焊接變形對(duì)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(jí)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(duì)焊接后（見圖2），因端梁腹板受熱變形，進(jìn)而導(dǎo)致端梁在組裝鉚接沖擊座（見圖3）時(shí)，出現(xiàn)個(gè)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，影響新造產(chǎn)品質(zhì)量。TB規(guī)定：鉚釘鉚接后不得松動(dòng)；重要結(jié)構(gòu)件鉚接后，其接觸面應(yīng)嚴(yán)密，在鉚釘中心各向50mm范圍內(nèi)用0.5mm厚度塞尺測(cè)量，不得觸及鉚釘桿，其余部分用1mm厚度塞尺測(cè)量，插入深度≤20mm。該質(zhì)量問題一直是生產(chǎn)中的慣性質(zhì)量問題，隨著當(dāng)代鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，對(duì)制造質(zhì)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(shí)物

圖2 鐵路貨車NX70牽引梁與端梁組成實(shí)物

圖3 牽引梁與端梁及沖擊座組合

2 分析原因

70t級(jí)鐵路貨車底架主要由中梁、牽引梁、端梁、枕梁及側(cè)梁等部件組焊而成，牽引梁材質(zhì)為YQ450NQR1，端梁與側(cè)梁材質(zhì)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(duì)，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(jìn)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(qū)的端梁腹板產(chǎn)生膨脹，接著冷卻時(shí)焊縫金屬及熱影響區(qū)端梁腹板產(chǎn)生收縮，因加熱－冷卻這種熱變化在局部急速地進(jìn)行，使膨脹和收縮變形均受到焊縫熱影響區(qū)以外母材的拘束而使端梁腹板產(chǎn)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(chǎn)生焊接收縮變形的根源和動(dòng)力。②整個(gè)工作截面和焊接結(jié)構(gòu)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(duì)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(shí)也是直接影響端梁腹板焊接變形量的因素。②焊接參數(shù)（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(duì)間隙對(duì)端梁與沖擊座鉚接間隙的影響 測(cè)量過程：①用塞尺對(duì)牽引梁與端梁腹板間隙進(jìn)行測(cè)量，篩選出不同組對(duì)間隙的構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)。②控制焊接參數(shù)不變，測(cè)量端梁與沖擊座鉚接后間隙。焊絲直徑為1.2mm，焊絲牌號(hào)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(hù)氣體為 80%Ar+20%CO2。測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

圖4 牽引梁與端梁組對(duì)后內(nèi)部實(shí)物

圖5 沖擊座與端梁鉚接后實(shí)物

表1 牽引梁與端梁腹板組對(duì)間隙及沖擊座鉚接 間隙數(shù)據(jù)

由表1可知，在相同焊接參數(shù)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(duì)間隙的增大而增大。牽引梁與端梁腹板組對(duì)間隙在3.2mm時(shí)，焊后沖擊座與端梁間隙不滿足TB規(guī)定要求。

（2）焊接參數(shù)對(duì)端梁與沖擊座間隙的影響 對(duì)牽引梁腹板進(jìn)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(shù)進(jìn)行焊接，測(cè)量端梁與沖擊座鉚接間隙，具體數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 焊接參數(shù)對(duì)端梁與沖擊座間隙的影響數(shù)據(jù) （組對(duì)間隙1.8mm）

表3 焊接參數(shù)對(duì)端梁與沖擊座間隙的影響數(shù)據(jù) （組對(duì)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(dāng)牽引梁與端梁腹板組對(duì)間隙在1.8mm時(shí)，焊接參數(shù)對(duì)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(guī)定范圍內(nèi)。

3 解決措施

1）為保證沖擊座與端梁腹板間隙，必須嚴(yán)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(duì)尺寸≤2mm，同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)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(chǎn)條件下，采用手工或H型鋼自動(dòng)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(duì)間隙≤2mm，手工切割誤差較大，效率過于低下，無法滿足生產(chǎn)需求。因此，通過控制牽引梁端頭與端梁組對(duì)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(shè)備。

2）提出采用焊前預(yù)防方法控制端梁與沖擊座的鉚接間隙問題。焊前預(yù)防主要包括反向變形法、預(yù)拉伸法和剛性固定組裝法?？紤]到?jīng)_擊座與端梁腹板的組裝結(jié)構(gòu)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(diào)整牽引梁、端梁、沖擊座的組裝順序，先進(jìn)行沖擊座與端梁的鉚接，然后再進(jìn)行端梁與牽引梁裝配，最后焊接牽引梁與端梁的焊縫。

先進(jìn)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(jié)構(gòu)，增加了端梁腹板的結(jié)構(gòu)剛度，相當(dāng)于在焊前對(duì)端梁采用剛性固定組裝法，從而起到預(yù)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(duì)（該工序完成牽引梁與端梁的組對(duì)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(shù)：焊絲直徑為1.2mm，焊絲牌號(hào)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(hù)氣體為 80%Ar+20%CO2，測(cè)量數(shù)據(jù)見表4。

圖6 端梁與沖擊座鉚接實(shí)物

表4 牽引梁與端梁組對(duì)間隙對(duì)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(duì)間隙不同的情況下，焊前采用固定夾裝法預(yù)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(jié)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(jìn)行解決：①通過研配嚴(yán)格控制牽引梁與端梁組對(duì)間隙≤2mm，同時(shí)按焊接工藝要求進(jìn)行焊接，沖擊座與端梁腹板鉚接間隙符合TB標(biāo)準(zhǔn)要求。②采用固定夾裝法，即焊前將沖擊座與端梁進(jìn)行鉚接，以增強(qiáng)焊前端梁的整體剛度，起到預(yù)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。