不銹鋼車體門立柱焊接變形控制

彭 劍 金文濤 吳金津

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

不銹鋼車體門立柱焊接變形控制

彭 劍 金文濤 吳金津

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

本文主要分析不銹鋼車體側(cè)墻骨架組焊過程中門立柱變形的原因并通過預(yù)設(shè)反變形、工裝約束及調(diào)整焊接工藝等方法解決門立柱的焊接變形問題。

不銹鋼；門立柱；焊接變形

1 概述

出口馬來西亞的不銹鋼車輛屬A型不銹鋼地鐵車輛，由中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司負(fù)責(zé)車體組裝焊接，其結(jié)構(gòu)獨特，側(cè)墻骨架為梁柱結(jié)構(gòu)，門立柱與橫梁均通過MAG焊焊接，結(jié)構(gòu)致密，焊縫集中。組焊過程中由于焊接變形量較大，焊后門角部位平面度及門立柱輪廓度超差，設(shè)計要求平面度不大于2 mm，輪廓度不大于3 mm，實測門角區(qū)域平面度最大達(dá)5 mm，門立柱區(qū)域輪廓度達(dá)6 mm，給后續(xù)內(nèi)裝零件的裝配及整車美觀帶來嚴(yán)重的影響。因此如何控制門立柱的焊接變形，保證側(cè)墻平面度及輪廓度是一大工藝難點。

2 原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)原因

該側(cè)墻門立柱為不銹鋼U形開口型材(見圖1)，通過輥彎工藝成型，此結(jié)構(gòu)有利于門立柱和墻板電阻點焊的實施，可減少弧焊結(jié)構(gòu)，降低焊接變形。但由于開口結(jié)構(gòu)型材強(qiáng)度分布不均，剛性較弱，焊接過程容易變形。門立柱與側(cè)墻橫梁焊縫相對集中且分布不對稱更加劇了門立柱的焊接變形。焊后門立柱U形內(nèi)側(cè)邊圓弧縮小，外側(cè)邊圓弧不變，外觀呈現(xiàn)錐型狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 門立柱斷面結(jié)構(gòu)圖2 門立柱焊接變形示意圖

2.2 材質(zhì)原因

出口馬來西亞的不銹鋼車體側(cè)墻門立柱的材質(zhì)為X2CrNiN18-7+C850,屬于奧氏體不銹鋼，具備優(yōu)異的韌塑性及良好的焊接性能，但其線膨脹系數(shù)大(同比碳鋼約大40%，比鐵素體不銹鋼大30%)，并且會隨著溫度的升高而相應(yīng)提高(見圖3)。故在同等熱輸入量下，奧氏體不銹鋼相對碳鋼或其他不銹鋼變形量更大。

圖3 不銹鋼線膨脹系數(shù)曲線

2.3 焊接工藝原因

門立柱與橫梁采用MAG焊焊接，焊接順序為由側(cè)墻上部向下部逐根焊接(見圖4)。焊接過程未形成框架，整體強(qiáng)度低，剛性弱，每根橫梁對應(yīng)部位都會產(chǎn)生焊接變形，焊后整體門立柱變形較大。

門立柱與橫梁焊接過程中所使用的焊接電流較大(PG位置約130 A，PA位置約100 A)，焊接速度偏慢，致熱輸入量較大，高溫停留時間較長，故焊后門立柱變形大。

圖4 側(cè)墻骨架焊接順序

3 改善措施

3.1 焊接反變形

焊接反變形法是指在焊前對工件或者工裝預(yù)置反方向的變形量以補(bǔ)償焊接變形的方法，不僅可以控制焊接變形還可以避免焊接應(yīng)力集中，很大程度上簡化了不銹鋼側(cè)墻的制造工藝。反變形工藝方案如下：在側(cè)墻橫梁與門立柱焊接前先進(jìn)行點固，然后在門立柱中部內(nèi)側(cè)圓弧根部及兩端部外側(cè)圓弧根部各墊4 mm厚墊板，使用F鉗將門立柱兩端內(nèi)側(cè)邊與工裝把緊，確保門立柱U形內(nèi)側(cè)圓弧處于拉伸狀態(tài)(圖中虛線所示)，焊后輪廓度、平面度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖5所示。

圖5 門立柱反變形示意圖

3.2 剛性約束

剛性約束法是目前應(yīng)用最廣的工藝方法之一，其操作簡單，效果顯著，但由于采用外力強(qiáng)行制約焊接變形，故焊后會存在較大的內(nèi)應(yīng)力，可通過錘擊、退火、噴丸等方法釋放應(yīng)力。出口馬來西亞的不銹鋼車體門立柱剛性約束主要是通過在原工裝上增加3副門立柱垂向壓緊機(jī)構(gòu)，焊接過程中分別壓緊門立柱的圓弧中部及上下口，保證門立柱與工裝貼緊，制約焊接過程中門立柱內(nèi)側(cè)立邊的焊接收縮，焊后待焊縫完全冷卻使用木錘敲擊焊縫處釋放應(yīng)力。

3.3 改善焊接工藝

通過對變形的模擬仿真和工藝試驗的驗證，對焊接順序及焊接參數(shù)做了相關(guān)調(diào)整：(1)焊接過程中先焊側(cè)墻上、下口2根橫梁與門立柱連接的立焊縫再焊中部橫梁與門立柱連接的立焊縫，待所有立焊縫完全冷卻后焊接所有橫焊縫(見圖6)；(2)適當(dāng)減小焊接電流(PG位置為115 A，PA位置約85 A)，提高焊接速度，降低線能量，減少焊接變形。通過數(shù)值模擬，經(jīng)改善后的焊接工藝所得模型結(jié)構(gòu)與實際產(chǎn)品相當(dāng)，焊接變形得到很大改善(見圖7)。

圖6 改善后側(cè)墻焊接順序

圖7 門立柱焊接變形數(shù)值模擬

實施以上3種工藝方法后，焊接變形得到了有效控制，平面度、輪廓度也得到顯著改善，現(xiàn)場實測平面度最大為2 mm，輪廓度最大為2.5 mm，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖8、圖9所示。

圖8 工藝調(diào)整前側(cè)墻平面度圖9 工藝調(diào)整后側(cè)墻平面度

4 結(jié)論

通過對不銹鋼車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)及側(cè)墻骨架組焊過程進(jìn)行研究分析，明確焊接變形的原因，提出改善措施，后期通過預(yù)設(shè)反變形、優(yōu)化工藝參數(shù)、增加剛性約束以及改善焊接順序等工藝手段減小了門立柱焊接變形，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 □

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)05-0046-02

2015-11-25

彭 劍(1986-)，男，本科學(xué)歷，工程師，從事鋁合金及不銹鋼軌道車輛車體組焊工藝工作。

TG404

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