HXD3C型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接工藝難點(diǎn)解析

謝志勇

（中國(guó)中車天津電力機(jī)車有限公司，天津 300452）

HXD3C型機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接工藝難點(diǎn)解析

謝志勇

（中國(guó)中車天津電力機(jī)車有限公司，天津 300452）

本文針對(duì)HXD3C型大功率機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形控制和影響構(gòu)架疲勞強(qiáng)度主要焊縫的焊接質(zhì)量控制的兩大焊接工藝難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)解析，以期為HXD3C型大功率電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造工藝和質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)和提高提供技術(shù)參考。

轉(zhuǎn)向架 構(gòu)架 焊接變形 疲勞強(qiáng)度

引言

HXD3C型大功率電力機(jī)車是HXD3型和HXD3B型電力機(jī)車的改進(jìn)型。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為電力機(jī)車的關(guān)鍵部件，在機(jī)車行駛過(guò)程中起著承接各個(gè)機(jī)車部件和承受機(jī)車靜載和運(yùn)行過(guò)程中劇烈振動(dòng)產(chǎn)生的交變載荷的作用，其制造質(zhì)量直接影響機(jī)車運(yùn)行的安全。

1 HXD3C型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

HXD3C型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為目字型結(jié)構(gòu)，外形最大尺寸為6738mm×2710mm×1129mm，由側(cè)梁（一）、側(cè)梁（二）、牽引梁、橫梁、前端梁、后端梁及各附件組成（見圖1）。

圖1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)示意圖

2 HXD3C型構(gòu)架的主要焊接工藝難點(diǎn)

HXD3C型構(gòu)架選用材料Q345E優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼板，板材厚度較厚，下蓋板板厚30mm，上蓋板和立板板厚20mm。構(gòu)架制造過(guò)程中焊接量很大，共分布有40條全焊透對(duì)接焊縫、24條累計(jì)總長(zhǎng)約80m的全焊透T型接頭角焊縫以及各類連接角焊縫。制造過(guò)程中能否有效控制焊接造成的變形，是構(gòu)架焊接的主要工藝難點(diǎn)。

3 HXD3C型構(gòu)架焊接變形控制工藝解析

構(gòu)架的焊接變形主要表現(xiàn)為構(gòu)架橫向和縱向的焊接收縮變形和構(gòu)架整體的焊接撓曲變形。在構(gòu)架制造過(guò)程中，要始終以構(gòu)架下蓋板為工裝定位、尺寸劃線、質(zhì)量檢驗(yàn)的基準(zhǔn)面。這樣才能確保構(gòu)架制造和檢驗(yàn)基準(zhǔn)的一致，并通過(guò)有效的工藝手段實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)架焊接變形的控制。

3.1 構(gòu)架的橫向和縱向焊接變形控制工藝

在構(gòu)架制造過(guò)程中，為達(dá)到構(gòu)架的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸要求，需要在制造過(guò)程中控制構(gòu)架的橫向和縱向的焊接收縮變形。通過(guò)在構(gòu)架各梁板料下料前進(jìn)行焊接工藝補(bǔ)償放量和在構(gòu)架整體組焊時(shí)進(jìn)行裝配尺寸的焊接工藝補(bǔ)償放量，從而有效控制焊接變形對(duì)構(gòu)架尺寸的影響。

3.1.1 構(gòu)架各梁體的焊接工藝補(bǔ)償放量

制造過(guò)程中，對(duì)構(gòu)架各梁體的焊接工藝補(bǔ)償放量通過(guò)各梁板料備料時(shí)增加下料尺寸實(shí)現(xiàn)。根據(jù)各梁體焊接量大小和梁體長(zhǎng)度，縱向的側(cè)梁按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)1.5‰進(jìn)行焊接工藝補(bǔ)償放量，其余各橫向梁按1‰進(jìn)行焊接工藝補(bǔ)償放量。焊后各梁經(jīng)調(diào)直后的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)采集顯示，各橫向梁實(shí)際焊接收縮量與焊接工藝補(bǔ)償放量吻合，縱向的側(cè)梁實(shí)際收縮量6.5mm，比8mm的焊接工藝補(bǔ)償放量少收縮了1.5mm。由于側(cè)梁焊后兩端還需經(jīng)機(jī)加工坡口后才能得到成型尺寸，超出1.5mm的放量誤差并不影響側(cè)梁焊后成型尺寸?？紤]到各側(cè)梁梁體調(diào)直情況的差異，在后續(xù)構(gòu)架生產(chǎn)中，側(cè)梁仍按1.5‰進(jìn)行焊接工藝補(bǔ)償放量。

3.1.2 構(gòu)架整體的焊接工藝補(bǔ)償放量

構(gòu)架整體的焊接工藝補(bǔ)償放量是通過(guò)在構(gòu)架整體組焊時(shí)增加構(gòu)架縱向和橫向裝配尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于產(chǎn)生構(gòu)架整體縱向焊接收縮變形的焊縫主要是構(gòu)架組焊時(shí)的橫向?qū)雍缚p，根據(jù)橫向?qū)雍缚p焊接量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，在構(gòu)架長(zhǎng)度方向裝配尺寸增加5mm的焊接工藝補(bǔ)償放量。由于產(chǎn)生構(gòu)架整體橫向焊接收縮變形的焊縫，主要是構(gòu)架組焊時(shí)的縱向?qū)雍缚p，根據(jù)縱向?qū)雍缚p焊接量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，在構(gòu)架寬度方向裝配尺寸增加3mm的焊接工藝補(bǔ)償放量。焊后對(duì)構(gòu)架縱向和橫向關(guān)鍵尺寸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集顯示，與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸吻合。

3.1.3 構(gòu)架整體組焊時(shí)對(duì)接焊縫焊接順序

HXD3C型構(gòu)架整體組焊時(shí)對(duì)接焊縫共有36條，主要產(chǎn)生構(gòu)架的橫向和縱向的焊接收縮變形。由于構(gòu)架焊后需要進(jìn)行焊后消除應(yīng)力退火，為減少構(gòu)架退火后因焊接殘余應(yīng)力被釋放產(chǎn)生的變形，在制定構(gòu)架焊接順序時(shí)，要盡量讓產(chǎn)生焊接收縮量較大的焊縫能夠在較少的結(jié)構(gòu)拘束條件下焊接，以減少結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。為此，構(gòu)架整體組焊時(shí)的焊接順序應(yīng)按照先焊接立板對(duì)接焊縫，后焊接蓋板對(duì)接焊縫；先焊接縱向?qū)雍缚p，后焊接橫向?qū)雍缚p的原則設(shè)定。經(jīng)構(gòu)架的生產(chǎn)驗(yàn)證，取得了良好的構(gòu)架橫向和縱向焊接變形控制效果。

3.2 構(gòu)架的焊接撓曲變形控制工藝解析

3.2.1 構(gòu)架各梁體的焊接撓曲變形控制工藝

構(gòu)架各梁體裝配的準(zhǔn)確性，將直接影響對(duì)梁體焊接撓曲變形的控制。由于各個(gè)梁體制造過(guò)程中都采用了有定位和加緊裝置的裝配工裝，工裝上加緊裝置的工作狀態(tài)對(duì)梁體裝配尺寸和形位公差的檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。各梁體裝配尺寸和形位公差的測(cè)量，應(yīng)該在工裝上所有加緊裝置和梁體裝配定位點(diǎn)焊完全一致的工況下測(cè)量才有效。這是控制好梁體焊接撓曲變形的第一步，也是關(guān)鍵一步。

由于構(gòu)架的焊接撓曲變形無(wú)法完全避免，稍微的整體上撓對(duì)構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有益。在安排構(gòu)架各梁體焊縫的焊接順序時(shí)，要有意識(shí)地先從下蓋板和立板焊接的T型角焊縫焊起。這樣有益于梁體形成背向下蓋板的上撓，也有利于構(gòu)架的整體上撓。

在焊接長(zhǎng)度較長(zhǎng)的側(cè)梁（一）和側(cè)梁（二）時(shí)，兩個(gè)梁體要采用同樣的焊接順序，使焊接撓曲變形方向一致。如果需要對(duì)側(cè)梁進(jìn)行二次調(diào)梁，梁體調(diào)直后也要保證兩側(cè)梁的撓度方向一致，以形成背向下蓋板的上撓。

經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證，按以上工藝控制構(gòu)架前端梁、后端梁、中間橫梁、牽引梁四個(gè)較短梁體，焊后撓曲變形基本控制在質(zhì)量范圍內(nèi)，不需要進(jìn)行二次調(diào)梁。較長(zhǎng)梁體側(cè)梁的焊接撓曲變形基本控制在1～5mm一個(gè)較小的范圍內(nèi)。對(duì)撓曲變形超出質(zhì)量范圍的側(cè)梁梁體，則可采用油壓機(jī)機(jī)械矯形的方法進(jìn)行二次調(diào)梁，直到調(diào)直梁體。

3.2.2 構(gòu)架整體的焊接撓曲變形控制工藝

構(gòu)架整體組焊時(shí)，各梁接口處立板與上、下蓋板焊接的T型角接焊縫和構(gòu)架整體組焊時(shí)與各附件焊接的角接焊縫，是產(chǎn)生構(gòu)架焊接撓曲變形的主要因素。焊接過(guò)程中，采用沿構(gòu)架的縱向方向由兩名焊工同時(shí)對(duì)稱施焊的方法，并設(shè)定合理的焊接順序，平衡好構(gòu)架上、下面角接焊縫引起的焊接變形，以有效控制構(gòu)架整體的焊接撓曲變形。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，構(gòu)架焊后和消除應(yīng)力退火后，整體尺寸和四角高度差均符合質(zhì)量要求，撓度上撓。

4 影響HXD3C型構(gòu)架疲勞強(qiáng)度的主要焊縫焊接工藝難點(diǎn)

4.1 構(gòu)架蓋板與立板焊接的T型角接焊縫的焊接

根據(jù)構(gòu)架有限元分析，構(gòu)架焊縫疲勞強(qiáng)度最危險(xiǎn)位置位于側(cè)梁下蓋板（30mm厚）與外部立板（20mm厚）焊接的T型角接焊縫上。為保證該焊縫的焊接質(zhì)量同時(shí)兼顧焊接效率，采用CLOOS焊接機(jī)器人單絲焊加雙絲焊的混合焊接工藝焊接。焊縫共5層焊道，1、2層焊道采用單絲焊，3、4、5層焊道采用雙絲焊。通過(guò)產(chǎn)前工作試件試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人焊接的主要焊縫缺陷為層間未熔合。為消除焊縫層間未熔合缺陷，改進(jìn)工藝后，確定將CLOOS焊接機(jī)器人各層的焊接位置設(shè)置，如圖2所示。通過(guò)多次驗(yàn)證此焊接位置的工作試件，結(jié)果顯示焊縫均未再出現(xiàn)層間未熔合焊接缺陷，從而確保了焊縫的焊接質(zhì)量。

4.2 后端梁、橫梁的下蓋板與電機(jī)吊座焊接的X型坡口對(duì)接焊縫

根據(jù)HXD3C型構(gòu)架檢修數(shù)據(jù)采集，構(gòu)架后端梁和橫梁的下蓋板與電機(jī)吊座焊接的4條X型對(duì)接焊縫最容易發(fā)生疲勞失效（焊縫位置見圖3）。因此，保證該四條焊縫的焊接質(zhì)量，對(duì)保證構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度非常重要。

圖2 Cloos焊接機(jī)器人焊縫各層之間的焊接位置示意圖

X型坡口對(duì)接焊縫的疲勞失效，主要是由處于焊縫中間部位的焊縫根部缺陷擴(kuò)展成裂紋造成的。如果在焊接過(guò)程中X型坡口對(duì)接焊縫根部清根不徹底，將會(huì)很容易產(chǎn)生根部焊接缺陷。在受動(dòng)載的構(gòu)架結(jié)構(gòu)中，這種缺陷演變成裂紋后，會(huì)由焊縫中部向焊縫上、下表面擴(kuò)展，造成接頭疲勞失效的速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于構(gòu)架上其他接頭型式的對(duì)接焊縫。

為保證這4條X型對(duì)接焊縫的焊接質(zhì)量，必須在雙面焊時(shí)對(duì)焊縫根部清根徹底。必要時(shí)，可使用碳弧氣刨深度清根，再用砂輪手動(dòng)打磨出金屬光澤后焊接。焊后要對(duì)X型坡口焊縫進(jìn)行RT正反雙面的探傷檢查，以確保焊縫質(zhì)量。

圖3 X型坡口對(duì)接焊縫位置圖

5 結(jié)束語(yǔ)

HXD3C型大功率機(jī)車轉(zhuǎn)向架的使用實(shí)踐證明，只有控制好構(gòu)架的整體焊接質(zhì)量，才能控制好轉(zhuǎn)向架的制造質(zhì)量，才能確保轉(zhuǎn)向架的使用安全和使用壽命。

[1]俞尚知.焊接工藝人員手冊(cè)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991.

Analysis on Welding Process of HXD3C Locom otive Bogie Frame

XIE Zhiyong
(Chinese Zhongche Tianjin Electric Locomotive Co. Ltd, Tianjin 300452)

This paper for hxd3c type high power locomotive steering frame welding deformation control and influence the fatigue strength of the bogie main weld welding quality control of two welding process difficulty were analyzed, in order to hxd3c high-power electric locomotive steering frame manufacturing process and quality continued to improve and enhance the technical reference.

bogie frame, frame, welding deformation, fatigue strength