“快運(yùn)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(yīng)電商和快遞物流企業(yè)在鐵路快遞運(yùn)輸方面的需求，中車石家莊車輛有限公司提出了鐵路快運(yùn)貨物集裝化、客運(yùn)化運(yùn)輸系統(tǒng)解決方案，又名“快運(yùn)魔方”系統(tǒng)。圖1為第三代“快運(yùn)魔方”系統(tǒng)裝車圖。

圖1 第三代“快運(yùn)魔方”系統(tǒng)裝車圖

1.鐵路平車 2.集裝籠架 3.立柱 4.小型集裝箱

“快運(yùn)魔方”系統(tǒng)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(yùn)魔方”系統(tǒng)的重要組成部分，立柱是集裝籠架的關(guān)鍵承重構(gòu)件，其成形質(zhì)量將直接影響集裝籠架的組裝精度和焊接質(zhì)量[1]。在生產(chǎn)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(huì)導(dǎo)致立柱處出現(xiàn)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(diǎn)控制的問題。

2 材料性能分析

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

表1 Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼的力學(xué)性能

（2）焊接性分析 因?yàn)殇摬暮附訜嵊绊憛^(qū)的淬硬性及冷裂紋傾向與其化學(xué)成分有關(guān)，所以利用化學(xué)成分間接地評(píng)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(dāng)含量作為評(píng)定鋼材冷裂傾向的指標(biāo)。由表1和表2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CE（JIS）適合進(jìn)行Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼碳當(dāng)量計(jì)算[3]。

當(dāng)600MPa≤Rm≤700MPa、CE＜0.52%時(shí)，焊接時(shí)不需要預(yù)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(chǎng)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(jié)構(gòu)，下緣為U形槽結(jié)構(gòu)，分別將上、下緣折彎成形，并根據(jù)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(xì)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(duì)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(jù)圖樣尺寸在折彎?rùn)C(jī)上折彎成形，并在右圍板兩端開45°坡口，對(duì)立柱的上下主焊縫分別進(jìn)行“兩次”焊接成形，如圖5所示。

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

根據(jù)以上分析以及公司現(xiàn)有工裝和設(shè)備，決定采用方案2進(jìn)行立柱生產(chǎn)，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(cuò)固定在左右圍板上，然后將左右圍板扣合。同時(shí)，為了保證和減少立柱焊接后產(chǎn)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(zhì)量和焊接穩(wěn)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(hù)焊（20%CO2+80%Ar）進(jìn)行焊接，上下部位主焊縫采用焊接小車加富氬氣體保護(hù)焊進(jìn)行自動(dòng)化焊接。

中間部位的2塊筋板采用交錯(cuò)焊接：只對(duì)定位鑲?cè)雵宀糠謱?shí)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(cuò)焊接，內(nèi)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?cè)雵宀糠趾蛢啥私畎鍍?nèi)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(shí)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(cè)焊縫，同時(shí)對(duì)立柱上下焊縫內(nèi)側(cè)裸露在外面的部位進(jìn)行補(bǔ)焊封底。

定位焊、筋板焊縫、封底補(bǔ)焊的工藝參數(shù)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(zhǔn)備

焊接環(huán)境溫度應(yīng)≥－10℃，否則不允許施焊。當(dāng)焊接環(huán)境溫度＜0℃，但≥－10℃時(shí)，應(yīng)采取加熱或防護(hù)措施，應(yīng)確保接頭焊接處各方向≥2倍板厚且≥100mm范圍內(nèi)的母材溫度≥20℃或規(guī)定的最低預(yù)熱溫度二者的較高值，且在焊接過程中不應(yīng)低于此溫度。同時(shí)，焊接區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速不得大于2m/s，如果超出上述范圍，應(yīng)適當(dāng)采取防風(fēng)措施，如使用擋風(fēng)板等，應(yīng)特別注意防止風(fēng)扇直吹焊接作業(yè)區(qū)域；焊接區(qū)域的相對(duì)濕度≤90%[4]。

5.2 焊接參數(shù)的選擇

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

表3 焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）焊接參數(shù) 立柱上下部位主焊縫均為單層單道對(duì)接焊縫，母材開單V形坡口，焊接時(shí)先焊立柱上部主焊縫，焊接完成后趁熱翻轉(zhuǎn)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(duì)主焊縫兩端起弧、收弧部位進(jìn)行打磨修整。

具體焊接參數(shù)見表4。

表4 焊接參數(shù)

5.3 焊后檢測(cè)與矯正

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

6 檢測(cè)

6.1 外觀

（1）目視檢測(cè) 焊接完成后，待立柱焊縫溫度降至室溫，對(duì)立柱焊縫進(jìn)行外觀檢測(cè)，焊縫表面紋理均勻，與母材連接處過渡平滑，未發(fā)現(xiàn)未焊滿、氣孔、咬邊等焊接缺陷，焊接外觀質(zhì)量等級(jí)達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

（2）尺寸 采用多功能焊接檢驗(yàn)尺對(duì)焊縫尺寸進(jìn)行檢測(cè)，焊縫寬度約為8mm，余高為1.5mm，左右兩塊圍板焊接錯(cuò)邊＜0.5mm，質(zhì)量等級(jí)達(dá)到一、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

6.2 磁粉檢測(cè)

焊接完成后，將立柱放置24h后，對(duì)其上下主焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔等焊接缺陷。

7 結(jié)束語(yǔ)

1）采用合理的焊接結(jié)構(gòu)和焊接順序可以有效地保證焊接質(zhì)量，使焊接變形處于公差范圍之內(nèi)。

2）采用單V形坡口，可以在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，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(duì)半折彎、兩次焊接”的成形方法合理可靠，焊接實(shí)施易于操作，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。