無(wú)磁化前端鋼結(jié)構(gòu)制造焊接工藝研究

張 野 張 強(qiáng) 張洪國(guó)

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130062)

低地板有軌電車(chē)是中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司地鐵車(chē)中平臺(tái)項(xiàng)目，低地板車(chē)具有良好的穩(wěn)定性，可根據(jù)不同城市環(huán)境更換不同造型，適合國(guó)內(nèi)觀光旅游城市，同時(shí)具備性?xún)r(jià)比高等顯著特點(diǎn)，在國(guó)際市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣大。

低地板有軌電車(chē)采用整體承載的鋼結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)包括底架、側(cè)墻、端墻和車(chē)頂，前端鋼結(jié)構(gòu)屬于底架部分(見(jiàn)圖1)，即整車(chē)的司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)，前端骨架為空間立體結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)定位平面，增加了鋼結(jié)構(gòu)的組對(duì)和焊接難度。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)主體為不銹鋼，不銹鋼材質(zhì)具有良好的耐蝕性和可塑性。不銹鋼車(chē)體不需要同碳鋼車(chē)體一樣預(yù)留腐蝕余量，整體結(jié)構(gòu)使用調(diào)質(zhì)壓延鋼板，以實(shí)現(xiàn)輕量化。但不銹鋼焊接時(shí)所產(chǎn)生的焊接應(yīng)力大，焊接結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形，難以保證車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)尺寸與強(qiáng)度要求[1]。

以色列特拉維夫紅線輕軌項(xiàng)目是我國(guó)100%低地板列車(chē)首次出口發(fā)達(dá)國(guó)家，也是目前世界安全防護(hù)等級(jí)最高的輕軌列車(chē)。車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為X2CrNiN18-7不銹鋼，不僅具有不銹鋼的耐蝕性等特點(diǎn)，同時(shí)材質(zhì)無(wú)磁化，無(wú)磁化車(chē)體保證了車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全性。針對(duì)前端骨架的空間立體結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，進(jìn)行了焊接工藝研究，采取合理的工藝方案保證了前端鋼結(jié)構(gòu)的焊接要求和裝配尺寸要求[2]。

1 焊接工藝研究

1.1 材質(zhì)介紹

前端鋼結(jié)構(gòu)主要材質(zhì)為X2CrNiN18-7，德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼，耐蝕性良好，在國(guó)外的城鐵車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。材質(zhì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)EN 10088-2：2005，鋼號(hào)為1.4318。材質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：ω(C)≤0.03、ω(Si)≤1.0、ω(Mn)≤2.0、ω(P)≤0.045、6.00≤ω(Ni)≤8.00、0.1≤ω(N)≤0.2，其機(jī)械性能如表1所示。

1.2 焊接接頭設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目前端鋼結(jié)構(gòu)所用X2CrNiN18-7材質(zhì)厚度為5 mm、6 mm、8 mm三種，焊接接頭多為“8 mm+6 mm”的T型接頭，前端鋼結(jié)構(gòu)中補(bǔ)強(qiáng)筋板連接底板與蓋板，需要與底板形成統(tǒng)一的整體起到支撐蓋板和前端鋼結(jié)構(gòu)的作用，補(bǔ)強(qiáng)筋板與底板的焊接強(qiáng)度要求高，定位準(zhǔn)確。補(bǔ)強(qiáng)筋板與底板的焊接中采用了T型接頭和插接結(jié)構(gòu)，插接結(jié)構(gòu)如圖2所示，此焊接接頭保證補(bǔ)強(qiáng)筋板定位準(zhǔn)確，增強(qiáng)焊接強(qiáng)度。

表1 X2CrNiN18-7材質(zhì)機(jī)械性能

注：產(chǎn)品型式中，C—冷軋鋼帶；H—熱軋鋼帶；P—熱軋鋼板。

圖2 前端鋼結(jié)構(gòu)插接結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 焊接工藝評(píng)定

1.3.1試樣形式

該項(xiàng)目中前端鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為X2CrNiN18-7，焊接接頭多為“8 mm+10 mm”的T型接頭。焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為ISO 15614-1，依據(jù)ISO 15614-1第8章的認(rèn)可范圍，試驗(yàn)的式樣形式為“10 mm+10 mm”的X2CrNiN18-7平對(duì)接接頭。具體形式如圖3所示，其中：t為板厚，b為根部間隙，S為焊縫熔深。

圖3 焊接接頭形式和焊接順序

1.3.2焊接參數(shù)

X2CrNiN18-7不銹鋼在國(guó)內(nèi)軌道交通車(chē)輛應(yīng)用較少，依照國(guó)內(nèi)同標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼焊接實(shí)例和焊接工程師的經(jīng)驗(yàn)，制定工藝評(píng)定時(shí)式樣焊接所需的焊接參數(shù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)

1.3.3試驗(yàn)結(jié)果

教師要通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，引領(lǐng)學(xué)生去探索、學(xué)習(xí)，與同伴互動(dòng)，產(chǎn)生求知的欲望。一個(gè)好的情境會(huì)讓學(xué)生“滋生”探索的好奇心、求知的興趣，他們會(huì)主動(dòng)與同學(xué)交流自己在獲取知識(shí)中存在的困惑。在信息技術(shù)教學(xué)中，教師創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境誘發(fā)學(xué)生的興趣，讓他們?cè)跐撘颇袑W(xué)習(xí)，產(chǎn)生良好的互動(dòng)。教師可以創(chuàng)設(shè)游戲情境，引發(fā)學(xué)生的好奇，如在“美化文章”教學(xué)中，教者設(shè)置“找茬”游戲，讓學(xué)生通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)兩篇文章之間的差異，從而能主動(dòng)打開(kāi)心扉，產(chǎn)生表達(dá)興趣，在互動(dòng)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，改善人際關(guān)系。

根據(jù)ISO 15614-1中第7章的要求[3]，對(duì)焊接式樣進(jìn)行了低倍金相、拉伸外觀、表面裂紋檢測(cè)、射線探傷等測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足要求，說(shuō)明本次焊接工藝評(píng)定能夠用于實(shí)際生產(chǎn)[4]。結(jié)果如表3、表4及圖4所示。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 彎曲試驗(yàn)

注：試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ISO 5173。

圖4 接頭宏觀式樣

2 前端鋼結(jié)構(gòu)工藝方案

2.1 前端鋼結(jié)構(gòu)介紹

前端鋼結(jié)構(gòu)為軌道列車(chē)司機(jī)室承載結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)，屬于空間立體結(jié)構(gòu)，料件種類(lèi)多，所占空間體積大。車(chē)鉤座、底板和法蘭為預(yù)先焊接的組焊件，其余全部料件需在空間上層疊組對(duì)，累積焊接，空間尺寸不易保證，整體形狀不易控制。

2.2 前端鋼結(jié)構(gòu)工藝要點(diǎn)

(1)組焊工裝。組焊工裝如圖6所示，包括平臺(tái)、支撐座和法蘭等。設(shè)計(jì)以車(chē)鉤座平面為基準(zhǔn)，保證料件與工裝相貼合。為防止焊接變形影響鋼結(jié)構(gòu)尺寸，在長(zhǎng)度方向上放長(zhǎng)4 mm，工裝中心與前端鋼結(jié)構(gòu)中心相重合，組對(duì)料件時(shí)配合工裝夾具進(jìn)行定位夾緊控制，保證各料件中心與工裝縱向中心重合，偏差不大于1 mm。

圖5 前端鋼結(jié)構(gòu)

圖6 前端鋼結(jié)構(gòu)反裝組焊和正裝組焊工裝

(2)工藝流程。工藝流程如圖7所示，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析前端鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)合零件制造工藝，將前端鋼結(jié)構(gòu)分為法蘭組焊、車(chē)鉤座組焊、前端正裝組焊和前端反裝組焊等工序。

圖7 工藝流程圖

(3)焊接方案。前端鋼結(jié)構(gòu)采用先正裝后反裝的工藝，為了保證前端鋼結(jié)構(gòu)所有焊縫都能實(shí)現(xiàn)焊接，所有零件需在正裝組焊完成。由于前端骨架為空間立體結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)定位平面，反裝工藝完成壓饋裝置安裝板的安裝及反面焊縫的焊接。焊縫采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，所有的焊縫冷卻至室溫后再將各壓緊松開(kāi)。前端鋼結(jié)構(gòu)與底架鋼結(jié)構(gòu)焊接完成后需整體進(jìn)行機(jī)加工，包括車(chē)鉤座、轉(zhuǎn)向架連接處等部位，保證車(chē)鉤座平面度等相關(guān)尺寸精度。

2.3 前端鋼結(jié)構(gòu)工藝流程

2.3.1車(chē)鉤座和法蘭組焊

車(chē)鉤座是前端鋼結(jié)構(gòu)的重要部件，負(fù)責(zé)車(chē)廂之間的連接，要求強(qiáng)度高，尺寸精度高。在焊接車(chē)鉤座時(shí)按照?qǐng)D紙要求組對(duì)車(chē)鉤座、加強(qiáng)板和加強(qiáng)筋，組對(duì)后完成加強(qiáng)筋與車(chē)鉤座之間的點(diǎn)固。焊接時(shí)用工藝?yán)瓧U支撐車(chē)鉤座和加強(qiáng)板，如圖8所示，保證車(chē)鉤座組焊后的強(qiáng)度和精度。

圖8 車(chē)鉤座組焊

圖9 法蘭組焊

2.3.2正裝組焊

組焊完成的車(chē)鉤座、底板和蓋板等吊入前端鋼結(jié)構(gòu)正裝組焊夾具內(nèi)，配合激光墨線儀在底板上畫(huà)出中心線，使底板與工裝中心線對(duì)齊，偏差不大于1 mm。組對(duì)時(shí)零部件間閃縫不大于1 mm，用工裝上的螺栓、夾子等將零部件固定在工裝上，點(diǎn)固后焊接。組對(duì)時(shí)用工藝?yán)瓧U將筋板點(diǎn)固，保證筋板間尺寸和垂直度，如圖10(a)所示。組對(duì)端板、前端板和左右側(cè)板，配合激光墨線儀找出各零部件中心，使零部件中心與工裝中心重合，用螺栓和夾子壓緊、點(diǎn)固，如圖10(b)所示。

圖10 前端鋼結(jié)構(gòu)正裝組焊

2.3.3反裝組焊

將正裝組焊完成的前端鋼結(jié)構(gòu)吊入反裝組焊工裝，使前端鋼結(jié)構(gòu)中心與工裝中心重合，偏差不大于1 mm，法蘭邊緣和蓋板下面放置6 mm板用于制作反變形。用拉子、卡蘭等將前端鋼結(jié)構(gòu)夾緊。根據(jù)圖紙要求尺寸組對(duì)安裝板和內(nèi)側(cè)筋板，點(diǎn)固，按照焊接方案要求對(duì)前端鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接(見(jiàn)圖11)。

3 結(jié)論

圖11 前端鋼結(jié)構(gòu)反裝組焊