鐵路長大貨車導向梁組成焊接工藝

金朝輝，孫海濤，張忠玉，馮寶珠

(中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

0 前言

隨著國內經濟快速發展，制造業水平不斷提高，大型鋼結構在重型裝備中發揮著越來越重要的作用，其結構也變得越來越復雜。業內學者就鋼結構焊接不同課題方向進行了深入研究。陳裕川等人[1]在鋼結構制造工藝方面進行了相關研究；馬泉山等人[2]研究了各種金屬材料性能及所適用的焊接設備；翁宇慶等人[3]對低合金鋼在中國的發展現狀與趨勢進行了研究；黃本生等人[4]及史春元等人[5]則分別在異種材料焊接方面進行了大量的研究；李金龍等人[6]及張斌等人[7]分別總結了不同情況下焊接變形的控制和矯正。但將鋼結構焊接多種影響因素同時考慮加以控制的研究并不多見。導向梁組成是載重噸位達450 t的鐵路長大貨車——鉗夾車、落下孔車的重要組成部件[8]，論文通過導向梁組成焊接工藝策劃，闡述了兼具鋼結構形狀復雜、低合金高強鋼焊接、異種材料焊接、中厚板材焊接變形控制與矯正諸多制造難點于一體的大型鋼結構多目標控制措施，滿足鋼結構焊接制造要求。

1 主要焊接技術難點

圖1為導向梁組成簡圖，整體構成為焊接鋼結構，大上心盤與主體采用螺栓聯接。為顯示清晰，圖中省略了焊接符號。技術要求：序號3外露上平面及序號11與心盤接觸區域的平面度為1 mm。導向梁各零部件的材質及板材厚度見表1。

圖1 導向梁組成簡圖

表1 導向梁各零部件的材質及板材厚度

分析圖樣可知導向梁組成是以鋼結構為主體的“T”字形箱型梁。端部上、中、下蓋板處主要承受鉛垂載荷，為腹板、蓋板式雙層箱結構；導向梁側板組成處主要承受側向水平載荷，采用側板、蓋板結構。端部雙層箱結構中心線與導向梁縱向中心線垂直度2 mm，形位公差要求較高。大上心盤通過大上心盤擋圈及緊固螺栓密貼固定在導向梁組成的下蓋板的下表面上，此處平面度為1 mm，中蓋板外露上平面的平面度為1 mm，精度要求較高。全部板材件的厚度均為10 mm以上的中厚板，焊接變形不易控制。各板材件間存在較多的異種材料焊接。側板組成采用日本進口的WEL-TEN780A低合金高強鋼，該鋼材熱切割影響區對強度影響較大，焊后變形不可采取火焰矯正。

經分析可知，導向梁組成技術難點主要為鋼結構整體焊接工藝流程策劃、WEL-TEN780A低合金高強鋼焊接、異種材料焊接、焊接變形的控制與矯正、導向銷套位置尺寸的保證等方面，詳述內容見下文。

1.1 導向梁焊接

鐵路長大貨車的鋼結構焊接通常采用以平臺為主要工藝裝備的組焊方式進行。但由于導向梁組成形狀復雜，沒有可以直接當做基準的平面，組裝基準難以確定；鋼結構中零部件大多為中厚板件，焊接變形大且控制和矯正比較困難，使工件的形位尺寸不易保證。以上因素導致導向梁組成焊接質量難以保證。

1.2 側板組成拼接

導向梁組成承受的水平力較大，為減輕車體重量同時保證強度，側板組成采用WEL-TEN780A鋼材制造，該鋼種為低合金高強鋼，化學成分和力學性能列于表2和表3[9]。其焊接性能較好，但存在兩項工藝缺陷：一是數控火焰切割下料后的熱影響區對材料的強度影響較大，焊接時要去除；二是為避免高溫改變材料的強度，焊后變形不允許火焰矯正。側板組成是由兩種壓型的板材件拼接而成，拼接后如何保證各項幾何尺寸和力學性能，是又一技術難點。

表2 WEL-TEN780A鋼材的化學成分(質量分數，%)

表3 WEL-TEN780A鋼材的力學性能

1.3 零部件間的異種材料焊接質量

導向梁組成中組焊件材質達到4種，有進口牌號和國產牌號，有板材件和鍛件。相互之間進行不同材質的搭配焊接，如何選取合適的焊接參數和焊材，保證焊縫的質量穩定，強度達標，是第3個技術難點。

1.4 中厚板焊接變形控制和焊后矯正

導向梁組成大多為中厚板件焊接，焊接變形不但在組焊過程中不易控制，焊后矯正也具有很大難度。

1.5 導向銷套的位置尺寸

導向銷套的位置直接影響長大貨車通過鐵路軌道曲線時導向銷的位置，進而影響整車的導向功能。受焊接收縮量的影響，圖1中尺寸4 500 mm，很難保證。

2 主要焊接技術難點的工藝措施

2.1 導向梁組成整體焊接質量保證措施

針對導向梁組成的特殊結構形式及容易出現的質量問題，制定如圖2所示的工藝流程。所有板材件采用數控火焰切割機下料，周邊預留加工余量，采用銑床、刨床等機械設備加工周邊及坡口。導向銷套和大上心盤由車床車成。導向梁組成在平臺上采用正裝方式組焊，先將下蓋板、導向梁下蓋板兩條互相垂直的中心線放樣在平臺上，然后將專用工藝裝備的3件支撐分別置于下蓋板、導向梁下蓋板縱向中間位置、等分撐桿座3處，如圖3所示。以此為基準，由下至上逐層裝配各零部件，翻轉工件進行水平施焊。焊后對所有外露焊縫磁粉探傷，如有缺陷，進行修復。檢測并對導向梁組成尺寸超差的部位進行矯正，最后進行交檢交驗。

圖2 導向梁組成焊接工藝流程圖

圖3 專用工藝裝備簡圖

2.2 側板組成的拼接質量保證措施

側板組成由側板1、側板2兩個零件拼接而成，如圖4所示，技術要求：焊縫須按GB/T 11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法》的要求進行超聲波探傷檢查，檢查等級為B級，評定等級為Ⅰ級。材質均為WEL-TEN780A，為保證側板組成的尺寸，采取如下工藝步驟：側板1、側板2數控切割下料，周邊留加工量→加工側板1、側板2的拼接坡口→組焊側板1、側板2→超聲波探傷→加工側板組成周邊→壓型。

圖4 導向梁側板組成簡圖

由于側板受力較大，焊接時用焊條電弧焊，采用進口與WEL-TEN780A鋼材配套的L-80SN焊條。先定位焊，然后焊打底焊縫，之后正常施焊，將工件翻轉180°，封底焊，正常施焊，補焊缺陷，超聲波探傷。焊接工藝參數見表4。為保證焊縫質量，焊接工藝做如下要求：作業環境溫度在+5 ℃以上；焊條經400 ℃高溫烘焙；焊前除凈母材坡口兩側雜質，對接縫及兩側預熱100～150 ℃；正面坡口處采用多層焊法，短弧、窄道操作；多層焊縫用風動工具輕擊(打底、表面層除外)以消除應力；接縫兩端加引弧板；多層焊起落弧點錯開，弧坑處必須填滿。

表4 L-80SN焊條焊接電流

2.3 零部件間的異種材料焊接質量保證措施

2.3.1國產異種鋼材之間的焊接質量保證措施

導向梁組成焊接過程中，存在國產異種材料的焊接。如下蓋板與大上心盤擋圈之間的焊接，導向梁上、下蓋板與導向銷套之間的焊接等。為提高工作效率，采用二氧化碳氣體保護焊。選用的焊接材料和相關焊接工藝參數見表5。

表5 國產異種材料二氧化碳氣體保護焊焊接工藝參數

2.3.2進口與國產鋼材的焊接質量保證措施

在導向梁組成焊接的過程中，也存在進口WEL-TEN780A鋼材與國產異種材料的焊接。為提高焊縫強度，保證設計要求，側板組成與中、下蓋板之間的焊接，側板與下腹板之間的焊接，側板與導向梁上、下蓋板的焊接采用焊條電弧焊；側板與隔板的焊接采用半自動混合氣體保護焊。選用的焊接材料和相關焊接工藝參數見表6。

表6 WEL-TEN780A鋼材與國產異種材料焊接工藝參數

2.4 中厚板焊接變形控制和焊后矯正保證措施

導向梁組成焊接變形控制采用過程控制為主、焊后矯正為輔的策略。組焊時，將下蓋板定位焊在專用工藝裝備上；使用夾具將兩側板組成固定；為防止側板出現過大的波浪變形，在兩側板組成之間點焊工藝支撐管(組焊后拆除)；由下至上逐層組焊各零部件，對稱、水平施焊。這樣，既保證了導向梁組成的垂直度，又有效地控制了焊接變形。導向梁組成組焊后，平面度要求高的部位—下蓋板與心盤接觸區域和中蓋板上平面的平面度超差，超差位置為下蓋板和中蓋板的邊緣，而下隔板和下腹板圍成區域內的蓋板平面度均未超差。針對這種情況，采用火焰加機械的方法對該部位進行矯正。即矯正下蓋板時，用氧-丙烷火焰烘烤下腹板正對的下蓋板位置，同時使用千斤頂，一端頂在中蓋板上，一端頂在下蓋板上，施加壓力，用平尺檢測，即可調平。矯正中蓋板時，方法相同。

2.5 導向銷套的位置尺寸保證措施

為保證導向銷套的形位公差，采取先組焊導向梁上、下蓋板，隔板，中、下蓋板，下腹板，下隔板，成箱型結構后，加工導向銷套裝配的孔，然后組焊導向銷，這樣就很好的保證了導向銷套的各項尺寸精度。

3 質量檢測

導向梁組成制造完成后，對各項尺寸、形位公差、工藝要求等進行了檢驗測量。其長、寬、高符合圖樣要求；垂直度、平面度均滿足設計要求；各超聲波探傷、表面探傷部位也符合要求。產品質量合格。

4 結論

(1)針對導向梁組成形狀不規則的特點，策劃整體焊接工藝流程，設計專用工藝裝備，確定組裝基準，保證了導向梁組成各項形位尺寸。

(2)側板組成WEL-TEN780A低合金高強鋼拼接，采用焊條電弧焊兩段組焊，再加工周邊，最后壓型，保證了拼接質量。

(3)針對不同母材的異種材料焊接，采用合適的焊接方式、焊接材料、焊接工藝參數，焊接效果良好。

(4)導向梁組成的中厚板焊接變形，采用專用工藝裝備剛性固定法和合理的焊接方式進行過程控制，焊后變形使用火焰加機械的矯正方法，效果良好。

(5)采用先組焊導向梁主體構架，加工導向銷套孔，后組焊導向銷套的方法，保證了導向銷套的位置尺寸精度。