樞軸型道岔梁的焊接變形控制

王強

摘 要：隨著我國城市軌道交通的不斷發(fā)展，單軌交通作為一種短距離、適應(yīng)中小客流的軌道交通系統(tǒng)，具有建設(shè)費用低、噪聲小、適應(yīng)性強等方面的優(yōu)點。而道岔作為軌道交通系統(tǒng)的重點設(shè)備，制造精度要求極高，因此研究道岔關(guān)鍵部件制造工藝特別是主梁控制焊接變形具有重要意義。本文重點研究了如何控制一種樞軸型道岔梁焊接變形。

關(guān)鍵詞：道岔;焊接變形;控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.001

1 背景及工程概況

道岔作為線路轉(zhuǎn)換的連接設(shè)備，是一種使機車車輛從一股道轉(zhuǎn)入另一股道線路的過渡裝置，通常在車站及編組站大量使用。單軌道岔可以分為關(guān)節(jié)型道岔和關(guān)節(jié)可撓型道岔兩種。下面介紹一種樞軸型三開道岔。

該道岔主要由一根道岔梁組成，通過驅(qū)動裝置的動作可使道岔梁整體轉(zhuǎn)轍，實現(xiàn)與相鄰線路的PC梁連接，從而改變車輛行駛線路。道岔梁設(shè)計為箱形鋼結(jié)構(gòu)，長20.92m，寬0.69m，高1.24m。其頂面鋼板為走行板，板厚20mm;梁的兩側(cè)為腹板，腹板板厚為14mm;梁體內(nèi)部設(shè)有中隔板、短隔板和腹板加勁板;梁底為開放結(jié)構(gòu)不設(shè)底板，底部臺車、驅(qū)動裝置、連桿安裝位置局部加設(shè)厚度為16mm的連接板。如圖1、圖2所示。

由于裝配需要，道岔梁的基本尺寸如高度、寬度、長度、對角線差、旁彎、上拱和扭曲等值要求非常精確，具體要求見表1。

2 道岔梁焊接變形控制

2.1 道岔梁焊接變形

根據(jù)以往箱形桿件焊接變形經(jīng)驗，大型桿件焊接發(fā)生變形主要有收縮變形、彎曲變形和旁彎變形三種變形。

2.1.1 收縮變形

收縮變形作為焊接變形的一種形式，是指焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象。焊縫的冷卻過程是焊縫由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程，轉(zhuǎn)化過程中將產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊縫體積縮小的現(xiàn)象，從而導致焊后焊接件外形尺寸減小。收縮變形主要發(fā)生在簡單結(jié)構(gòu)的焊接中，由于焊縫數(shù)量少、焊縫的方向基本一致，使得各條焊縫收縮的方向一致，焊后僅出現(xiàn)收縮變形。

2.1.2 彎曲變形

彎曲變形是由多條焊縫的內(nèi)應(yīng)力和收縮變形結(jié)合的最終結(jié)果，多發(fā)生在焊接件外形細長且橫截面的上下尺寸相差較大或者焊縫分布不對稱，以及焊接次序不合理的焊接件中。

2.1.3 旁彎變形

旁彎變形是大型結(jié)構(gòu)件焊接中最突出的焊接變形，由于大型結(jié)構(gòu)件多數(shù)是框架結(jié)構(gòu)，焊縫布置不對稱、板件尺寸不均勻、焊縫布置不規(guī)律，致使焊縫內(nèi)應(yīng)力的方向不一致、大小不均勻，焊接件變形的位置與方向難以預(yù)測，最終呈現(xiàn)扭曲變形。

2.2 焊接變形控制

針對道岔梁的變形特點和焊后基本尺寸要求，制定一系列措施控制變形。

2.2.1 設(shè)計工裝固定

設(shè)計焊接胎架，如圖3，箱體內(nèi)部增設(shè)工藝隔板，端部設(shè)置封板，將結(jié)構(gòu)件處于約束的狀態(tài)下進行裝配、焊接，進而控制焊接變形。

將預(yù)拱調(diào)平塊的間距設(shè)置為1個/米，增加調(diào)平塊的布置密度，以直代曲以提高胎具起拱度的精度。

2.2.2 確定焊接工藝參數(shù)

采用合理的焊接工藝參數(shù)，如焊接電流，電弧電壓，焊接速度等等都可以一定程度地減少焊接變形。根據(jù)工廠及現(xiàn)場焊接實驗數(shù)據(jù)確定，通過采用較小的線能量輸入，小電流、快速焊，多層多道焊等措施嚴格控制層間溫度，以達到減小熱輸入產(chǎn)生的內(nèi)部拘束應(yīng)力和焊接變形。本工程具體焊接參數(shù)設(shè)置為：焊接電流260～280A，電弧電壓 30～32V，焊接速度24～27m/h，熱輸入10.4～13.4KJ/cm（不能超過15.8KJ/cm），層間溫度80～200℃。焊接時分層對稱焊接，每層焊縫必須連續(xù)完成，層間焊縫必須打磨見金屬光澤，冬期施焊時邊加熱邊焊接，不能中斷。

2.2.3 設(shè)置反變形參數(shù)

由于焊縫在冷卻過程中收縮，導致焊接后工件外形尺寸減小，為了彌補焊接中產(chǎn)生的收縮量，在大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中常采用此方法。反變形法是在生產(chǎn)中預(yù)先制造一個反變形量，使得這個變形量與焊后發(fā)生的變形方向相反而變形量基本相等。

同時根據(jù)鋼箱梁焊接收縮的實驗數(shù)據(jù)推導出箱梁焊接收縮經(jīng)驗公式，并通過公司多座整體節(jié)點鋼箱梁測量數(shù)據(jù)驗證。其收縮量與箱梁截面大小成反比，與焊縫熔敷量、線能量大小、梁長等成正比。經(jīng)驗公式已在公司的整體節(jié)點鋼梁制造中大量應(yīng)用。

箱形桿件旁彎經(jīng)驗公式并確定經(jīng)驗系數(shù)：

f：構(gòu)件旁彎（mm）;

a：埋弧焊變形經(jīng)驗系數(shù)，a=6.5×10-3;

e：焊縫塑性變形區(qū)中心與截面中心軸的距離（mm）;

Aw：熔敷金屬截面積（mm2）;

L：構(gòu)件長度（mm）;

I：構(gòu)件慣性矩（mm4）。

因此，為了保證焊后尺寸在公差范圍內(nèi)，我們采用反變形法，基于上述經(jīng)驗公式，我們在下料時將主梁腹板在高度方向進行預(yù)拱，其預(yù)拱值確定為1/1000mm;長度方向預(yù)留1/1000mm的焊接收縮余量，如圖4所示。

2.2.4 確定裝配焊接順序

選擇合理的裝配焊接順序，可以糾正焊接變形，焊接的時候受應(yīng)力作用焊件會變形，采用不同焊接方法、改變焊接順序和方向，可以使應(yīng)力相互抵消。總的原則：一般先焊接變形較大的焊縫，再焊接變形較小的焊縫。對于較長的焊縫可以采用分段焊接，對稱焊接等。埋弧焊一般采用逆向法、退步法;CO2氣體保護焊及手工焊采用對稱法、分散均勻法;編制合理的裝配焊接順序的方針是“分散、對稱、均勻、減小拘束度”，合理的采用跳焊。

對構(gòu)件整體而言，在焊接每一階段內(nèi)取得焊接熱量的均勻分布。減小焊縫在焊接時的拘束度是指在焊接較多的組裝條件下，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件形狀和焊縫的布置，采取先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫;先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫以達到減小焊接應(yīng)力的目的。

2.2.5 焊前、焊后處理

冬季廠內(nèi)環(huán)境溫度低于20℃時，焊前需對焊件進行預(yù)熱處理，將主焊縫周邊區(qū)域的焊件加熱到200℃以減小焊接接頭的淬硬傾向。

焊接完成后：一是對焊件進行保溫處理，將主焊縫區(qū)域逐步加熱至200℃，并保溫一段時間，再采用棉布進行覆蓋自然冷卻至常溫。

二是將梁整體進行振動時效處理，減小焊接應(yīng)力，從而減小焊接變形。

2.2.6 自動焊注意事項

a. 層間溫度不大于200度。（在焊接過程中需要頻繁測量）。如果溫度超過200℃必須停止焊接作業(yè)，待在預(yù)熱溫度及層間溫度達到規(guī)定后再進行焊接。

b. 預(yù)熱人員應(yīng)注意結(jié)構(gòu)件加熱過程中溫度的變化，采用不斷停電、通電的方式方法控制預(yù)熱溫度。

c. 在熱狀態(tài)下如果發(fā)生節(jié)段旁彎，目測約為5mm時，應(yīng)停掉彎曲構(gòu)件的內(nèi)側(cè)焊機，外側(cè)焊機繼續(xù)焊接以校正旁彎，待旁彎在5mm以內(nèi)時再啟動焊接機，停機與旁彎的關(guān)系如下圖所示：

d. 在焊接熱狀態(tài)下如果發(fā)生節(jié)段下?lián)?，下?lián)掀x不得超過5mm，可通過提高節(jié)段下部預(yù)熱板的加熱溫度糾正構(gòu)件，（如果發(fā)生上拱，則需降低節(jié)段下部預(yù)熱板的加熱溫度），如下圖所示：

e. 箱體在整個焊接過程中，利用焊接的熱量及預(yù)熱板熱量的不斷調(diào)整使箱體上下垂直擾度及旁彎始終控制在約為5mm范圍之內(nèi)，以確保箱體的完工公差達到要求。

3 結(jié)語

焊接變形本身就是很復(fù)雜的課題，由于道岔梁的尺寸和自身質(zhì)量大、焊縫分布復(fù)雜，控制焊接變形更加困難。針對道岔梁主要容易產(chǎn)生收縮變形、彎曲變形和扭曲變形的特點，通過采用工裝固定、工藝參數(shù)選定、焊接順序選定、反變形法和焊前焊后處理等一系列方法，綜合解決了焊接變形控制難題。這些方法在其他大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形問題上具有借鑒意義。

參考文獻：

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2008.