板梁結(jié)構(gòu)鋁合金端墻焊接變形研究

葛少平，趙麗玲，王陸釗，趙嵩巖，張忠海

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市人口迅速增長(zhǎng)，城市的交通壓力也隨之增加，軌道交通因其高效性、便捷性、可達(dá)性成為緩解交通壓力的首選方案。高速、輕量化是軌道交通裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]，鋁合金密度小、比強(qiáng)度高、力學(xué)性能和工藝特性好，廣泛應(yīng)用于中強(qiáng)鋁合金在軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體生產(chǎn)中[2]。

鋁合金車(chē)體由底架、側(cè)墻、車(chē)頂和端墻四部分組成，其中底架、側(cè)墻、車(chē)頂由長(zhǎng)大中空鋁型材組焊而成，端墻則采用板梁結(jié)構(gòu)。焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)制造過(guò)程中最常見(jiàn)的問(wèn)題之一，鋁合金的線(xiàn)膨脹系數(shù)越大，其結(jié)構(gòu)焊接變形控制難度也隨之增大[3]，部件焊接過(guò)程中針對(duì)其變形特點(diǎn)采取相應(yīng)的工藝措施，能最大程度上減少焊接變形、保證部件的質(zhì)量[4]。

1 端墻結(jié)構(gòu)

端墻為板梁結(jié)構(gòu)，由端墻板、上橫梁、門(mén)立柱、補(bǔ)強(qiáng)梁四部分組成，如圖1所示。端墻的設(shè)計(jì)將所有焊縫集中在同一側(cè)，這導(dǎo)致焊接變形在同一方向，無(wú)法抵消。為減小熱輸入，角焊縫均設(shè)計(jì)為段焊，起弧、收弧的位置較多，端墻組成的連接焊縫多為V型焊縫和角焊縫，在端墻組成的焊接過(guò)程中會(huì)有不同程度的焊接變形，無(wú)法保證角焊縫的焊前間隙。在這種情況下，角焊縫的起弧、收弧位置出現(xiàn)焊接缺陷的概率增大，焊接缺陷需返修處理，返修產(chǎn)生的收縮變形會(huì)對(duì)端墻平面度產(chǎn)生不利影響。因此，平面度的控制是端墻組成的工藝難點(diǎn)，選擇合理的組焊順序、良好的裝配質(zhì)量、預(yù)制適量的反變形、合理的焊接順序是控制端墻焊接變形的關(guān)鍵。

2 端墻組成工藝

端墻采用先分塊、后整體組焊工藝，工藝流程如圖2所示，將端墻組成的焊接變形分散到各個(gè)小模塊上，由于單個(gè)模塊的焊接變形相對(duì)單一，焊后調(diào)修難度較小，可通過(guò)常規(guī)調(diào)修手段進(jìn)行矯正。同時(shí)避免了小模塊之間的相互約束導(dǎo)致端墻組成內(nèi)部焊接應(yīng)力過(guò)大，影響端墻的整體剛度。

圖1 端墻結(jié)構(gòu)

圖2 端墻工藝流程

2.1 端墻板組焊

端墻板由上端墻板和左右端墻板組焊而成，如圖3所示。端墻板正反兩面的焊縫均為V型焊縫，端墻板組焊時(shí)采用正面焊接反面清根，端墻板正反兩面進(jìn)行焊接，能有效抵消焊接變形，組焊時(shí)不需要預(yù)制反變形，對(duì)焊縫周邊區(qū)域進(jìn)行剛性的壓卡固定即可。裝配左右端墻板時(shí)，門(mén)口尺寸應(yīng)大于圖紙要求尺寸4～5 mm，以避免焊接收縮導(dǎo)致端門(mén)口尺寸小于圖紙要求尺寸，影響后續(xù)端墻組成的裝配。

為抵消端墻板組成正反兩面的焊接變形，端墻板組成兩側(cè)的焊接熱輸入應(yīng)相當(dāng)，端墻板組成的焊縫形式為正面7V、反面3V，端墻板正面焊縫完成后，反面需清根PT檢測(cè)后再焊接，反面要保證焊透而不焊穿。若反面未焊透或焊穿，反面焊縫清根過(guò)深或焊縫間隙大均會(huì)增加反面焊縫的填充量，焊接熱輸入增加，焊接收縮產(chǎn)生的焊接變形也隨之增加。為保證端墻板清根焊縫的焊接質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制端墻板裝配質(zhì)量，V型焊縫坡口角度嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求的70°加工、正面7V焊縫根部間隙0.5～1mm、鈍邊1 mm，以保證正面7V焊縫打底層焊透而不焊穿，反面焊縫的熱輸入量與正面焊縫相當(dāng)，有效控制端墻板組成的焊接變形。良好的裝配質(zhì)量、合理的焊接參數(shù)是端墻板組成生產(chǎn)過(guò)程中最為關(guān)鍵的部分。

圖3 端墻板組焊

2.2 門(mén)框組焊

門(mén)框由橫梁、左右立柱組焊而成。橫梁與左右立柱型材的壁厚較大、剛性大，焊接門(mén)框時(shí)在組焊平臺(tái)上剛性固定即可，無(wú)需預(yù)制反變形，裝配定位后進(jìn)行點(diǎn)固，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接。

2.3 端墻板與補(bǔ)強(qiáng)梁組焊

端墻板和門(mén)框單件組焊完成后，根據(jù)圖紙要求樣裝門(mén)框與端墻板，以確定端墻板補(bǔ)強(qiáng)梁的安裝位置，補(bǔ)強(qiáng)梁點(diǎn)固后撤掉門(mén)框，焊接補(bǔ)強(qiáng)梁，端墻板補(bǔ)強(qiáng)梁的焊接需剛性固定，預(yù)制一定的反變形，如圖4所示，采用對(duì)稱(chēng)施焊方法。

圖4 端墻板補(bǔ)強(qiáng)梁組焊

所有的橫梁均分布在端墻板的一側(cè)，焊前應(yīng)對(duì)端墻板做相應(yīng)的反變形來(lái)抵消由于單面焊接帶來(lái)的變形。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)中的總結(jié)，最終確定將反變形的支撐放在端墻板門(mén)口處最后一根橫梁以及端墻板的拼接焊縫處，反變形的支撐高度為100 mm。焊接完成后需恢復(fù)至室溫時(shí)才能撤掉反變形。

在端墻組成過(guò)程中，先焊接補(bǔ)強(qiáng)梁后組焊門(mén)框與端墻板是最關(guān)鍵的一步。門(mén)框組焊前，焊縫可自由收縮，釋放焊接應(yīng)力，提高端墻板剛度；焊接補(bǔ)強(qiáng)梁時(shí)通過(guò)預(yù)制反變形和調(diào)整焊接順序有效地防止角變形和波浪變形，降低調(diào)修難度，減少調(diào)修工作量。

2.4 端墻板與門(mén)框組焊

補(bǔ)強(qiáng)梁焊接完成后，將調(diào)修合格后的端墻板與門(mén)框進(jìn)行組焊，該過(guò)程要注意保證端墻板與門(mén)框之間角焊縫的焊前間隙，保證焊接質(zhì)量及焊后的門(mén)口尺寸，裝配時(shí)應(yīng)在門(mén)口處增加橫支撐，如圖5所示，將門(mén)口調(diào)到合適尺寸后壓緊壓卡進(jìn)行焊接。

圖5 端墻板與門(mén)框組焊

為了更好地保證角焊縫的焊前間隙滿(mǎn)足要求，避免因焊前間隙大導(dǎo)致角焊縫起、收弧位置產(chǎn)生焊接缺陷，需選擇合理的焊接順序。首先在胎下焊接補(bǔ)強(qiáng)梁與門(mén)框連接的橫向角焊縫，門(mén)框與端墻板的部分焊縫，如圖6所示，胎上焊接剩余門(mén)框與墻板角焊縫以及補(bǔ)強(qiáng)梁與門(mén)框的立焊。

圖6 胎下焊接橫焊縫

在端墻組成胎內(nèi)預(yù)制反變形后，焊接端墻板與門(mén)框的剩余焊縫、門(mén)框與補(bǔ)強(qiáng)梁連接的里面焊縫，預(yù)制反變形能有效地控制焊接變形。反變形是通過(guò)工裝的臺(tái)階落差對(duì)端墻進(jìn)行剛性固定產(chǎn)生的，如圖7所示，通過(guò)工裝壓卡剛性固定并預(yù)制適當(dāng)?shù)姆醋冃?，能有效地控制焊接變形?/p>

按上述工藝方案生產(chǎn)的端墻整體結(jié)構(gòu)尺寸符合圖紙要求，端墻組成采用先分件焊接，后整體組焊的工藝方法，使得各階段的焊接變形均在可調(diào)控范圍內(nèi)，有利于在單件組焊過(guò)程中控制焊接變形，單件組焊完成后焊接變形較小，便于調(diào)修矯正。

圖7 胎內(nèi)預(yù)制反變形

如果采用先組焊端墻板、門(mén)框，再組焊端墻板與門(mén)框，最后焊接端墻補(bǔ)強(qiáng)梁的焊接順序，由于門(mén)框組成的剛度過(guò)大，無(wú)法通過(guò)工藝手段施加反變形，在焊接補(bǔ)強(qiáng)梁時(shí)，焊縫均分布在端墻板一側(cè)，焊接收縮會(huì)導(dǎo)致端墻組成產(chǎn)生角變形和波浪變形，且焊縫的自由收縮會(huì)受到約束限制，端墻組成工件內(nèi)易存在較大的殘余應(yīng)力，影響端墻組成的整體剛度[5]，最終導(dǎo)致端墻組成焊接變形大、調(diào)修難度增加，變形嚴(yán)重時(shí)端墻的平面度無(wú)法通過(guò)調(diào)修手段矯正到圖紙要求范圍內(nèi)，直接影響后道工序的裝配和焊接。因此，合理的裝配組焊順序、焊接方法以及良好的裝配質(zhì)量是焊接結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要的部分。

3 結(jié)論

（1）端墻采用先分塊、后整體的組焊工藝。

（2）端墻板與補(bǔ)強(qiáng)梁?jiǎn)蚊婧附訒r(shí)應(yīng)預(yù)制反變形量，能夠有效地防止角變形和波浪變形，降低調(diào)修難度，減少調(diào)修工作量，這是控制板梁結(jié)構(gòu)端墻焊接變形最重要的手段。

（3）端墻板與門(mén)框焊接時(shí)要合理地安排支撐與壓卡位置，保證焊接質(zhì)量的同時(shí)防止局部變形。

（4）胎上組合結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，嚴(yán)格控制焊接順序以及壓臂的張合，同時(shí)預(yù)制反變形（若準(zhǔn)確掌握反變形量可直接設(shè)計(jì)到工裝上），使端墻的焊接變形達(dá)到最小。

參考文獻(xiàn)：

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