箱型梁低成本復合焊接工藝

賈羅云，程洪建，張志昌

（中車眉山車輛有限公司工藝技術(shù)部，四川眉山620032）

箱型梁低成本復合焊接工藝

賈羅云，程洪建，張志昌

（中車眉山車輛有限公司工藝技術(shù)部，四川眉山620032）

箱型結(jié)構(gòu)梁具有較好的載荷承受能力，在鐵路貨車中梁的設(shè)計中應(yīng)用較為普遍。通常情況下為滿足應(yīng)力等級要求，箱型梁下蓋板與腹板焊縫采用雙面角焊縫。通過對該位置焊縫采用氣體保護焊、埋弧焊或兩者復合焊接模擬試驗，綜合對比研究試驗結(jié)果后得出不同焊接結(jié)構(gòu)下成本最低、質(zhì)量更優(yōu)的焊接方式。關(guān)鍵詞：箱型梁；低成本；氣體保護焊；埋弧焊；復合焊接

0 前言

近年來高速重載鐵路貨車強勢發(fā)展，越來越多的貨車中梁鋼結(jié)構(gòu)采用箱型結(jié)構(gòu)，由于載重噸位較高，箱型梁受力復雜，焊縫質(zhì)量等級要求高。如何利用現(xiàn)有氣體保護焊、埋弧焊等常用焊接方法來完成高質(zhì)量的焊接作業(yè)是目前焊接工藝人員面臨的難題。

1 某出口車型實例

1.1 箱型梁結(jié)構(gòu)示意

該箱型梁結(jié)構(gòu)示意如圖1、圖2所示，該箱型結(jié)構(gòu)由4塊上蓋板、3塊下蓋板以及若干腹板拼接而成。

此焊接結(jié)構(gòu)焊縫較多，包括中厚板材的縱向拼接、腹板與蓋板的長直T型接頭焊縫等。焊縫質(zhì)量要求普遍較高，涉及到超聲波無損檢測（UT）和磁粉無損檢測（MT）。其中部分較長的T型接頭焊縫要求通過超聲波無損檢測Ⅱ級質(zhì)量要求。

圖1 某車型箱型梁結(jié)構(gòu)Fig.1 Box girder structure

圖2 某車型箱型梁結(jié)構(gòu)Fig.2 Box girder structure

1.2 焊接工藝方案

結(jié)合前期生產(chǎn)箱型梁的經(jīng)驗、公司現(xiàn)有的焊接裝備以及生產(chǎn)現(xiàn)場的平面布局，擬通過MAG+SAW復合焊接方法來完成。

1.2.1 坡口形式選擇

為找到最優(yōu)坡口形式，特進行了以下對比試驗。試驗均采用氣體保護焊和埋弧焊結(jié)合進行焊接，牽引梁腹板按照以下三種情況下料，然后與規(guī)格為2 000 mm×300 mm×12 mm的試板組成T型接頭，如圖3所示。

圖3 坡口形式及焊縫形式示意[2]Fig.3 Groove type an Joint design

（1）腹板按照圖3a加工坡口后與下蓋板組成T型接頭，C7側(cè)采用氣體保護焊，C5側(cè)采用埋弧焊焊接（見圖4a），焊接規(guī)范如表1所示。

表1 焊接規(guī)范Table 1 Welding details

焊后24 h超聲波檢測結(jié)果：通長焊縫無缺陷，達到全熔透要求。長度方向焊接收縮2 mm。

（2）腹板按照圖3b加工坡口后與下蓋板組成T型接頭，坡口側(cè)采用氣體保護焊打底蓋面多道焊接，另一側(cè)采用埋弧焊焊接（見圖4b），焊接規(guī)范如表2所示。

表2 焊接規(guī)范Table 2 Welding details

焊后24 h超聲波檢測結(jié)果：焊縫局部存在微小氣孔，達到Ⅱ級超聲波探傷要求，滿足GB/T 11345Ⅱ級質(zhì)量要求[3]。

氣孔產(chǎn)生原因：氣保焊多道焊焊接坡口側(cè)時，層與層之間存在較短缺陷。

（3）腹板按照圖3c加工坡口后與下蓋板組成T型接頭，坡口側(cè)采用氣體保護焊打底蓋面多道焊接，另一側(cè)采用埋弧焊焊接（見圖4c），焊接規(guī)范如表3所示。

表3 焊接規(guī)范Table 3 Welding details

焊后24h超聲波檢測結(jié)果：焊縫大面積未熔合，未達到圖紙要求的Ⅱ級超聲波探傷要求。

缺陷產(chǎn)生原因：坡口7 mm鈍邊過大，對于角接焊縫，埋弧焊靠腹板側(cè)的熔深未達到5 mm，造成局部未熔透。長度方向焊接收縮2 mm。

1.2.2 工作效率對比

由上述試驗可知，牽引梁腹板按照圖3a、圖3b加工后，進行組焊均能達到Ⅱ級超聲波探傷要求。為保證批量生產(chǎn)日產(chǎn)量，計算兩種焊接接頭形式所需的工作時間如表4所示（以焊縫長度3 500 mm計算）。

1.2.3 成本對比

填充金屬質(zhì)量和焊縫截面積成正比，通過計算可以看出三種不同坡口形式所需的填充金屬質(zhì)量從大到小分別是圖3b、圖3a、圖3c，即所消耗焊材成本為圖3c＜圖3a＜圖3b。

焊縫返修量和復探次數(shù)與缺陷數(shù)量成正比，根據(jù)以上焊接試驗，焊縫返修成本為圖3a＜圖3b＜圖3c。

圖4 焊縫示意Fig.4 Joint design

表4 工作時間對比Table 4 Working time comparison

坡口加工成本和切削量成正比，即圖3c＜圖3a＜圖3b。

在生產(chǎn)中返修所增加的人工和材料成本所占比重最大，綜合考慮生產(chǎn)成本圖3a＜圖3b＜圖3c，即圖3a所示結(jié)構(gòu)成本最低。

1.2.4 坡口形式確定

根據(jù)焊接質(zhì)量、工作效率及成本對比，選定雙面坡口（無鈍邊）的復合焊接更適合該箱型梁的生產(chǎn)。

1.3 最優(yōu)焊接參數(shù)確定

1.3.1 參數(shù)優(yōu)化

為控制焊接變形，降低埋弧焊熱輸入，再次進行焊接試驗優(yōu)化焊接參數(shù)，試驗件坡口形式如圖5所示。

圖5 坡口形式Fig.5 Groove type

上下兩道焊縫分別采用不同的焊接工藝，通過探傷試驗對比焊接質(zhì)量。

（1）焊接工藝一。

焊縫示意如圖6所示，焊接規(guī)范見表5。

圖6 焊縫示意Fig.6 Joint design

表5 焊接規(guī)范Table 5 Welding details

探傷結(jié)果：未達到Ⅱ級超聲波探傷要求，根部未熔合。圖7為宏觀金相照片，根部2 mm未熔合。

（2）焊接工藝二。

焊接示意如圖8所示，焊接規(guī)范見表6。

探傷結(jié)果：達到Ⅱ級超聲波探傷要求，根部熔合良好。圖9為宏觀金相照片，根部熔合良好。

（3）硬度測試結(jié)果如表7所示[4]。

硬度無突變，過渡均勻，滿足ISO15614-1相關(guān)要求[5]。

1.3.2 結(jié)論

圖7 宏觀金相Fig.7 Macroscopic metallographic

圖8 焊縫示意Fig.8 Joint design

表6 焊接規(guī)范Table 6 Welding details

根據(jù)試驗分析結(jié)果及效率分析，推薦采用牽引梁腹板加工V型坡口，內(nèi)側(cè)C7，外側(cè)C5。

C7側(cè)采用氣體保護焊，采用兩道焊焊接，C5側(cè)采用埋弧焊焊接。焊接規(guī)范見表8。

反面采用碳弧氣刨清根。焊前增加引弧板和熄弧板，尺寸10 mm×80 mm×100 mm，坡口與工件坡口一致。長度方向焊接收縮量約為1 mm/m，建議留4 mm余量。角變形約為1.5 mm。

2 結(jié)論

通過上述復合焊接工藝，有效解決了該出口車型的箱型中梁在焊接質(zhì)量控制中的難題。在確保焊接質(zhì)量的同時提高了焊接效率，控制了焊接變形，為其他車型箱型梁結(jié)構(gòu)的焊接提供了技術(shù)借鑒。

圖9 宏觀金相Fig.9 Macroscopic metallographic

表7 硬度測量值Table 7 Hardness measurement

表8 焊接規(guī)范Table 8 Welding details

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊——第1章焊接方法概述[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]EN15085-3-2007，軌道應(yīng)用——軌道車輛及其部件焊接——第三部分：設(shè)計要求[S].

[3]GB/T 11345-2013，焊縫無損檢測超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定[S].

[4]EN 1043-1，金屬材料的破壞性試驗——硬度試驗——第一部分：弧焊接頭的硬度試驗[S].

[5]ISO 15614-1-2004，金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定——焊接工藝評定試驗——第一部分：鋼的弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的弧焊[S].

Low cost hybrid welding process of the box girder

JIA Luoyun，CHENG Hongjian，ZHANG Zhichang
（CRRC MEISHAN CO.，LTD.，Process Technology Department，Meishan 620032，China）

Box girder has good load bearing capacity and widely be used in railway wagon beam design.Typically，in order to meet the stress level requirements，used double-sided fillet welding to make web plates and cover plate of box girders together.Carried out several simulating experiments on this location(MAG，SAW or both hybrid welding).After comprehensive comparison of test results，obtained the welding process which got lowest cost and better quality.

box girder；low cost；MAG；SAW；hybrid welding

TG457.2

B

1001－2303（2017）05－0133-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.29

2017-02-21；

2017-03-27

賈羅云（1984—），男，工程師，學士，主要從事鐵路貨車焊接技術(shù)工藝研究。E-mail：22332913@qq.com。

本文參考文獻引用格式：賈羅云，程洪建，張志昌.箱型梁低成本復合焊接工藝[J].電焊機，2017，47（05）：133-136.