環(huán)境溫度對(duì)CRH6型轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊后長(zhǎng)度收縮量的影響

付浩，王寬，劉斌，夏有庭

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031

關(guān)鍵字：焊接收縮；環(huán)境溫度；尺寸控制

1 序言

CRH6城際動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架應(yīng)用于珠江三角洲城際軌道交通“穗莞深”項(xiàng)目，該項(xiàng)目屬于企業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的一個(gè)產(chǎn)品，標(biāo)志著中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司從生產(chǎn)地鐵、大鐵路產(chǎn)品跨入生產(chǎn)高速列車的行列。該項(xiàng)目在制造、技術(shù)、材料等方面有別于地鐵項(xiàng)目，質(zhì)量控制上也會(huì)有所區(qū)別。本文著重從側(cè)梁焊接收縮量不斷變化的角度，分析出其焊接變形與環(huán)境溫度變化的關(guān)系，并通過隨環(huán)境溫度變化而采取相應(yīng)措施的方法來(lái)改善焊接變形，從而減少不合格品的產(chǎn)生。

2 側(cè)梁的結(jié)構(gòu)和制造工藝

2.1 側(cè)梁的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架作為高速列車實(shí)現(xiàn)高速、重載的部件之一，其性能直接影響高速列車運(yùn)行的安全性。側(cè)梁作為構(gòu)架的主要承載結(jié)構(gòu)，主體為焊接而成，所選焊接板材為SMA490BW耐候鋼（即耐大氣腐蝕鋼）。該鋼種在融入現(xiàn)代冶金新機(jī)制、新技術(shù)和新工藝后得以可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新，屬世界超級(jí)鋼技術(shù)前沿水平的系列鋼種之一，由普通碳素鋼添加少量Cu、Ni、Cr等耐腐蝕元素而成（見表1），具有優(yōu)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌、塑延、成形、焊割、磨蝕、高溫及疲勞等特性（見表2）。焊接材料匹配CHW-55CNH焊絲[1]。

表1 SMA490BW耐候鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 SMA490BW耐候鋼力學(xué)性能

碳素鋼的性能會(huì)隨著溫度的變化而變化，一般情況下（－10~40℃），隨著溫度的降低，鋼的塑性會(huì)降低，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，意味著鋼材變硬變脆，不易變形；隨著溫度的升高，鋼的塑性會(huì)增強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度會(huì)降低，意味著鋼材變“軟”，容易產(chǎn)生變形[2]。

CRH6側(cè)梁安裝尺寸如圖1所示，外形類似于弓形，為箱形斷面（見圖2），側(cè)梁內(nèi)腔作為氣室。這種結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致側(cè)梁焊接后在長(zhǎng)度方向產(chǎn)生較大收縮[3]。

2.2 側(cè)梁的制造工藝

側(cè)梁組裝采用分步組焊方式，主要以手工MAG焊為主，保護(hù)氣體采用80%Ar+20%CO2，側(cè)梁外體長(zhǎng)焊縫采用機(jī)械手焊接。工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮焊后長(zhǎng)度方向會(huì)收縮，側(cè)梁組裝時(shí)在長(zhǎng)度方向有12mm工藝放量。經(jīng)工藝驗(yàn)證，規(guī)定了嚴(yán)格的焊接順序，也采用了相應(yīng)的工裝夾具來(lái)對(duì)側(cè)梁進(jìn)行剛性固定，一定程度上保證了側(cè)梁焊后收縮量受控。

焊后采用三維劃線儀進(jìn)行側(cè)梁各關(guān)鍵尺寸的測(cè)量，檢查是否符合工藝要求，超差尺寸需進(jìn)行調(diào)修處理。

圖1 CRH6側(cè)梁安裝尺寸

圖2 CRH6側(cè)梁斷面

3 側(cè)梁焊后變形問題及分析

3.1 側(cè)梁焊接變形的部分原因

側(cè)梁經(jīng)過成熟的工藝支持及焊接過程控制，原則上產(chǎn)品在長(zhǎng)度方向的收縮量不易出現(xiàn)大批量的不合格品。通常情況下產(chǎn)品出現(xiàn)收縮量不合格的現(xiàn)象有以下幾個(gè)方面的原因。

1）組裝時(shí)，若員工將尺寸量錯(cuò)（較少見）或工裝定位出現(xiàn)變動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的尺寸在初始狀態(tài)就已經(jīng)不合格，易出現(xiàn)單個(gè)或小批量的不合格品。

2）在焊接過程中，員工未按工藝要求的順序和參數(shù)進(jìn)行焊接，或未控制層間溫度，也會(huì)使焊接收縮不受控。

3）在焊接過程中，產(chǎn)品剛性固定工裝未夾緊而松動(dòng)，或焊后產(chǎn)品未完全冷卻就拆除工裝，使得工裝的剛性固定失去作用[4]，均會(huì)導(dǎo)致收縮不受控。

以上幾種情況導(dǎo)致的焊接變形不受控一般都是偶發(fā)性事件，出現(xiàn)的概率相對(duì)較低，形成大批量不合格品的可能性較小。通過加強(qiáng)焊接過程控制可以避免問題的再次發(fā)生。

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，CRH6側(cè)梁長(zhǎng)度收縮量卻經(jīng)常出現(xiàn)大批量的不合格品，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

3.2 側(cè)梁劃線尺寸批量超差問題

CRH6項(xiàng)目側(cè)梁在劃線時(shí)，長(zhǎng)度方向尺寸經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大批量的超差，長(zhǎng)度尺寸時(shí)而超上限，時(shí)而超下限，即使嚴(yán)格控制焊接過程，長(zhǎng)度尺寸也會(huì)超上下限。經(jīng)在CRH6項(xiàng)目生產(chǎn)線上長(zhǎng)期的觀察和研究，發(fā)現(xiàn)超差現(xiàn)象并不是無(wú)序的，而是有一定規(guī)律性且有跡可循的，即長(zhǎng)度尺寸的變化和環(huán)境溫度的變化存在一定的關(guān)系，隨季節(jié)溫度的變化而產(chǎn)生有規(guī)律的變化。

4 選樣尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

4.1 試驗(yàn)選樣準(zhǔn)備

為得出側(cè)梁焊接長(zhǎng)度變形與環(huán)境溫度的關(guān)系，以CRH6項(xiàng)目生產(chǎn)中隨選生產(chǎn)的40根側(cè)梁作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的來(lái)源，組裝時(shí)其尺寸均嚴(yán)格控制在公差中值狀態(tài)（2850±0.5）mm以內(nèi)（側(cè)梁組裝時(shí)的工藝長(zhǎng)度為2850mm±2mm），如圖2所示。焊后側(cè)梁劃線檢測(cè)長(zhǎng)度方向的工藝尺寸應(yīng)為2838.0~2844.0mm，尺寸超差即為不合格。

試驗(yàn)地點(diǎn)為CRH6側(cè)梁焊接廠房，廠房?jī)?nèi)為封閉空間，有溫度監(jiān)測(cè)，廠房?jī)?nèi)溫度隨季節(jié)而變化，其溫度可視為焊接的環(huán)境溫度。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

記錄統(tǒng)計(jì)該40根側(cè)梁的編號(hào)，焊接時(shí)的日期、環(huán)境溫度以及焊接完成后的長(zhǎng)度尺寸數(shù)據(jù)。

將側(cè)梁焊后尺寸按升序排列后，得出更直觀的數(shù)據(jù)（見表3）。側(cè)梁長(zhǎng)度升序排列，意味著表中側(cè)梁的序號(hào)越大，長(zhǎng)度越長(zhǎng)。其中A-15-265號(hào)側(cè)梁因?yàn)楫?dāng)時(shí)側(cè)梁焊接機(jī)械手頻繁故障，側(cè)梁焊接過程不停地中斷，所以該側(cè)梁數(shù)據(jù)不具代表性，不能參與統(tǒng)計(jì)分析，需排除在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)外。從表3中可以看出溫度隨長(zhǎng)度的增加有下降的趨勢(shì)。

將該類數(shù)據(jù)用折線圖的形式（見圖3）表現(xiàn)出來(lái)后，可明顯地看出溫度呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，圖中橫坐標(biāo)為側(cè)梁長(zhǎng)度升序排列序號(hào)，縱坐標(biāo)為溫度，可以看出溫度和尺寸存在一定關(guān)系。

表3 CRH6側(cè)梁焊后尺寸變化記錄表

圖3 環(huán)境溫度與側(cè)梁焊后長(zhǎng)度方向尺寸關(guān)系

4.3 數(shù)據(jù)分析

分析可知，側(cè)梁焊后長(zhǎng)度尺寸隨著環(huán)境溫度的變化而變化，且變化有一定規(guī)律，環(huán)境溫度越高，則焊后收縮量越大，即側(cè)梁越短，相反環(huán)境溫度越低，側(cè)梁收縮量越小，即側(cè)梁越長(zhǎng)。環(huán)境溫度與焊后收縮量成正比。

環(huán)境溫度升高，鋼的塑性增強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，材料更易變形，因此焊接后側(cè)梁更容易變形，收縮量大，反之環(huán)境溫度降低，鋼材不易變形，收縮量小。碳素鋼性能與環(huán)境溫度的關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

溫度與尺寸可粗略地看成線性關(guān)系，根據(jù)線性方程簡(jiǎn)單分析得出計(jì)算公式為

式中d——組裝時(shí)側(cè)梁長(zhǎng)度公差值（mm）；

T——環(huán)境溫度（℃），一般為5~35℃。

假設(shè)環(huán)境溫度T為1 0 ℃，則組裝公差d按－1.37mm執(zhí)行，側(cè)梁長(zhǎng)度組裝尺寸可控制在（2850－1.37）mm=2848.63mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）隨環(huán)境溫度升高，側(cè)梁焊后收縮量呈升高趨勢(shì)，反之亦然。

2）焊接過程的中斷會(huì)對(duì)焊后收縮造成一定影響。

3）CRH6側(cè)梁組裝時(shí)，長(zhǎng)度尺寸可以隨溫度變化而變化，溫度升高時(shí)，長(zhǎng)度尺寸組裝趨向上限，溫度降低時(shí)，長(zhǎng)度尺寸組裝趨向下限。在實(shí)際生產(chǎn)中，中東南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司已采用該種方式，效果良好。