JW4G作業(yè)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形控制技術(shù)分析

畢紅雪 王二輝 丁磊 孫立國

摘要： 通過對JW4G轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及側(cè)梁組焊工藝進行分析，重點，介紹了焊接變形的種類及產(chǎn)生原因。通過對不同焊接結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生的焊接變形種類進行分析，分別運用合理的下料工藝、焊接工藝及適用的工藝裝備，較好地控制了構(gòu)架的焊接變形，降低了勞動強度、提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞： JW4G轉(zhuǎn)向架； 焊接變形；焊接工藝

中圖分類號： TG404

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架簡介轉(zhuǎn)向架作為機車車輛的主要部件，對行車安全起著至關(guān)重要的作用，構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的重要承載和傳力構(gòu)件，不僅要承載車體、電機及各種零部件，還要傳遞車體與輪對之間的各種橫向、縱向及垂向力[1]。JW4G型接觸網(wǎng)作業(yè)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由兩個側(cè)梁、一個橫梁、兩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。

2 構(gòu)架焊接性

2.1 焊接性概念

金屬焊接性是指金屬是否能適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具有一定使用性能的焊接接頭的特性。理論上來講，只要在熔化狀態(tài)下能夠形成液態(tài)的任意兩種金屬或合金都可以經(jīng)過熔焊形成接頭。但工藝的復(fù)雜程度不同，所形成的接頭有的質(zhì)量及性能也有差異。所以，金屬焊接工藝過程簡單而接頭質(zhì)量高、性能好時就稱作焊接性好；反之，就稱作焊接性差。

2.2 焊接性分析

由于鋼的化學(xué)成分對焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向有直接影響，因此可以用化學(xué)成分來分析其冷裂敏感性。在各種元素中，碳是對冷裂紋敏感性最顯著的一種，因而將各種元素都按相當(dāng)于若干含碳量折合并疊加，求得碳當(dāng)量，用CE或Ceq來估計冷裂傾向的大小。國際焊接學(xué)會采用CE=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5。此式適用于中高強度的非調(diào)質(zhì)低合金高強鋼。CE≤0.45%時，焊接厚度25 mm的鋼板可以不預(yù)熱，焊接性較好[2]。

JW4G構(gòu)架主要采用厚度在8～14 mm的Q345B型鋼板，屬于低合金鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

根據(jù)上述公式，可以求得Q345B低合金鋼的碳當(dāng)量CE≤0.43%，產(chǎn)生冷裂紋的傾向較小，焊前不需要預(yù)熱。

3 焊接變形

3.1 焊接變形的分類及產(chǎn)生原因

3.1.1 縱向及橫向收縮

由于電弧焊是對金屬的局部進行加熱，造成焊件上溫度的不均勻分布，在電弧下的金屬溫度達到了熔化溫度，離開電弧處的金屬溫度急劇下降，而遠離電弧的金屬還未加熱。不均勻的溫度場造成焊件的焊接變形及應(yīng)力的產(chǎn)生。

3.1.2 角變形

角變形主要是因為焊縫橫截面形狀上下不對稱，從而使焊縫橫截面上下焊接收縮量不一致而產(chǎn)生的。

3.1.3 彎曲變形

彎曲變形主要是由于縱向變形、橫向變形及角變形綜合引起的。焊縫在結(jié)構(gòu)上的布置不對稱、各方向的收縮量不均勻也會造成彎曲變形。

3.1.4 波浪變形

主要出現(xiàn)在薄板焊接結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生的原因主要是由于焊縫的縱向縮短對薄板邊緣造成的壓應(yīng)力或橫向縮短造成的角變形。

3.1.5 扭曲變形

產(chǎn)生的原因可能是裝配質(zhì)量不好、工件擱置不當(dāng)以及焊接順序和焊接方向不合理。

3.2 控制焊接變形常用措施

（1）減小焊縫截面積 ，在得到完整、無超標缺陷焊縫的前提下 ，盡可能采用較小的坡口尺寸（角度和間隙）。（2）對屈服強度在345 MPa以下 ，淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入 ，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)熱、層間溫度；優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法 ，如 CO2氣體保護焊。（3）厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。（4）采用焊前反變形方法控制焊后的角變形。（5）采用剛性夾具固定法控制焊后變形。（6）采用構(gòu)件預(yù)留長度法補償焊縫縱向收縮變形。（7）在焊縫眾多的構(gòu)件組焊時或結(jié)構(gòu)安裝時，要采取合理的焊接順序[3-4]。

4 側(cè)梁及構(gòu)架組焊工藝

JW4G構(gòu)架由側(cè)梁、橫梁及端梁組成的“日”字形框架（如圖1所示），而側(cè)梁（如圖2所示）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。

4.1 側(cè)梁組焊工藝

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。

4.1.1 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行同步焊接工藝放量，放量尺度為側(cè)梁全長的0.15%～0.2%，共放量6 mm。

4.1.2 合理的焊接順序

側(cè)梁內(nèi)部焊縫的焊接在變位機上進行，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行施焊（如圖3所示）；隔板與立板焊接時，由兩名焊工分別從中間向兩邊進行施焊（如圖4所示），這種焊接方法可以有效的減少側(cè)梁的焊接變形。

4.1.3 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，設(shè)計了側(cè)梁組焊工裝（如圖5所示）。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行焊接，減少側(cè)梁因焊接產(chǎn)生的變形。

4.1.4 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氣體保護焊的焊接方法；由于母材均為8～14 mm的中薄板，故焊前不需要進行預(yù)熱處理。

4.1.5 機械校正

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下進行機械校正，以保證側(cè)梁滿足圖紙技術(shù)要求。

4.2 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。為了控制焊接變形，采取了如下工藝措施：

4.2.1 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)梁與橫梁采用八條開坡口的對接焊縫以及四條角焊縫的焊接結(jié)構(gòu)，焊接量較大且橫向收縮變形較嚴重，故在構(gòu)架組對時預(yù)留了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。4.2.2 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)，然后上焊接變位機裝卡，將焊縫翻轉(zhuǎn)至平焊或平角焊位置對剩余焊縫進行蓋面焊。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→變位機裝卡→蓋面焊。因構(gòu)架為對稱焊接結(jié)構(gòu)，故在進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。

4.2.3 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)計了構(gòu)架組焊工裝（如圖6所示）。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行焊接，減少構(gòu)架因焊接產(chǎn)生的變形。

4.2.4 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氣體保護焊的焊接方法，且焊前不需要進行預(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。

4.2.5 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)梁變形進行的機械校正，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了承載結(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，為了消除結(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。

5 結(jié)論

通過采用預(yù)留長度法、剛性固定法、減小熱輸入量法、機械校正法等工藝措施，有效的控制了焊接變形，同時通過熱處理手段消除了內(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。雖然采取了種種的工藝措施來盡可能的控制焊接變形，但是我們還應(yīng)該清醒的認識到：焊接作為一個特殊工序，有焊接存在的地方就有焊接變形，它可能減小但不可能完全消除，這也為進一步優(yōu)化焊接工藝提供了方向和可能性。

參考文獻

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