“快運魔方”集裝籠架立柱的成形及焊接工藝研究

廖良金，劉順潮

中車石家莊車輛有限公司 河北石家莊 051430

1 序言

為適應電商和快遞物流企業在鐵路快遞運輸方面的需求，中車石家莊車輛有限公司提出了鐵路快運貨物集裝化、客運化運輸系統解決方案，又名“快運魔方”系統。圖1為第三代“快運魔方”系統裝車圖。

圖1 第三代“快運魔方”系統裝車圖

1.鐵路平車 2.集裝籠架 3.立柱 4.小型集裝箱

“快運魔方”系統由集裝籠架和鐵路1.5t小型集裝箱組成。集裝籠架整體固定在鐵路平車上。集裝籠架是“快運魔方”系統的重要組成部分，立柱是集裝籠架的關鍵承重構件，其成形質量將直接影響集裝籠架的組裝精度和焊接質量[1]。在生產制作過程中，立柱的成形方法、成形工藝及焊接工藝不合理都會導致立柱處出現角變形和整體撓曲變形。因此，成形方法、焊接工藝及變形控制成為立柱制造過程中需要重點控制的問題。

2 材料性能分析

（1）化學成分及力學性能 立柱采用山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產的Q450NQR1高強度耐候鋼制造，規格為6mm，其化學成分見表1，力學性能見表2[2]。

表1 Q450NQR1高強度耐候鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 Q450NQR1高強度耐候鋼的力學性能

（2）焊接性分析 因為鋼材焊接熱影響區的淬硬性及冷裂紋傾向與其化學成分有關，所以利用化學成分間接地評估鋼材冷裂紋的敏感性。把鋼中合金元素（包括碳）的含量，按其作用換算成碳的相當含量作為評定鋼材冷裂傾向的指標。由表1和表2實測數據可知，日本JIS標準規定的CE（JIS）適合進行Q450NQR1高強度耐候鋼碳當量計算[3]。

當600MPa≤Rm≤700MPa、CE＜0.52%時，焊接時不需要預熱。

3 立柱成形方法

立柱截面如圖2所示，立柱屬于異形閉口截面冷彎件的一種，目前在鋼材市場沒有截面相同或近似的冷彎型鋼件可用，因此采用自制。

立柱成形方法主要有兩種方案。

方案1：將立柱分為上緣和下緣兩部分，上緣為外敞口式U形結構，下緣為U形槽結構，分別將上、下緣折彎成形，并根據圖樣要求在下緣頂部開45°坡口，并將其與上緣外敞口處焊接成形，詳細情況如圖3所示，立柱上下緣尺寸如圖4所示。

圖2 立柱截面

圖3 成形方案1

方案2：提出“對半折彎、兩次焊接”的成形方法，將立柱從中軸處分為左右兩塊圍板，根據圖樣尺寸在折彎機上折彎成形，并在右圍板兩端開45°坡口，對立柱的上下主焊縫分別進行“兩次”焊接成形，如圖5所示。

采用方案1成形時，上緣敞口處斜度折彎不易保證，導致上下緣不能密切配合，給焊接增加了難度，使工作面產生變形，同時焊縫在工作面上，影響美觀，阻礙小型集裝箱裝卸功能的實現。采用方案2成形時，成形質量較好，尺寸容易控制，水平對接焊縫容易施焊，焊接質量容易保證，焊接變形主要產生在立柱上下方向，對工作面平直度基本不產生影響。

根據以上分析以及公司現有工裝和設備，決定采用方案2進行立柱生產，左右圍板尺寸如圖6所示。

圖4 立柱上下緣尺寸

圖5 成形方案2

圖6 立柱左右圍板尺寸

4 立柱焊接方法

為了防止和控制立柱在焊接過程中的扭曲變形，在兩塊圍板中間和兩端各加入2塊筋板，筋扳尺寸如圖7所示，將4塊筋板交錯固定在左右圍板上，然后將左右圍板扣合。同時，為了保證和減少立柱焊接后產生的撓度變形，需采用合理的焊接方法和焊接工藝措施，將焊接變形降低到最低水平。

為了保證焊縫質量和焊接穩定性，中間部位的2塊筋板和兩端的2塊筋板均采用手工富氬氣體保護焊（20%CO2+80%Ar）進行焊接，上下部位主焊縫采用焊接小車加富氬氣體保護焊進行自動化焊接。

中間部位的2塊筋板采用交錯焊接：只對定位鑲入圍板部分實施焊接，且左圍板和右圍板各焊接1塊筋板；兩端的2塊筋板也采用交錯焊接，內部焊接要求與中間部位2塊筋板的焊接要求相同。

圖7 立柱筋板

中間筋板鑲入圍板部分和兩端筋板內部焊接完成后將左圍板和右圍板扣合，將上下部位主焊縫定位焊，同時將兩端筋板外部與圍板的焊縫定位焊，立柱上下部位主焊縫焊接完成后，焊接立柱兩端筋板與圍板的外側焊縫，同時對立柱上下焊縫內側裸露在外面的部位進行補焊封底。

定位焊、筋板焊縫、封底補焊的工藝參數與立柱上下主焊縫的焊接工藝相同。

5 焊接工藝

5.1 焊前準備

焊接環境溫度應≥－10℃，否則不允許施焊。當焊接環境溫度＜0℃，但≥－10℃時，應采取加熱或防護措施，應確保接頭焊接處各方向≥2倍板厚且≥100mm范圍內的母材溫度≥20℃或規定的最低預熱溫度二者的較高值，且在焊接過程中不應低于此溫度。同時，焊接區域內的風速不得大于2m/s，如果超出上述范圍，應適當采取防風措施，如使用擋風板等，應特別注意防止風扇直吹焊接作業區域；焊接區域的相對濕度≤90%[4]。

5.2 焊接參數的選擇

（1）焊接材料 選用天津金橋集團生產的JQ.TH550-NQ-Ⅱ氣體保護焊絲，φ1.2mm；保護氣體選用20%CO2+80%Ar富氬氣體。焊接材料化學成分見表3。

表3 焊接材料化學成分（質量分數） （%）

（2）焊接參數 立柱上下部位主焊縫均為單層單道對接焊縫，母材開單V形坡口，焊接時先焊立柱上部主焊縫，焊接完成后趁熱翻轉立柱，接著焊接立柱下部主焊縫，焊接完成后再焊接其他焊縫，并對主焊縫兩端起弧、收弧部位進行打磨修整。

具體焊接參數見表4。

表4 焊接參數

5.3 焊后檢測與矯正

焊接完成后，將工件放置24h，對上下部分主焊縫進行表面磁粉檢測；檢測合格后根據圖樣要求，對部分直線度不符合要求的立柱進行冷壓矯正修整。

6 檢測

6.1 外觀

（1）目視檢測 焊接完成后，待立柱焊縫溫度降至室溫，對立柱焊縫進行外觀檢測，焊縫表面紋理均勻，與母材連接處過渡平滑，未發現未焊滿、氣孔、咬邊等焊接缺陷，焊接外觀質量等級達到一級標準[4]。

（2）尺寸 采用多功能焊接檢驗尺對焊縫尺寸進行檢測，焊縫寬度約為8mm，余高為1.5mm，左右兩塊圍板焊接錯邊＜0.5mm，質量等級達到一、二級標準[4]。

6.2 磁粉檢測

焊接完成后，將立柱放置24h后，對其上下主焊縫進行磁粉檢測，未發現裂紋和氣孔等焊接缺陷。

7 結束語

1）采用合理的焊接結構和焊接順序可以有效地保證焊接質量，使焊接變形處于公差范圍之內。

2）采用單V形坡口，可以在保證焊接質量的同時，盡可能地降低焊接填充金屬，降低焊接熱輸入，有效地減小了焊接變形。

3）立柱采取“對半折彎、兩次焊接”的成形方法合理可靠，焊接實施易于操作，焊接質量穩定，符合實際生產要求。