JW4G作業(yè)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形控制*

畢紅雪，丁 磊，李建龍，孫立國

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 451460，2.洛陽機(jī)車有限公司，河南洛陽 470002）

JW4G型轉(zhuǎn)向架接觸網(wǎng)作業(yè)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由2個側(cè)梁、1個橫梁、2個端梁及各種小附件組成，其中側(cè)梁是該構(gòu)架最為重要的大部件，它是砂箱座、液壓減震器座、拉桿座、拐臂座、彈簧座等附件的定位基礎(chǔ)，受力情況十分復(fù)雜，它質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到整體加工、組件裝配，甚至影響車輛的正常運行。如何減小各梁組成的焊接變形量，達(dá)到可控范圍內(nèi)，是亟待解決的技術(shù)問題。

1 構(gòu)架焊接變形理論分析

構(gòu)架是由兩根側(cè)梁、兩根端梁、一根橫梁組焊而成的“日”字型結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示：由側(cè)梁、橫梁、端梁組成，各部分組成板材材質(zhì)均為Q345B。具體組焊工藝如下：開工準(zhǔn)備→構(gòu)架一次組對→構(gòu)架檢查→構(gòu)架一次焊接→拉臂座組對→拉臂座焊接→構(gòu)架一次精整→焊縫探傷→構(gòu)架檢查→構(gòu)架整體退貨熱處理。

1.1 橫梁焊接變形具體分析

橫梁是由上、下蓋板、立板和隔板組焊而成的箱型梁結(jié)構(gòu)。具體組焊工藝如下：開工前準(zhǔn)備→橫梁框架組對→框架與下蓋板組對→橫梁內(nèi)部焊縫焊接→內(nèi)部尺寸交檢→上蓋板組對→橫梁外部焊縫焊接→橫梁焊縫補焊、精整→調(diào)?！鷻M梁檢驗。

組焊過程中需用到兩種工裝：橫梁組對工裝和焊接工裝。具體分別如圖2和3所示。

圖1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)組成圖

圖2 橫梁組對工裝

圖3 橫梁焊接工裝

隨機(jī)選取21套構(gòu)架的樣本，每套構(gòu)架包含2個橫梁，編號從151-171。從表1可以看出具體變形形式為彎曲變形和焊接收縮，旁彎變形沒有出現(xiàn)，彎曲變形量最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比40%和60%；焊接收縮最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比40%和60%；均在公差所允許的范圍內(nèi)。這一結(jié)論表明，下料預(yù)制時需進(jìn)行1‰～1.5‰的工藝進(jìn)行放量，否則由于焊接收縮導(dǎo)致長度縮短，不滿足圖紙要求。另外沒有出現(xiàn)旁彎變形的原因是在利用旋轉(zhuǎn)變位機(jī)的焊接工裝上進(jìn)行內(nèi)部焊縫焊接時，對下蓋板進(jìn)行支撐，左右兩立板進(jìn)行固定夾緊，上面用壓條進(jìn)行壓緊固定，使整個橫梁完全在4個方向進(jìn)行約束性焊接，待完全冷卻后，撤去約束，有效避免了變形。

1.2 側(cè)梁焊接變形具體分析

側(cè)梁是由上下蓋板、立板和隔板組焊而成的封閉箱型梁結(jié)構(gòu)。具體組焊工藝如下：開工前準(zhǔn)備→側(cè)梁框架組對→框架與下蓋板組對→側(cè)梁內(nèi)部焊縫焊接→內(nèi)部尺寸交檢→上蓋板組對→旁承座板和水平杠桿安裝座組對→側(cè)梁外部焊縫機(jī)器人焊接→側(cè)梁焊縫補焊、精整→側(cè)梁端部墊板焊接→調(diào)校劃中心線→側(cè)梁檢驗

組焊過程中需用到兩種工裝：側(cè)梁組對工裝和焊接工裝。具體如圖4和5所示。具體變形形式如表1所示。

隨機(jī)選取11套構(gòu)架的樣本，每套構(gòu)架包含4個側(cè)梁，編號從151-161。從表2可以看出具體變形形式為彎曲變形和焊接收縮，旁彎變形沒有出現(xiàn)，彎曲變形量最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比50%和50%；焊接收縮分別為8 mm、7 mm、6 mm、5 mm，分別占比11%、39%、45%、5%，均在公差所允許的范圍內(nèi)。這一結(jié)論表明，下料預(yù)制時需進(jìn)行1.4‰～2.3‰的工藝進(jìn)行放量，否則由于焊接收縮導(dǎo)致長度縮短，不滿足圖紙要求。另外沒有出現(xiàn)旁彎變形的原因就是在利用旋轉(zhuǎn)變位機(jī)的焊接工裝上進(jìn)行內(nèi)部焊縫焊接時，對下蓋板進(jìn)行支撐，左右兩立板進(jìn)行固定夾緊，上面用壓塊進(jìn)行壓緊固定，使整個側(cè)梁完全在4個方向進(jìn)行約束性焊接，待完全冷卻后，撤去約束，有效避免變形。

圖4 側(cè)梁組對工裝

圖5 側(cè)梁焊接工裝

1.3 端梁焊接變形具體分析

構(gòu)架是由兩根側(cè)梁、兩根端梁、一根橫梁組焊而成的“日”字型結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)組成如圖7所示：由側(cè)梁、橫梁、端梁組成，各部分組成板材材質(zhì)均為Q345B。具體組焊工藝如下：開工準(zhǔn)備→構(gòu)架一次組對→構(gòu)架檢查→構(gòu)架一次焊接→拉臂座組對→拉臂座焊接→構(gòu)架一次精整→焊縫探傷→構(gòu)架檢查→構(gòu)架整體退貨熱處理組焊過程中需用到一種工裝：構(gòu)架組對焊接工裝。組焊過程中需用到兩種工裝：端梁組對工裝和焊接工裝。具體如圖6和7所示。

表1 側(cè)梁具體變形形式

圖6 端梁組對工裝

圖7 端梁焊接工裝

參照橫梁、側(cè)梁同樣的方法，隨機(jī)選取11套構(gòu)架的樣本，每套構(gòu)架包含4個端梁，編號從151-161。從表3可以看出具體變形形式為彎曲變形和焊接收縮，旁彎變形沒有出現(xiàn)，彎曲變形量最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比36%和64%；焊接收縮最大為2 mm，最小為1 mm，分別占比34%和66%；均在公差所允許的范圍內(nèi)。這一結(jié)論表明，下料預(yù)制時需進(jìn)行1.0‰～1.5‰的工藝進(jìn)行放量，否則由于焊接收縮導(dǎo)致長度縮短，不滿足圖紙要求。另外沒有出現(xiàn)旁彎變形的原因是在利用自制6個焊接工裝在長度方向上，將端梁進(jìn)行約束性焊接，待完全冷卻后，撤去約束，有效避免了變形。

2 構(gòu)架組焊工藝

構(gòu)架組焊工藝流程為：構(gòu)架組對→構(gòu)架檢查→構(gòu)架焊接→構(gòu)架精整→焊縫探傷→構(gòu)架整體退火熱處理。為控制焊接變形，采取如下工藝措施：

（1）焊接收縮放量

JW4G構(gòu)架由側(cè)梁、橫梁及端梁組成的“日”字形框架，組焊后構(gòu)架寬度尺寸為2 176 mm。由于側(cè)梁與橫梁采用8條開坡口的對接焊縫以及4條角焊縫的焊接結(jié)構(gòu)，焊接量較大且橫向收縮變形較嚴(yán)重，故在構(gòu)架組對時預(yù)留2 mm的組對間隙，以保證構(gòu)架組焊完成后的尺寸滿足設(shè)計要求。

（2）合理的焊接順序

為防止因焊接收縮而造成組焊后尺寸超差，設(shè)計焊接順序的思路為：在工裝壓緊后先對所有適焊部位的連接焊縫進(jìn)行打底焊，使構(gòu)架連接成為一個穩(wěn)定、封閉的框架結(jié)構(gòu)，然后上焊接變位機(jī)裝卡，將焊縫翻轉(zhuǎn)至平焊或平角焊位置對剩余焊縫進(jìn)行蓋面焊。具體焊接順序如下：側(cè)梁與橫梁立焊縫打底焊接→側(cè)梁與橫梁角焊縫打底焊接→側(cè)梁橫梁對接焊縫焊接→側(cè)梁橫梁角焊縫焊接→側(cè)梁端梁角焊縫焊接→變位機(jī)裝卡→蓋面焊。因構(gòu)架為對稱焊接結(jié)構(gòu)，故在進(jìn)行各條對稱焊縫的焊接時，安排兩名焊工同時施焊以使焊接產(chǎn)生的應(yīng)力互相抵消，從而減少焊接變形。

（3）剛性固定

在構(gòu)架整體組焊時，為防止構(gòu)架因焊接造成彎曲變形，設(shè)計構(gòu)架組焊工裝（圖8）。在焊接前將側(cè)梁、橫梁及端梁放置在組焊工裝上，并用絲杠將側(cè)梁從橫向及垂向方向分別固定夾緊后進(jìn)行焊接，減少構(gòu)架因焊接產(chǎn)生的變形。

圖8 構(gòu)架組焊工裝

（4）減少熱輸入

同側(cè)梁焊接一樣，構(gòu)架的焊接也采用熱輸入較小的CO2氣體保護(hù)焊的焊接方法，且焊前不需要進(jìn)行預(yù)熱處理。在焊接量較大的橫梁與側(cè)梁對接焊縫處，采用多層多道焊的方法，減少焊接熱輸入量以控制焊接變形。

（5）熱處理

在側(cè)梁及構(gòu)架的生產(chǎn)中存在大量的剛性固定，導(dǎo)致構(gòu)架的金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力；對側(cè)梁變形進(jìn)行的機(jī)械校正，又導(dǎo)致外部施加載荷引起的應(yīng)力，兩種應(yīng)力不是簡單的疊加，對結(jié)構(gòu)的影響也十分復(fù)雜。它們的存在不僅降低承載結(jié)構(gòu)的承載能力，而且影響結(jié)構(gòu)的裝配精度，最終影響設(shè)備的工作質(zhì)量和使用壽命以及列車運行的安全性。因此，為消除結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各種應(yīng)力，采用構(gòu)架組焊后整體熱處理的方法來消除應(yīng)力，減少下工序構(gòu)架整體加工時因應(yīng)力釋放造成的加工變形。

3 側(cè)梁焊工藝和焊接順序

JW4G構(gòu)架由側(cè)梁、橫梁及端梁組成的“日”字形框架，而側(cè)梁（圖9）及橫梁均是由上下蓋板、立板及筋板組成的箱型梁，故選取側(cè)梁及構(gòu)架整體的組焊工藝作為典型，重點介紹兩者在生產(chǎn)中采用的控制焊接變形的措施。

圖9 JW4G構(gòu)架側(cè)梁結(jié)構(gòu)示意圖

側(cè)梁整體組焊工藝流程為：立板筋板工裝組對→下蓋板組對→內(nèi)部焊縫焊接→上蓋板組對→外部焊縫焊接→調(diào)校。為了控制焊接變形，采取了如下工藝措施：

（1）焊接收縮放量

側(cè)梁全長3 440 mm，外部通長的焊縫的接頭形式為開坡口的角接頭，因焊縫長度過長且焊接量較大，很容易造成縱向收縮變形。為解決這一問題，在側(cè)梁的立板及上下蓋板下料時進(jìn)行同步焊接工藝放量，放量尺度為側(cè)梁全長的1.5‰～2‰，共放量6 mm。

（2）合理的焊接順序

側(cè)梁內(nèi)部焊縫的焊接在變位機(jī)上進(jìn)行，焊接前將需要焊接的焊縫調(diào)整為船型焊，通過規(guī)范側(cè)梁內(nèi)部焊縫的焊接順序來盡可能消除焊接變形的產(chǎn)生。在內(nèi)部焊縫焊接時采用兩人分中焊的方法，即：隔板與下蓋板焊接時，由兩名焊工分別從中間向兩邊進(jìn)行施焊（圖10）；隔板與立板焊接時，由兩名焊工分別從中間向兩邊進(jìn)行施焊（圖11），這種焊接方法可以有效減少側(cè)梁的焊接變形。

圖10 下蓋板與隔板焊接

圖11 立板與隔板焊接

（3）剛性固定

在組焊側(cè)梁內(nèi)部焊縫時，為防止側(cè)梁因焊接造成彎曲變形和波浪變形[1]，設(shè)計側(cè)梁組焊工裝（圖12）。在焊接前將側(cè)梁放置在組焊工裝上，并用絲杠將側(cè)梁從橫向及垂向方向分別固定夾緊后進(jìn)行焊接，減少側(cè)梁因焊接產(chǎn)生的變形。

圖12 側(cè)梁組焊工裝

（4）減少熱輸入

因Q345B鋼的淬硬傾向較小，故采用熱輸入較小的CO2氣體保護(hù)焊的焊接方法[2]；由于母材均為8-14 mm的中薄板，故焊前不需要進(jìn)行預(yù)熱處理。

（5）機(jī)械校正

側(cè)梁在外部焊縫焊接完成后，將側(cè)梁在檢測平臺檢測側(cè)梁長度及兩端部位的平面度。由于焊縫的布置不是完全對稱，在焊接后會產(chǎn)生端部的彎曲變形。即使采取以上諸多措施來控制，焊接變形仍難以完全消除。在側(cè)梁制造的最后一道工序，將側(cè)梁放置在雙頭壓力機(jī)下進(jìn)行機(jī)械校正，以保證側(cè)梁滿足圖紙技術(shù)要求。

4 結(jié)論

通過批量試驗構(gòu)架組成焊后變形，得到影響構(gòu)架焊接變形因素的3個因素：焊接前放量、焊接順序和焊接工藝。通過改進(jìn)JW4G型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架組成的焊前組裝放量、調(diào)整焊接順序和焊接工藝等方法，達(dá)到減小構(gòu)架組成焊后變形和減少焊后調(diào)修的目的。有效控制焊接變形，同時通過熱處理手段消除內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力，為后續(xù)構(gòu)架的整體加工以及轉(zhuǎn)向架的組裝提供了質(zhì)量保證。