鋁合金地鐵牽枕緩焊接變形控制及組焊工藝研究

魏剛 李凱平 丁雷

摘要：地鐵列車運行過程中停靠點多，車體上焊縫基本處于動載狀態(tài)工作業(yè)，因此對焊接部件的質(zhì)量有嚴(yán)格要求。隨著城軌地鐵的快速發(fā)展，車體所用鋁合金材料品種逐漸增多。由于鋁合金獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，在焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔、未熔合、裂紋等缺陷，因此必須采取相應(yīng)措施，有效地控制焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋁合金地鐵牽枕緩焊接變形控制;組焊工藝

一、牽枕緩結(jié)構(gòu)

牽枕緩組成是軌道客車底架乃至車體鋼結(jié)構(gòu)組成中的重要部分。它由牽引梁、枕梁、緩沖梁三部分組成，牽枕緩組成在車輛運行中不僅要承受整車的載重，還要承受車輛的牽引力和制動力，因此，其制造質(zhì)量非常重要。牽枕緩組對后的尺寸直接決定著車體鋼結(jié)構(gòu)的尺寸，進而影響整車的質(zhì)量以及與轉(zhuǎn)向架連接時的情況，決定整車運行時相鄰兩節(jié)車廂是否同心、是否出現(xiàn)高低差和錯位現(xiàn)象等。

二、焊接變形的分類

工件焊接后，熔池金屬受熱脹冷縮作用，焊縫冷卻后體積縮小，工件產(chǎn)生形變，由于鋁合金線膨脹系數(shù)大，焊接后會產(chǎn)生變形。焊接變形主要分為收縮變形、角變形、彎曲變形（也稱撓曲變形）、波浪變形、扭曲變形、錯邊變形等每個工件產(chǎn)生的變形可能由一種或幾種變形共同組成。收縮變形分為焊縫橫向收縮和焊縫縱向收縮：焊縫橫向收縮為焊后垂直于焊縫方向的收縮變形;焊縫縱向收縮為焊后沿焊縫焊接方向發(fā)生的收縮變形，收縮變形跟焊縫的層道數(shù)、剛性約束程度呈正比。角變形是焊縫橫向收縮變形在焊縫橫截面上下分布不均勻造成的。角變形主要發(fā)生于對接接頭焊縫、T型接頭焊縫。坡口的形狀和焊角的大小都會影響角變形的程度。雙面坡口的對接焊縫角變形相對較小。

三、鋁合金地鐵牽枕緩焊接變形控制及組焊工藝

（一）實際生產(chǎn)中焊接變形的控制方法。1.反變形法根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合類似結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的焊接變形量，對組裝的部件進行預(yù)放量，組裝時，使組件沿變形的反方向預(yù)置一定的量，通過剛性約束進行固定，減小焊接變形。2.制定合理的焊接順序合理的焊接順序是盡量減少一次性焊接熱輸入量，將組件先分部件焊接再進行總成，每個部件焊接量盡量均勻，對稱錯開施焊，由內(nèi)向外焊，先焊應(yīng)力小的焊縫再焊應(yīng)力大的焊縫，焊接拐角處不能停弧。3.焊后調(diào)修法焊接變形的調(diào)修遵循先總體后局部，多次遵循小量的原則進行。由于牽枕緩部件的結(jié)構(gòu)不同，焊接變形不一致，根據(jù)變形的特點，確定牽引梁、車鉤座采用火焰調(diào)修，其它部件和牽枕緩總成采用機械調(diào)修。焊接數(shù)值模擬的發(fā)展是從解析法開始的，隨著數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，逐步過渡到有限差分法、有限單元法、數(shù)值積分法、蒙特卡洛法等數(shù)值分析法。其中，有限單元法因為其求解的精度和效率現(xiàn)在已經(jīng)成為研究焊接變形的主要數(shù)值模擬手段，而在有限單元法中，固有應(yīng)變法和熱彈塑性有限元法是使用最多的方法。焊接數(shù)值模擬的理論意義在于通過對復(fù)雜或不可觀察的焊接現(xiàn)象進行模擬和對極端情況下尚不知的規(guī)則的預(yù)測，以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，弄清焊接過程的規(guī)律。焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實意義在于對焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計，從而減少試驗工作量，提高焊接質(zhì)量。烤點形狀及位置與單根牽引梁的彎曲相同。但是由于牽引梁有隔板和蓋板，烤點位置應(yīng)該選在距離隔板兩側(cè)各100mm左右的地方比較合適.以防止?fàn)恳簝?nèi)距發(fā)生變化，兩根牽引梁的位置應(yīng)相對應(yīng)地烤，總之，應(yīng)使兩根牽引梁的收縮量一致。在低的一側(cè)枕梁下部加頂針，同時在靠近牽引梁的枕梁下蓋板要加拉緊工裝拉住。高的一側(cè)要在邊梁上面加壓緊器下壓在旁承處加頂針，按照要求高度尺寸進行矯正。

（二）組焊工藝。一是牽引梁。牽引梁是整個底架中與車鉤相連接的部位，牽引梁焊接后可能會出現(xiàn)同時向外、同時向內(nèi)或者向一側(cè)擺頭的現(xiàn)象，牽引梁的縱向中心與底架的縱向中心的偏轉(zhuǎn)角度影響著兩車連掛時車鉤鉤頭的高度差、偏轉(zhuǎn)角度等，進而影響著整車的運行穩(wěn)定。因此可以通過控制牽引梁的焊接順序來控制焊接變形。將接口兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)的油污、雜質(zhì)、氧化膜等清理干凈;點固焊牽引梁，焊接連接接縫，允許先焊內(nèi)側(cè)面，然后再焊接背面，內(nèi)側(cè)斜縫允許在牽引梁組成后焊接。牽引梁合成點固焊焊縫長度10mm。為防止?fàn)恳号で律w板焊縫由兩名焊工對稱逆向分段焊。牽引梁與下蓋板內(nèi)側(cè)焊縫可在牽枕緩組成工序焊。為了控制局部變形。牽引梁端部150mm的點固焊縫調(diào)整到底架安裝完補板再進行焊接。二是緩沖梁。將緩沖梁在翻轉(zhuǎn)180°處于反裝位置，完成平角焊縫焊接。松開夾緊，將緩沖梁吊出胎位放在修正臺上，向上壓緊，完成加強梁與緩沖梁外側(cè)焊縫焊接。三是枕梁。枕梁是車體與轉(zhuǎn)向架連接的關(guān)鍵部件。枕梁的下平面度、腹板的平面度等都直接影響著枕梁與轉(zhuǎn)向架的連接，進而影響整車的平穩(wěn)運行，如何通過控制焊接順序來調(diào)整焊接變形非常關(guān)鍵。枕梁的焊接順序為：①為防止焊接變形。將兩個枕梁腹板用夾具背對背夾緊，吊到翻轉(zhuǎn)工裝上，依次組對點固焊鋼管、立板、隔板等;②由中心向兩側(cè)完成板、管與下蓋板平角焊縫焊接;③枕梁翻轉(zhuǎn)順序完成另一側(cè)枕梁平角焊縫焊接;④將枕梁翻轉(zhuǎn)90。完成腹板、隔板、立板，鋼管間角焊縫焊接;⑤焊縫冷卻后松開壓緊，吊下枕梁組成，安裝旁承磨耗板，按圖樣技術(shù)要求執(zhí)行。牽枕緩組成焊接時注意對稱焊接：（1）對稱焊接牽引梁下翼面與牽引梁下蓋板搭接角焊縫。（2）對稱焊接牽引梁下翼面與枕梁下蓋板和枕梁腹板的平角焊縫，以及其與緩沖梁下翼面的對接焊縫。（3）對稱焊接牽引梁上翼面與枕梁腹板對接縫以及與緩沖梁上翼面和腹板焊縫。

通過對牽枕緩的結(jié)構(gòu)和焊接工藝進行分析研究，并用于實際生產(chǎn)，大幅地減少了焊接缺陷，確保了牽枕緩的焊接質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻：

[1]劉巖.鋁制地鐵車輛車體的應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù)，2017（05）：42-43.

[2]耿烽，左言言，李樹棟.鋁合金A型地鐵輕量化車體結(jié)構(gòu)與有限元建模明.制造業(yè)自動化，2017，32（12）：169-171.

[3]朱正鋒，張國榮等.鋁合金在軌道交通業(yè)的應(yīng)用與展望鐵道機車車輛工人，2016（1）：26-30.