樞軸型道岔梁的焊接變形控制

王強(qiáng)

摘 要：隨著我國(guó)城市軌道交通的不斷發(fā)展，單軌交通作為一種短距離、適應(yīng)中小客流的軌道交通系統(tǒng)，具有建設(shè)費(fèi)用低、噪聲小、適應(yīng)性強(qiáng)等方面的優(yōu)點(diǎn)。而道岔作為軌道交通系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)備，制造精度要求極高，因此研究道岔關(guān)鍵部件制造工藝特別是主梁控制焊接變形具有重要意義。本文重點(diǎn)研究了如何控制一種樞軸型道岔梁焊接變形。

關(guān)鍵詞：道岔;焊接變形;控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.001

1 背景及工程概況

道岔作為線路轉(zhuǎn)換的連接設(shè)備，是一種使機(jī)車車輛從一股道轉(zhuǎn)入另一股道線路的過(guò)渡裝置，通常在車站及編組站大量使用。單軌道岔可以分為關(guān)節(jié)型道岔和關(guān)節(jié)可撓型道岔兩種。下面介紹一種樞軸型三開道岔。

該道岔主要由一根道岔梁組成，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)作可使道岔梁整體轉(zhuǎn)轍，實(shí)現(xiàn)與相鄰線路的PC梁連接，從而改變車輛行駛線路。道岔梁設(shè)計(jì)為箱形鋼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)20.92m，寬0.69m，高1.24m。其頂面鋼板為走行板，板厚20mm;梁的兩側(cè)為腹板，腹板板厚為14mm;梁體內(nèi)部設(shè)有中隔板、短隔板和腹板加勁板;梁底為開放結(jié)構(gòu)不設(shè)底板，底部臺(tái)車、驅(qū)動(dòng)裝置、連桿安裝位置局部加設(shè)厚度為16mm的連接板。如圖1、圖2所示。

由于裝配需要，道岔梁的基本尺寸如高度、寬度、長(zhǎng)度、對(duì)角線差、旁彎、上拱和扭曲等值要求非常精確，具體要求見表1。

2 道岔梁焊接變形控制

2.1 道岔梁焊接變形

根據(jù)以往箱形桿件焊接變形經(jīng)驗(yàn)，大型桿件焊接發(fā)生變形主要有收縮變形、彎曲變形和旁彎變形三種變形。

2.1.1 收縮變形

收縮變形作為焊接變形的一種形式，是指焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象。焊縫的冷卻過(guò)程是焊縫由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程，轉(zhuǎn)化過(guò)程中將產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊縫體積縮小的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致焊后焊接件外形尺寸減小。收縮變形主要發(fā)生在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的焊接中，由于焊縫數(shù)量少、焊縫的方向基本一致，使得各條焊縫收縮的方向一致，焊后僅出現(xiàn)收縮變形。

2.1.2 彎曲變形

彎曲變形是由多條焊縫的內(nèi)應(yīng)力和收縮變形結(jié)合的最終結(jié)果，多發(fā)生在焊接件外形細(xì)長(zhǎng)且橫截面的上下尺寸相差較大或者焊縫分布不對(duì)稱，以及焊接次序不合理的焊接件中。

2.1.3 旁彎變形

旁彎變形是大型結(jié)構(gòu)件焊接中最突出的焊接變形，由于大型結(jié)構(gòu)件多數(shù)是框架結(jié)構(gòu)，焊縫布置不對(duì)稱、板件尺寸不均勻、焊縫布置不規(guī)律，致使焊縫內(nèi)應(yīng)力的方向不一致、大小不均勻，焊接件變形的位置與方向難以預(yù)測(cè)，最終呈現(xiàn)扭曲變形。

2.2 焊接變形控制

針對(duì)道岔梁的變形特點(diǎn)和焊后基本尺寸要求，制定一系列措施控制變形。

2.2.1 設(shè)計(jì)工裝固定

設(shè)計(jì)焊接胎架，如圖3，箱體內(nèi)部增設(shè)工藝隔板，端部設(shè)置封板，將結(jié)構(gòu)件處于約束的狀態(tài)下進(jìn)行裝配、焊接，進(jìn)而控制焊接變形。

將預(yù)拱調(diào)平塊的間距設(shè)置為1個(gè)/米，增加調(diào)平塊的布置密度，以直代曲以提高胎具起拱度的精度。

2.2.2 確定焊接工藝參數(shù)

采用合理的焊接工藝參數(shù)，如焊接電流，電弧電壓，焊接速度等等都可以一定程度地減少焊接變形。根據(jù)工廠及現(xiàn)場(chǎng)焊接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，通過(guò)采用較小的線能量輸入，小電流、快速焊，多層多道焊等措施嚴(yán)格控制層間溫度，以達(dá)到減小熱輸入產(chǎn)生的內(nèi)部拘束應(yīng)力和焊接變形。本工程具體焊接參數(shù)設(shè)置為：焊接電流260～280A，電弧電壓 30～32V，焊接速度24～27m/h，熱輸入10.4～13.4KJ/cm（不能超過(guò)15.8KJ/cm），層間溫度80～200℃。焊接時(shí)分層對(duì)稱焊接，每層焊縫必須連續(xù)完成，層間焊縫必須打磨見金屬光澤，冬期施焊時(shí)邊加熱邊焊接，不能中斷。

2.2.3 設(shè)置反變形參數(shù)

由于焊縫在冷卻過(guò)程中收縮，導(dǎo)致焊接后工件外形尺寸減小，為了彌補(bǔ)焊接中產(chǎn)生的收縮量，在大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中常采用此方法。反變形法是在生產(chǎn)中預(yù)先制造一個(gè)反變形量，使得這個(gè)變形量與焊后發(fā)生的變形方向相反而變形量基本相等。

同時(shí)根據(jù)鋼箱梁焊接收縮的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出箱梁焊接收縮經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)公司多座整體節(jié)點(diǎn)鋼箱梁測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證。其收縮量與箱梁截面大小成反比，與焊縫熔敷量、線能量大小、梁長(zhǎng)等成正比。經(jīng)驗(yàn)公式已在公司的整體節(jié)點(diǎn)鋼梁制造中大量應(yīng)用。

箱形桿件旁彎經(jīng)驗(yàn)公式并確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)：

f：構(gòu)件旁彎（mm）;

a：埋弧焊變形經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，a=6.5×10-3;

e：焊縫塑性變形區(qū)中心與截面中心軸的距離（mm）;

Aw：熔敷金屬截面積（mm2）;

L：構(gòu)件長(zhǎng)度（mm）;

I：構(gòu)件慣性矩（mm4）。

因此，為了保證焊后尺寸在公差范圍內(nèi)，我們采用反變形法，基于上述經(jīng)驗(yàn)公式，我們?cè)谙铝蠒r(shí)將主梁腹板在高度方向進(jìn)行預(yù)拱，其預(yù)拱值確定為1/1000mm;長(zhǎng)度方向預(yù)留1/1000mm的焊接收縮余量，如圖4所示。

2.2.4 確定裝配焊接順序

選擇合理的裝配焊接順序，可以糾正焊接變形，焊接的時(shí)候受應(yīng)力作用焊件會(huì)變形，采用不同焊接方法、改變焊接順序和方向，可以使應(yīng)力相互抵消。總的原則：一般先焊接變形較大的焊縫，再焊接變形較小的焊縫。對(duì)于較長(zhǎng)的焊縫可以采用分段焊接，對(duì)稱焊接等。埋弧焊一般采用逆向法、退步法;CO2氣體保護(hù)焊及手工焊采用對(duì)稱法、分散均勻法;編制合理的裝配焊接順序的方針是“分散、對(duì)稱、均勻、減小拘束度”，合理的采用跳焊。

對(duì)構(gòu)件整體而言，在焊接每一階段內(nèi)取得焊接熱量的均勻分布。減小焊縫在焊接時(shí)的拘束度是指在焊接較多的組裝條件下，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件形狀和焊縫的布置，采取先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫;先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫以達(dá)到減小焊接應(yīng)力的目的。

2.2.5 焊前、焊后處理

冬季廠內(nèi)環(huán)境溫度低于20℃時(shí)，焊前需對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱處理，將主焊縫周邊區(qū)域的焊件加熱到200℃以減小焊接接頭的淬硬傾向。

焊接完成后：一是對(duì)焊件進(jìn)行保溫處理，將主焊縫區(qū)域逐步加熱至200℃，并保溫一段時(shí)間，再采用棉布進(jìn)行覆蓋自然冷卻至常溫。

二是將梁整體進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，減小焊接應(yīng)力，從而減小焊接變形。

2.2.6 自動(dòng)焊注意事項(xiàng)

a. 層間溫度不大于200度。（在焊接過(guò)程中需要頻繁測(cè)量）。如果溫度超過(guò)200℃必須停止焊接作業(yè)，待在預(yù)熱溫度及層間溫度達(dá)到規(guī)定后再進(jìn)行焊接。

b. 預(yù)熱人員應(yīng)注意結(jié)構(gòu)件加熱過(guò)程中溫度的變化，采用不斷停電、通電的方式方法控制預(yù)熱溫度。

c. 在熱狀態(tài)下如果發(fā)生節(jié)段旁彎，目測(cè)約為5mm時(shí)，應(yīng)停掉彎曲構(gòu)件的內(nèi)側(cè)焊機(jī)，外側(cè)焊機(jī)繼續(xù)焊接以校正旁彎，待旁彎在5mm以內(nèi)時(shí)再啟動(dòng)焊接機(jī)，停機(jī)與旁彎的關(guān)系如下圖所示：

d. 在焊接熱狀態(tài)下如果發(fā)生節(jié)段下?lián)希聯(lián)掀x不得超過(guò)5mm，可通過(guò)提高節(jié)段下部預(yù)熱板的加熱溫度糾正構(gòu)件，（如果發(fā)生上拱，則需降低節(jié)段下部預(yù)熱板的加熱溫度），如下圖所示：

e. 箱體在整個(gè)焊接過(guò)程中，利用焊接的熱量及預(yù)熱板熱量的不斷調(diào)整使箱體上下垂直擾度及旁彎始終控制在約為5mm范圍之內(nèi)，以確保箱體的完工公差達(dá)到要求。

3 結(jié)語(yǔ)

焊接變形本身就是很復(fù)雜的課題，由于道岔梁的尺寸和自身質(zhì)量大、焊縫分布復(fù)雜，控制焊接變形更加困難。針對(duì)道岔梁主要容易產(chǎn)生收縮變形、彎曲變形和扭曲變形的特點(diǎn)，通過(guò)采用工裝固定、工藝參數(shù)選定、焊接順序選定、反變形法和焊前焊后處理等一系列方法，綜合解決了焊接變形控制難題。這些方法在其他大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形問題上具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3]左延紅，王雙平.大型結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法[J].焊接技術(shù)，

2008.