梁、1個橫梁、2個端梁及各種小附件組成，其中側梁是該構架最為重要的大部件，它是砂箱座、液壓減震器座、拉桿座、拐臂座、彈簧座等附件的定位基礎，受力情況十分復雜，它質量的優劣直接影響到整體加工、組件裝配，甚至影響車輛的正常運行。如何減小各梁組成的焊接變形量，達到可控范圍內，是亟待解決的技術問題。

1 構架焊接變形理論分析

構架是由兩根側梁、兩根端梁、一根橫梁組焊而成的“日”字型結構。具體結構組成如圖1所示：由側梁、橫梁、端梁組成，各部分組成板材材質均為Q345B。具體組焊工藝如下：開工準備→構架一次組對→構架檢查→構架一次焊接→拉臂座組對→拉臂座焊接→構架一次精整→焊縫探傷→構架檢查→構架整體退貨熱處理。

1.1 橫梁焊接變形具體分析

橫梁是由上、下蓋板、立板和隔板組焊而成的箱型梁結構。具體組焊工藝如下：開工前準備→橫梁框架組對→框架與下蓋板組對→橫梁內部焊縫焊接→內部尺寸交檢→上蓋板組對→橫梁外部焊縫焊接→橫梁焊縫補焊、精整→調校→橫梁檢驗。

組焊過程中需用到兩種工裝：橫梁組對工裝和焊接工裝。具體分別如圖2和3所示。

圖1 構架結構組成圖

圖2 橫梁組對工裝

圖3 橫梁焊接工裝

隨機選取21套構架的樣本，每套構架包含2個橫梁，編號從151-171。從表1可以看出具體變形形式為彎曲變形和焊接收縮，旁彎變形沒有出現，彎曲變形量最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比40%和60%；焊接收縮最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比40%和60%；均在公差所允許的范圍內。這一結論表明，下料預制時需進行1‰～1.5‰的工藝進行放量，否則由于焊接收縮導致長度縮短，不滿足圖紙要求。另外沒有出現旁彎變形的原因是在利用旋轉變位機的焊接工裝上進行內部焊縫焊接時，對下蓋板進行支撐，左右兩立板進行固定夾緊，上面用壓條進行壓緊固定，使整個橫梁完全在4個方向進行約束性焊接，待完全冷卻后，撤去約束，有效避免了變形。

1.2 側梁焊接變形具體分析

側梁是由上下蓋板、立板和隔板組焊而成的封閉箱型梁結構。具體組焊工藝如下：開工前準備→側梁框架組對→框架與下蓋板組對→側梁內部焊縫焊接→內部尺寸交檢→上蓋板組對→旁承座板和水平杠桿安裝座組對→側梁外部焊縫機器人焊接→側梁焊縫補焊、精整→側梁端部墊板焊接→調校劃中心線→側梁檢驗

組焊過程中需用到兩種工裝：側梁組對工裝和焊接工裝。具體如圖4和5所示。具體變形形式如表1所示。

隨機選取11套構架的樣本，每套構架包含4個側梁，編號從151-161。從表2可以看出具體變形形式為彎曲變形和焊接收縮，旁彎變形沒有出現，彎曲變形量最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比50%和50%；焊接收縮分別為8 mm、7 mm、6 mm、5 mm，分別占比11%、39%、45%、5%，均在公差所允許的范圍內。這一結論表明，下料預制時需進行1.4‰～2.3‰的工藝進行放量，否則由于焊接收縮導致長度縮短，不滿足圖紙要求。另外沒有出現旁彎變形的原因就是在利用旋轉變位機的焊接工裝上進行內部焊縫焊接時，對下蓋板進行支撐，左右兩立板進行固定夾緊，上面用壓塊進行壓緊固定，使整個側梁完全在4個方向進行約束性焊接，待完全冷卻后，撤去約束，有效避免變形。

圖4 側梁組對工裝

圖5 側梁焊接工裝

1.3 端梁焊接變形具體分析

構架是由兩根側梁、兩根端梁、一根橫梁組焊而成的“日”字型結構。具體結構組成如圖7所示：由側梁、橫梁、端梁組成，各部分組成板材材質均為Q345B。具體組焊工藝如下：開工準備→構架一次組對→構架檢查→構架一次焊接→拉臂座組對→拉臂座焊接→構架一次精整→焊縫探傷→構架檢查→構架整體退貨熱處理組焊過程中需用到一種工裝：構架組對焊接工裝。組焊過程中需用到兩種工裝：端梁組對工裝和焊接工裝。具體如圖6和7所示。

表1 側梁具體變形形式

圖6 端梁組對工裝

圖7 端梁焊接工裝

參照橫梁、側梁同樣的方法，隨機選取11套構架的樣本，每套構架包含4個端梁，編號從151-161。從表3可以看出具體變形形式為彎曲變形和焊接收縮，旁彎變形沒有出現，彎曲變形量最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比36%和64%；焊接收縮最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比34%和66%；均在公差所允許的范圍內。這一結論表明，下料預制時需進行1.0‰～1.5‰的工藝進行放量，否則由于焊接收縮導致長度縮短，不滿足圖紙要求。另外沒有出現旁彎變形的原因是在利用自制6個焊接工裝在長度方向上，將端梁進行約束性焊接，待完全冷卻后，撤去約束，有效避免了變形。

2 構架組焊工藝

構架組焊工藝流程為：構架組對→構架檢查→構架焊接→構架精整→焊縫探傷→構架整體退火熱處理。為控制焊接變形，采取如下工藝措施：

（1）焊接收縮放量

JW4G構架由側梁、橫梁及端梁組成的“日”字形框架，組焊后構架寬度尺寸為2 176 mm。由于側梁與橫梁采用8條開坡口的對接焊縫以及4條角焊縫的焊接結構，焊接量較大且橫向收縮變形較嚴重，故在構架組對時預留2 mm的組對間隙，以保證構架組焊完成后的尺寸滿足設計要求。

（2）合理的焊接順序

為防止因焊接收縮而造成組焊后尺寸超差，設計焊接順序的思路為：在工裝壓緊后先對所有適焊部位的連接焊縫進行打底焊，使構架連接成為一個穩定、封閉的框架結構，然后上焊接變位機裝卡，將焊縫翻轉至平焊或平角焊位置對剩余焊縫進行蓋面焊。具體焊接順序如下：側梁與橫梁立焊縫打底焊接→側梁與橫梁角焊縫打底焊接→側梁橫梁對接焊縫焊接→側梁橫梁角焊縫焊接→側梁端梁角焊縫焊接→變位機裝卡→蓋面焊。因構架為對稱焊接結構，故在進行各條對稱焊縫的焊接時，安排兩名焊工同時施焊以使焊接產生的應力互相抵消，從而減少焊接變形。

（3）剛性固定

在構架整體組焊時，為防止構架因焊接造成彎曲變形，設計構架組焊工裝（圖8）。在焊接前將側梁、橫梁及端梁放置在組焊工裝上，并用絲杠將側梁從橫向及垂向方向分別固定夾緊后進行焊接，減少構架因焊接產生的變形。

圖8 構架組焊工裝

（4）減少熱輸入

同側梁焊接一樣，構架的焊接也采用熱輸入較小的CO2氣體保護焊的焊接方法，且焊前不需要進行預熱處理。在焊接量較大的橫梁與側梁對接焊縫處，采用多層多道焊的方法，減少焊接熱輸入量以控制焊接變形。

（5）熱處理

在側梁及構架的生產中存在大量的剛性固定，導致構架的金屬結構內部存在較大的殘余應力；對側梁變形進行的機械校正，又導致外部施加載荷引起的應力，兩種應力不是簡單的疊加，對結構的影響也十分復雜。它們的存在不僅降低承載結構的承載能力，而且影響結構的裝配精度，最終影響設備的工作質量和使用壽命以及列車運行的安全性。因此，為消除結構內部的各種應力，采用構架組焊后整體熱處理的方法來消除應力，減少下工序構架整體加工時因應力釋放造成的加工變形。

3 側梁焊工藝和焊接順序

JW4G構架由側梁、橫梁及端梁組成的“日”字形框架，而側梁（圖9）及橫梁均是由上下蓋板、立板及筋板組成的箱型梁，故選取側梁及構架整體的組焊工藝作為典型，重點介紹兩者在生產中采用的控制焊接變形的措施。

圖9 JW4G構架側梁結構示意圖

側梁整體組焊工藝流程為：立板筋板工裝組對→下蓋板組對→內部焊縫焊接→上蓋板組對→外部焊縫焊接→調校。為了控制焊接變形，采取了如下工藝措施：

（1）焊接收縮放量

側梁全長3 440 mm，外部通長的焊縫的接頭形式為開坡口的角接頭，因焊縫長度過長且焊接量較大，很容易造成縱向收縮變形。為解決這一問題，在側梁的立板及上下蓋板下料時進行同步焊接工藝放量，放量尺度為側梁全長的1.5‰～2‰，共放量6 mm。

（2）合理的焊接順序

側梁內部焊縫的焊接在變位機上進行，焊接前將需要焊接的焊縫調整為船型焊，通過規范側梁內部焊縫的焊接順序來盡可能消除焊接變形的產生。在內部焊縫焊接時采用兩人分中焊的方法，即：隔板與下蓋板焊接時，由兩名焊工分別從中間向兩邊進行施焊（圖10）；隔板與立板焊接時，由兩名焊工分別從中間向兩邊進行施焊（圖11），這種焊接方法可以有效減少側梁的焊接變形。

圖10 下蓋板與隔板焊接

圖11 立板與隔板焊接

（3）剛性固定

在組焊側梁內部焊縫時，為防止側梁因焊接造成彎曲變形和波浪變形[1]，設計側梁組焊工裝（圖12）。在焊接前將側梁放置在組焊工裝上，并用絲杠將側梁從橫向及垂向方向分別固定夾緊后進行焊接，減少側梁因焊接產生的變形。

圖12 側梁組焊工裝

（4）減少熱輸入

因Q345B鋼的淬硬傾向較小，故采用熱輸入較小的CO2氣體保護焊的焊接方法[2]；由于母材均為8-14 mm的中薄板，故焊前不需要進行預熱處理。

（5）機械校正

側梁在外部焊縫焊接完成后，將側梁在檢測平臺檢測側梁長度及兩端部位的平面度。由于焊縫的布置不是完全對稱，在焊接后會產生端部的彎曲變形。即使采取以上諸多措施來控制，焊接變形仍難以完全消除。在側梁制造的最后一道工序，將側梁放置在雙頭壓力機下進行機械校正，以保證側梁滿足圖紙技術要求。

4 結論

通過批量試驗構架組成焊后變形，得到影響構架焊接變形因素的3個因素：焊接前放量、焊接順序和焊接工藝。通過改進JW4G型轉向架構架組成的焊前組裝放量、調整焊接順序和焊接工藝等方法，達到減小構架組成焊后變形和減少焊后調修的目的。有效控制焊接變形，同時通過熱處理手段消除內部的焊接殘余應力，為后續構架的整體加工以及轉向架的組裝提供了質量保證。