高速動(dòng)車組牽引梁下蓋板焊接變形問題的解決方案

閆立志 仇志遠(yuǎn) 鄭 偉 郭志成

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266111)

高速動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)可靠性是列車安全運(yùn)行的重要保障，牽引梁組成是車體底架的重要組成部分，由牽引梁、車鉤安裝座、牽引梁上、下蓋板等結(jié)構(gòu)組成，牽引梁組成的三維模型如圖1所示，在加工過程中對其結(jié)構(gòu)變形量有嚴(yán)格的要求。在實(shí)際加工過程中，牽引梁下蓋板會(huì)出現(xiàn)不同程度的下凹變形，嚴(yán)重影響了高速動(dòng)車組的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)加工效率[1]。

圖1 高速動(dòng)車組牽引梁組成三維模型

針對高速動(dòng)車組車體加工過程中牽引梁下蓋板表面焊接凹陷變形問題，測量了同一列車的牽引梁下蓋板在相同位置處的平面度尺寸(見圖2)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，其平面度變化曲線如圖3所示。

圖2 牽引梁下蓋板平面度尺寸測量位置示意圖

序號(hào)車號(hào)牽引梁下蓋板平面度/(mm·m -1)13#-016 23#-025 33#-035 43#-045 53#-056 63#-068 73#-077 83#-085

由圖3和表1可以看出，同一列車的牽引梁下蓋板在焊接后普遍出現(xiàn)5～6 mm/m的凹陷變形，最大的變形量達(dá)8 mm/m，無法滿足牽引梁下蓋板平面度的技術(shù)工藝要求。

圖3 3#列車不同車號(hào)牽引梁下蓋板平面度變化曲線

1 原因分析

(1)材料原因

高速動(dòng)車組的牽引梁組成是由鋁合金材料焊接而成，鋁合金材料的導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)大，其凝固收縮率約為6.5%。牽引梁下蓋板在焊接過程中，焊縫熱輸入過大，焊接冷卻之后導(dǎo)致的收縮變形過大，而下蓋板與牽引梁之間的中間部位沒有約束，從而導(dǎo)致牽引梁下蓋板焊接后出現(xiàn)下凹的現(xiàn)象，這就是金屬材料在焊接過程中無法避免的焊接變形問題。

(2)人為原因

現(xiàn)場加工人員在加工過程中，由于人為因素，焊槍位置擺動(dòng)較大，導(dǎo)致焊接部位受熱不均勻，從而導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)撓曲變形，也在一定程度上增大了牽引梁下蓋板在焊接過程中的下凹變形量。

(3)設(shè)計(jì)原因

查閱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN 15085-3∶2007 (E)，該類焊縫的焊角高度應(yīng)為板厚t1(見表2)。因此在牽引梁組成的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中，牽引梁與下蓋板之間的焊縫尺寸要求應(yīng)該是在10 mm單“V”焊縫的基礎(chǔ)上，外加一個(gè)“a10”的角焊縫。該焊縫的焊接工藝為四層五道焊，焊接量過大，導(dǎo)致焊縫熱輸入過大，在一定程度上加劇了牽引梁下蓋板焊接后出現(xiàn)下凹變形的程度。

表2 EN 15085-3∶2007 (E)中對應(yīng)的焊縫尺寸參數(shù)表

序號(hào)特征圖示符號(hào)10cHV焊縫疊加角焊縫準(zhǔn)備接頭截面圖標(biāo)注符號(hào)材料厚度t/mm角度α/(°)坡口b/mm焊腳面厚度c/mm準(zhǔn)備深度h/mm鋁a鋼鋁a鋼鋁a鋼鋁a鋼鋁a鋼焊縫設(shè)計(jì)厚度αR/mm3～153～1550～6050～600～30～30～20～2--αR=t1

2 解決方案研究

方案優(yōu)化目標(biāo)：控制牽引梁下蓋板的焊接變形，通過一系列措施減小焊接變形量，最終達(dá)到牽引梁下蓋板焊接完成后免調(diào)修即可滿足技術(shù)要求，牽引梁下蓋板平面度不大于3 mm/m。

解決方案及措施如下。

(1)設(shè)計(jì)優(yōu)化。經(jīng)過試驗(yàn)和仿真校核，在滿足焊縫強(qiáng)度要求的條件下，將焊縫的焊角高度尺寸優(yōu)化為標(biāo)準(zhǔn)的0.8倍[2](見圖4)，這樣該焊縫的焊接工藝可以由原來的四層五道焊改為三層四道焊，從而在設(shè)計(jì)上減少了牽引梁下蓋板與牽引梁之間的焊接量，進(jìn)而減少了焊縫的熱輸入，優(yōu)化了鋁合金材料由于焊接量過大造成的焊接變形問題。

(2)工藝優(yōu)化。① 嚴(yán)格規(guī)范焊接要求，減少人為因素對焊縫質(zhì)量的影響 。要求焊接工人嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，委托車體焊接工藝師現(xiàn)場指導(dǎo)焊接操作者，要求進(jìn)行打底焊時(shí)焊槍不擺動(dòng)，在焊接工藝上提高焊縫質(zhì)量。

圖4 牽引梁下蓋板焊接工藝示意圖

② 增加剛性固定約束，減小其在焊接過程中的下凹變形。在牽引梁下蓋板的橢圓孔位置焊接3根工藝梁，對其施加剛性固定約束，以減小其在焊接過程中產(chǎn)生的下凹變形，3根工藝梁的尺寸為 1 000 mm×100 mm×23 mm，材質(zhì)為鋁板23-5083-O，焊接工藝為30 mm長的定位焊，各工藝梁的定位焊縫數(shù)量及位置分布如圖5所示。

(a)工藝梁及定位焊位置平面分布圖 (b)牽引梁下蓋板剛性固定約束效果圖圖5 牽引梁下蓋板剛性固定約束施加方案

③ 預(yù)設(shè)反變形，抵消其在焊接過程中的下凹變形。針對工藝梁3，在中間位置打磨一個(gè)長約100 mm、深約3 mm的槽型缺口(見圖6)，安裝過程中，使用卡蘭將該工藝梁與牽引梁下蓋板夾緊并固定，保證兩者之間密貼，使?fàn)恳合律w板產(chǎn)生反方向的預(yù)變形，以抵消其在焊接過程中產(chǎn)生的下凹變形。

(a)反變形實(shí)施方案示意圖 (b)牽引梁下蓋板反變形施加效果圖圖6 牽引梁下蓋板反變形施加方案

3 方案優(yōu)化前后效果驗(yàn)證

測量方案優(yōu)化后同一型號(hào)高速動(dòng)車組的5#列車不同車號(hào)的牽引梁下蓋板平面度尺寸，將其與方案優(yōu)化前的3#列車對應(yīng)車號(hào)的牽引梁下蓋板平面度尺寸進(jìn)行對比，對比參數(shù)如表3所示，對應(yīng)的平面度參數(shù)變化曲線如圖7所示。

表3 3#和5#列車不同車號(hào)的牽引梁下蓋板平面度尺寸對比

對比表3和圖7中的數(shù)據(jù)可以看出，方案優(yōu)化前，牽引梁下蓋板平面度普遍在5～6 mm/m，最大達(dá)到8 mm/m。方案優(yōu)化后，牽引梁下蓋板的平面度均在3 mm/m以下，相對方案優(yōu)化前降低40%～80%，平均降低66.54%，在免調(diào)修狀態(tài)下即可滿足工藝技術(shù)要求。

圖7 方案優(yōu)化前后牽引梁下蓋板平面度尺寸變化對比曲線

4 結(jié)論

針對牽引梁下蓋板產(chǎn)生變形的原因，從技術(shù)設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)方面提出了相應(yīng)的優(yōu)化解決方案，并對比驗(yàn)證了方案優(yōu)化效果。結(jié)果表明：通過方案優(yōu)化，牽引梁下蓋板焊接后在免調(diào)修狀態(tài)下即可滿足工藝技術(shù)要求，達(dá)到了方案優(yōu)化目標(biāo)，節(jié)省了牽引梁下蓋板在加工過程中反復(fù)調(diào)修的人力、物力以及時(shí)間成本，從而極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了公司的生產(chǎn)成本。