快速市域動車組枕梁制造工藝與質量控制

劉惠娟，李增樓，馬 輝，陳 恒，霍文崇，孟慶武

河北京車軌道交通車輛裝備有限公司，河北 保定 072150

0 前言

枕梁作為端部底架的重要承重部件，其功能是連接車體和轉向架，主要承受和傳遞車體與轉向架之間的載荷和牽引，在車輛運行中承受車體自身及其振動載荷作用，枕梁也是二系懸掛空氣彈簧氣動系統(tǒng)的附加氣室[1]，其焊接質量和尺寸精度對車輛運行的安全性及使用壽命都有著重要影響，這就要求枕梁結構具有較高的焊接質量[2]。而枕梁屬于大型組焊件，組焊難度高、變形大。為改善枕梁焊接生產過程中出現的焊縫缺陷、尺寸超差缺陷等，通常通過建立模型，利用焊接變形分析系統(tǒng)軟件對枕梁的焊接變形進行計算來提前預判焊接變形信息，為枕梁實際焊接生產提供理論指導[3]；通過優(yōu)化枕梁焊接工藝，如調整相關焊道焊接順序、人工焊接改為機械手焊接、調整焊接層數及焊接工藝參數等方法，來提升枕梁焊接質量。

本文結合現場實際焊接經驗，對快速市域動車組枕梁焊接質量和尺寸精度控制方法進行了總結論述，以有效防止焊接缺陷產生，控制焊接變形，最大限度地提高生產效率。

1 枕梁結構分析

快速市域動車組枕梁主要為箱型焊接結構，由上下蓋板、內部筋板、外側立板、抗蛇形減震器安裝座、垂向減振器安裝座、定位銷連接座、抗側滾扭桿安裝座、中心銷組成等構成；同時，枕梁兩端位置分別兼作空氣彈簧的附加氣室，具體結構如圖1所示。

圖1 枕梁示意Fig.1 Schematic diagram of pillow beam

2 枕梁制造工藝

2.1 焊接工藝評定

枕梁主體結構鋼板材質為常規(guī)的耐大氣腐蝕鋼板S355J2W+N，鍛件材質主要為S355J2+N，為了提升中心銷的整體強度，中心銷鍛件材質采用20CrMo[4]，且供貨狀態(tài)為調質處理，根據20CrMo材質執(zhí)行標準GB/T3077，其化學成分如表1所示，力學性能[5]如表2所示。根據現場生產實際并結合生產進度要求，枕梁焊接方法采用MAG焊，保護氣體為φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣體，填充材料選用直徑1.0 mm的ER80S-G焊絲。

表1 20CrMo材質化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of 20CrMo material（wt.%）

表2 20CrMo調質狀態(tài)力學性能Table 2 Mechanical properties of 20CrMo quenching and tempering state

枕梁組成中相關部件的材質組合，如耐候鋼鋼板與鍛件的S355J2W+S355J2+N材質組合、耐候鋼板與耐候鋼板的材質組合，以及相關部件的板厚組合，均可被現有工藝評定覆蓋，按照現有工藝生產即可。為確保中心銷與其他部件連接處焊縫的焊接質量，需要對調質狀態(tài)的20CrMo鋼進行焊接工藝評定以確定焊接工藝參數。枕梁中心銷組成結構如圖2所示，其中蓋板及筋板厚度為10 mm。

圖2 中心銷組成結構示意Fig.2 Schematic diagram of center pin composition

通過梳理枕梁中心銷與其他部件配合的焊接接頭形式、板厚組合、材質組合信息，并根據焊接工藝評定覆蓋范圍，確定制作材質組合為S355J2W+20CrMo（調質）、板厚組合為12 mm+12 mm的對接接頭和T形接頭的焊接工藝評定，焊接工藝評定按照ISO 15614-1標準要求進行[6]，焊接接頭宏觀試樣及彎曲試驗試樣如圖3所示。其中，焊接材料的選擇以焊縫金屬化學性能及其他性能不低于母材中性能要求較低一側為原則，使用直徑Φ1.0 mm的ER80S-G焊絲即可。根據焊接工藝評定，確定調質狀態(tài)20CrMo材質與S355J2W材質的焊接參數如表3所示。

圖3 焊接接頭試樣Fig.3 Welded joint sample

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding process parameters

2.2 枕梁組焊工藝流程

根據枕梁設計結構，綜合分析后將枕梁分為蓋板組成、中心銷組成等小組件組焊，以及枕梁箱型結構組焊、劃線、調修等多個工序，具體工藝流程如圖4所示。

圖4 枕梁組成組焊工藝流程Fig.4 Assembly welding process of pillow beam

2.3 枕梁制造關鍵過程

（1）枕梁一次組焊。

枕梁一次組焊主要為枕梁兩端的鍛件抗側滾扭桿座、定位銷連接座、抗蛇形減震器安裝座與枕梁下蓋板的組焊，因該處涉及枕梁附加氣室，對焊縫密封性要求較高。鍛件與枕梁下蓋板的對接焊縫要求進行封底焊，如圖5所示，其坡口形式為單邊V形，按照焊接相關標準，焊接時須先進行單“V”側焊縫的焊接，清根處理后再進行背面?zhèn)鹊姆獾缀附覽7]。但實際操作時，清根處理無法實現，因為車體枕梁兩端形成了一個封閉的內腔結構，需清根的焊縫區(qū)域處于打磨的半盲區(qū)，工具可達性差，實施困難，影響生產效率。

圖5 鍛件與下蓋板的封底焊Fig.5 Forging and bottom sealing run

改進措施：組對時預留1.5～2.5 mm間隙，焊接時先焊接坡口背面的封底焊縫，然后從坡口側進行清根焊接，焊接完成后對焊縫進行外觀檢測、磁粉探傷和超聲波探傷并進行宏觀金相檢驗。經檢測，焊縫質量合格，符合ISO 5817 B級標準要求。

（2）枕梁蓋板組成的組焊。

枕梁蓋板主要由上蓋板螺堵組成、筋板（一）、筋板（二）、筋板（三）組成，蓋板組成組焊成小組件時，筋板與上蓋板螺堵組成配合處焊縫均開坡口，如將所有焊縫焊接完成，由于焊接熱輸入較大，上蓋板螺堵組成受熱不均，將發(fā)生中部向上蓋板上表面?zhèn)裙捌鸬淖冃危龠M行后續(xù)組焊時，需要增加一道調修工序，對蓋板組成進行矯形，加大了工作量，影響生產效率。

改進措施：調整蓋板組成焊道的焊接順序，在不影響后續(xù)填充和蓋面焊道的焊接及最終焊縫無損檢測可達性的前提下，蓋板組成焊接時，只焊接筋板與上蓋板螺堵組成配合焊縫開坡口側的打底焊接及背面的a3焊縫，如圖6所示，待蓋板組成與枕梁一次組焊件組裝完成后再焊接剩余填充和蓋面焊道。此方法避免了蓋板組成焊接完成后因焊接變形引起的調修工作，提高了生產效率。

圖6 蓋板組成組焊Fig.6 Assembly welding of cover plate

（3）枕梁二次組焊。

枕梁二次組焊主要涉及枕梁兩端的兩個附加氣室，焊縫數量較多且均帶有坡口，為避免焊接熱輸入過大引起的焊接變形影響后續(xù)工序的組焊，枕梁二次組裝完相關部件后，對焊縫只進行打底焊接，由兩個工人分別在枕梁兩端按照圖7所示順序[8]進行打底焊接，焊接時在距離焊縫接頭及拐點位置30～50 mm處起弧和熄弧。由于涉及枕梁附加氣室，對焊縫質量及密封性要求較高，在焊接上蓋板螺堵組成與鍛件的對接焊縫時，因上蓋板螺堵組成與鍛件的對接焊縫坡口背面?zhèn)缺涣甯魯啵妶D8中位置A處，永久襯墊無法整體延伸至立板外側，故焊接此位置時，立板外側一段焊縫在坡口背面?zhèn)燃犹沾梢r墊，達到單面焊雙面成型的效果，提升焊縫的密封性；對于三條焊縫交叉的情況，見圖8中位置B處，按照箭頭所示順序連續(xù)焊接完成，焊接時在距離焊縫拐點位置30～50 mm處起弧和熄弧，避免在拐點位置出現焊接接頭影響焊縫質量及密封效果。

圖7 枕梁氣室單側焊接順序Fig.7 Single side welding sequence of pillow beam air chambe

圖8 枕梁焊縫處理Fig.8 Weld treatment of pillow beam

（4）枕梁一次氣密性試驗。

枕梁二次組裝及打底焊接完成后，為驗證焊縫的密封性，對兩端的附加氣室進行氣密性試驗，通過氣密性試驗設備將壓力升至700 kPa，要求保壓5 min內的壓力下降應不超過10 kPa。同時，用蘸有肥皂水的毛刷反復涂抹枕梁附加氣室相關聯(lián)的焊縫，觀察壓力表的數值變化及焊縫上肥皂水的狀態(tài)，若壓力表上數值出現減小的情況，需對氣室相關聯(lián)的焊縫進行檢查，尋找出漏氣點并進行標記，如圖9所示，并對漏氣位置的焊縫進行返修，返修后再次進行氣密試驗，直至合格。同一部位焊縫的返修一般不能超過2次，如需多次返修，需由焊接工藝人員會同設計部門、質量部門、生產部門有關人員進行原因分析，避免返修再次發(fā)生，并且制定詳細的返修方案，由主管焊接工程師進行確認并備案。此次氣密性試驗為枕梁第一次氣密性試驗，在枕梁組成整體焊接、劃線調修、探傷完成后，再次進行附加氣室的第二次氣密性試驗，以驗證其密封性。

圖9 氣室漏氣示意Fig.9 Schematic diagram of air chamber leakage

2.4 枕梁焊接變形及控制

枕梁關鍵控制尺寸標識如圖10所示，由于枕梁為大長箱型結構，焊接過程中受焊接收縮變形的影響會出現枕梁局部尺寸超出理論設計要求的情況。具體問題及解決措施如下所述。

圖10 枕梁關鍵尺寸標識Fig.10 Identification of key dimensions of pillow beam

（1）抗蛇形減震器安裝座邊界至枕梁Y向中心線尺寸超差。

枕梁組成下部下蓋板為一個整體結構，上部則由多個部件組裝配合，上表面為多塊板拼接焊接形式，焊接時由于枕梁上、下部位受熱不均勻，焊接完成后枕梁上部有較大的收縮變形，枕梁組成兩端存在上翹的情況，導致兩端的抗蛇形減震器安裝座下部向外側旋轉，引起其下部邊界至枕梁Y向中心線的尺寸（見圖10中的A1、A2）比理論要求的尺寸1 355 mm大7～10 mm，超出±4 mm的公差要求。為解決此問題，一方面，在枕梁焊接時實施反變形，在焊接工裝上對枕梁兩端向下蓋板側下壓4～5 mm的量；另一方面，在枕梁組成焊接完成后，對抗蛇形減震器安裝座進行調修，主要采用火焰加熱調修+機械調修[9]相結合的方式，火焰溫度不超過600℃，加熱兩個抗蛇形減震器安裝座根部內側位置，加熱區(qū)域形狀為矩形，長度為100～120 mm，寬度為加熱部位工件的寬度，與此同時用輔助工裝向內側拉，如圖11所示，以矯正焊接變形。

圖11 枕梁調修輔助工裝Fig.11 Auxiliary tools for adjusting and repairing pillow beam

（2）定位銷連接座、空簧安裝座中心至枕梁Y向中心線尺寸超差。

枕梁組焊過程中，由于焊接時的高溫加熱及冷卻作用，會產生縱向方向的收縮變形。根據焊接變形預測及生產現場試制的第一個枕梁組成三坐標測量數據，枕梁兩端定位銷連接座至枕梁Y向中心線尺寸（圖10中B1、B2）比理論小4～5 mm，超出設計尺寸（1 496±2）mm的要求；兩端空簧安裝座中心至枕梁Y向中心線尺寸（見圖10中D1、D2）比理論小2.5～3 mm，超出設計尺寸（1 025±2）mm的要求。為解決以上焊接收縮變形引起的尺寸減小問題，采用工藝放量[10]的方法對枕梁下蓋板、枕梁上蓋板、內腔筋板等部件進行工藝放量。以枕梁下蓋板為例，枕梁單側長度工藝放量50+0.5mm，空簧安裝座配合孔中心至Y向中心線尺寸工藝放量30+0.5mm。

（3）枕梁下蓋板空簧安裝座板配合面Φ660 mm范圍內平面度超差。

枕梁下蓋板下表面以空簧安裝座中心為圓心，Φ660 mm范圍為空簧安裝座板安裝配合面，見圖10中G位置標識區(qū)域，要求空簧安裝座板與枕梁下蓋板接觸面積達到60%以上，平面度小于3 mm。實際生產過程中，枕梁組焊順序為從兩端向中間進行組焊，枕梁二次組裝完蓋板組成，焊接枕梁下蓋板與筋板的7HY+a3焊縫后，枕梁下蓋板與空簧安裝座配合位置會發(fā)生向上翹曲變形，導致下蓋板與空簧安裝座的對接焊縫周圍存在較大的錯邊量，不僅影響此處焊縫熔深，還會影響此區(qū)域的平面度。采用工裝剛性固定的方法解決此問題，在枕梁焊接工裝及枕梁二次組裝工裝的空簧安裝座配合位置處分別增加壓板結構，如圖12所示，增加了在組裝及焊接過程對枕梁下蓋板的約束，減少了因焊接收縮引起的變形。

圖12 枕梁組焊工裝增加壓板結構Fig.12 Mounting plate structure of pillow beam assembly welding fixture

3 結論

（1）通過焊接工藝評定確定調質狀態(tài)20CrMo材質與耐候鋼S355J2W+N材質組合的焊接材料及焊接工藝參數，保證枕梁中心銷處的強度。

（2）通過合理規(guī)劃組焊工藝流程，實現了枕梁組成的組焊，達到提高枕梁組成生產效率、控制枕梁組成組焊質量的目的。

（3）通過使用組焊工裝及選用合理的調修方法，有效控制了枕梁組成的焊接變形，使其關鍵部位的尺寸滿足產品設計要求。

隨著科學技術水平的發(fā)展，更好的設計結構、焊接工藝裝備會不斷出現，可以在一定程度上保證產品的焊接質量，但任何結構的精確尺寸的實現都依賴于對焊接生產過程的控制和后續(xù)調修研配，借鑒市域車枕梁的焊接生產經驗，可以有效控制類似結構其他枕梁的焊接質量及整體尺寸。