焊接變形對鐵路貨車端梁與沖擊座鉚接間隙的影響

李永軍，湯文飛，張出蕾

中車西安車輛有限公司 陜西西安 710000

1 序言

中車西安車輛有限公司在70t級鐵路貨車制造過程中，在底架（見圖1）組裝工序，牽引梁與端梁組對焊接后（見圖2），因端梁腹板受熱變形，進而導致端梁在組裝鉚接沖擊座（見圖3）時，出現個別沖擊座與端梁組裝鉚接后二者間隙在1~2mm，且深度＞20mm，超出TB標準規定，影響新造產品質量。TB規定：鉚釘鉚接后不得松動；重要結構件鉚接后，其接觸面應嚴密，在鉚釘中心各向50mm范圍內用0.5mm厚度塞尺測量，不得觸及鉚釘桿，其余部分用1mm厚度塞尺測量，插入深度≤20mm。該質量問題一直是生產中的慣性質量問題，隨著當代鐵路運輸業的發展，對制造質量的要求越來越高，該問題變得日益突出，亟需解決。

圖1 鐵路貨車NX70底架實物

圖2 鐵路貨車NX70牽引梁與端梁組成實物

圖3 牽引梁與端梁及沖擊座組合

2 分析原因

70t級鐵路貨車底架主要由中梁、牽引梁、端梁、枕梁及側梁等部件組焊而成，牽引梁材質為YQ450NQR1，端梁與側梁材質為Q355A[1]。車體采用焊接和鉚接兩種連接方式，主要工藝流程為先組對，再焊接，最后鉚接。端梁腹板與牽引梁端頭采用熔化焊方法進行焊接（見圖4）。由于端梁腹板與牽引梁端頭焊接過程中急劇的非平衡加熱及冷卻，所以使熔合線以外熱影響區的端梁腹板產生膨脹，接著冷卻時焊縫金屬及熱影響區端梁腹板產生收縮，因加熱－冷卻這種熱變化在局部急速地進行，使膨脹和收縮變形均受到焊縫熱影響區以外母材的拘束而使端梁腹板產生焊接變形，端梁腹板橫向收縮變形是主要的焊接變形，也是造成沖擊座與端梁腹板鉚接后（見圖5）間隙超限的主要焊接變形。

影響焊接變形量的因素有：①焊接熱輸入量和焊縫截面尺寸的大小，它是產生焊接收縮變形的根源和動力。②整個工作截面和焊接結構剛度的大小，是焊接收縮變形的阻力和條件[2，3]。

由上述分析可知：①牽引梁端頭的切割誤差直接影響牽引梁端頭與端梁腹板的組對間隙，是影響牽引梁與端梁腹板焊縫截面尺寸的主要因素，同時也是直接影響端梁腹板焊接變形量的因素。②焊接參數（如焊接熱輸入量）也是直接影響端梁腹板焊接變形量的因素[4]。

（1）牽引梁端頭與端梁腹板組對間隙對端梁與沖擊座鉚接間隙的影響 測量過程：①用塞尺對牽引梁與端梁腹板間隙進行測量，篩選出不同組對間隙的構件進行編號。②控制焊接參數不變，測量端梁與沖擊座鉚接后間隙。焊絲直徑為1.2mm，焊絲牌號為ER50-6，焊接電流為260A，電弧電壓為28V，焊接速度為350mm/min，氣體流量為20L/min，保護氣體為 80%Ar+20%CO2。測量數據見表1。

圖4 牽引梁與端梁組對后內部實物

圖5 沖擊座與端梁鉚接后實物

表1 牽引梁與端梁腹板組對間隙及沖擊座鉚接 間隙數據

由表1可知，在相同焊接參數下，焊后沖擊座與端梁腹板鉚接間隙隨著牽引梁端頭與端梁腹板組對間隙的增大而增大。牽引梁與端梁腹板組對間隙在3.2mm時，焊后沖擊座與端梁間隙不滿足TB規定要求。

（2）焊接參數對端梁與沖擊座間隙的影響 對牽引梁腹板進行研配，使端梁與牽引梁腹板間隙為1.8mm及2.2mm，控制焊接速度在350mm/min，選用不同焊接參數進行焊接，測量端梁與沖擊座鉚接間隙，具體數據見表2、表3。

表2 焊接參數對端梁與沖擊座間隙的影響數據 （組對間隙1.8mm）

表3 焊接參數對端梁與沖擊座間隙的影響數據 （組對間隙2.2mm）

由表2、表3可知，隨著焊接熱輸入量的增加，沖擊座與端梁腹板的鉚接間隙也加大。當牽引梁與端梁腹板組對間隙在1.8mm時，焊接參數對沖擊座與端梁鉚接間隙的影響不大，且端梁與沖擊座鉚接間隙在TB規定范圍內。

3 解決措施

1）為保證沖擊座與端梁腹板間隙，必須嚴格控制牽引梁端頭切割尺寸，以保證牽引梁與端梁腹板組對尺寸≤2mm，同時嚴格執行焊接工藝要求，控制焊接電流為220~260A、電弧電壓為24~28V。但是，在車間目前生產條件下，采用手工或H型鋼自動焊切割小車切割牽引梁端頭，如果控制牽引梁與端梁腹板組對間隙≤2mm，手工切割誤差較大，效率過于低下，無法滿足生產需求。因此，通過控制牽引梁端頭與端梁組對間隙≤2mm，來滿足端梁與沖擊座鉚接間隙要求的方法，需投入新型設備。

2）提出采用焊前預防方法控制端梁與沖擊座的鉚接間隙問題。焊前預防主要包括反向變形法、預拉伸法和剛性固定組裝法。考慮到沖擊座與端梁腹板的組裝結構和位置、可操作性等因素，決定采用剛性固定法來控制牽引梁與端梁的焊接變形，從而使端梁與牽引梁鉚接間隙符合TB要求。具體思路為：調整牽引梁、端梁、沖擊座的組裝順序，先進行沖擊座與端梁的鉚接，然后再進行端梁與牽引梁裝配，最后焊接牽引梁與端梁的焊縫。

先進行沖擊座與端梁腹板的鉚接，從而使沖擊座與端梁腹板面形成一固定結構，增加了端梁腹板的結構剛度，相當于在焊前對端梁采用剛性固定組裝法，從而起到預防焊接變形的作用，如圖6所示。

工藝流程為：①端梁與沖擊座鉚接。②牽枕組對（該工序完成牽引梁與端梁的組對工作）。③牽枕焊接（該工序完成牽引梁與端梁的焊接工作）。焊接參數：焊絲直徑為1.2mm，焊絲牌號為ER50-6，焊接電流為260A，電弧電壓為28V，焊接速度為350mm/min，氣體流量為20L/min，保護氣體為 80%Ar+20%CO2，測量數據見表4。

圖6 端梁與沖擊座鉚接實物

表4 牽引梁與端梁組對間隙對沖擊座和端梁腹板間隙的影響

由表4可知，在牽引梁端頭與端梁腹板局部組對間隙不同的情況下，焊前采用固定夾裝法預防焊后變形，按上述工藝流程，沖擊座與端梁腹板間幾乎無間隙，符合TB要求。

4 結束語

端梁與沖擊座的鉚接間隙問題，可通過以下兩種方案進行解決：①通過研配嚴格控制牽引梁與端梁組對間隙≤2mm，同時按焊接工藝要求進行焊接，沖擊座與端梁腹板鉚接間隙符合TB標準要求。②采用固定夾裝法，即焊前將沖擊座與端梁進行鉚接，以增強焊前端梁的整體剛度，起到預防焊接變形的作用，沖擊座與端梁腹板鉚接間隙幾乎為零，滿足TB要求。