鐵路長(zhǎng)大貨車導(dǎo)向梁組成焊接工藝

金朝輝，孫海濤，張忠玉，馮寶珠

(中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，制造業(yè)水平不斷提高，大型鋼結(jié)構(gòu)在重型裝備中發(fā)揮著越來越重要的作用，其結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜。業(yè)內(nèi)學(xué)者就鋼結(jié)構(gòu)焊接不同課題方向進(jìn)行了深入研究。陳裕川等人[1]在鋼結(jié)構(gòu)制造工藝方面進(jìn)行了相關(guān)研究；馬泉山等人[2]研究了各種金屬材料性能及所適用的焊接設(shè)備；翁宇慶等人[3]對(duì)低合金鋼在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行了研究；黃本生等人[4]及史春元等人[5]則分別在異種材料焊接方面進(jìn)行了大量的研究；李金龍等人[6]及張斌等人[7]分別總結(jié)了不同情況下焊接變形的控制和矯正。但將鋼結(jié)構(gòu)焊接多種影響因素同時(shí)考慮加以控制的研究并不多見。導(dǎo)向梁組成是載重噸位達(dá)450 t的鐵路長(zhǎng)大貨車——鉗夾車、落下孔車的重要組成部件[8]，論文通過導(dǎo)向梁組成焊接工藝策劃，闡述了兼具鋼結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、低合金高強(qiáng)鋼焊接、異種材料焊接、中厚板材焊接變形控制與矯正諸多制造難點(diǎn)于一體的大型鋼結(jié)構(gòu)多目標(biāo)控制措施，滿足鋼結(jié)構(gòu)焊接制造要求。

1 主要焊接技術(shù)難點(diǎn)

圖1為導(dǎo)向梁組成簡(jiǎn)圖，整體構(gòu)成為焊接鋼結(jié)構(gòu)，大上心盤與主體采用螺栓聯(lián)接。為顯示清晰，圖中省略了焊接符號(hào)。技術(shù)要求：序號(hào)3外露上平面及序號(hào)11與心盤接觸區(qū)域的平面度為1 mm。導(dǎo)向梁各零部件的材質(zhì)及板材厚度見表1。

圖1 導(dǎo)向梁組成簡(jiǎn)圖

表1 導(dǎo)向梁各零部件的材質(zhì)及板材厚度

分析圖樣可知導(dǎo)向梁組成是以鋼結(jié)構(gòu)為主體的“T”字形箱型梁。端部上、中、下蓋板處主要承受鉛垂載荷，為腹板、蓋板式雙層箱結(jié)構(gòu)；導(dǎo)向梁側(cè)板組成處主要承受側(cè)向水平載荷，采用側(cè)板、蓋板結(jié)構(gòu)。端部雙層箱結(jié)構(gòu)中心線與導(dǎo)向梁縱向中心線垂直度2 mm，形位公差要求較高。大上心盤通過大上心盤擋圈及緊固螺栓密貼固定在導(dǎo)向梁組成的下蓋板的下表面上，此處平面度為1 mm，中蓋板外露上平面的平面度為1 mm，精度要求較高。全部板材件的厚度均為10 mm以上的中厚板，焊接變形不易控制。各板材件間存在較多的異種材料焊接。側(cè)板組成采用日本進(jìn)口的WEL-TEN780A低合金高強(qiáng)鋼，該鋼材熱切割影響區(qū)對(duì)強(qiáng)度影響較大，焊后變形不可采取火焰矯正。

經(jīng)分析可知，導(dǎo)向梁組成技術(shù)難點(diǎn)主要為鋼結(jié)構(gòu)整體焊接工藝流程策劃、WEL-TEN780A低合金高強(qiáng)鋼焊接、異種材料焊接、焊接變形的控制與矯正、導(dǎo)向銷套位置尺寸的保證等方面，詳述內(nèi)容見下文。

1.1 導(dǎo)向梁焊接

鐵路長(zhǎng)大貨車的鋼結(jié)構(gòu)焊接通常采用以平臺(tái)為主要工藝裝備的組焊方式進(jìn)行。但由于導(dǎo)向梁組成形狀復(fù)雜，沒有可以直接當(dāng)做基準(zhǔn)的平面，組裝基準(zhǔn)難以確定；鋼結(jié)構(gòu)中零部件大多為中厚板件，焊接變形大且控制和矯正比較困難，使工件的形位尺寸不易保證。以上因素導(dǎo)致導(dǎo)向梁組成焊接質(zhì)量難以保證。

1.2 側(cè)板組成拼接

導(dǎo)向梁組成承受的水平力較大，為減輕車體重量同時(shí)保證強(qiáng)度，側(cè)板組成采用WEL-TEN780A鋼材制造，該鋼種為低合金高強(qiáng)鋼，化學(xué)成分和力學(xué)性能列于表2和表3[9]。其焊接性能較好，但存在兩項(xiàng)工藝缺陷：一是數(shù)控火焰切割下料后的熱影響區(qū)對(duì)材料的強(qiáng)度影響較大，焊接時(shí)要去除；二是為避免高溫改變材料的強(qiáng)度，焊后變形不允許火焰矯正。側(cè)板組成是由兩種壓型的板材件拼接而成，拼接后如何保證各項(xiàng)幾何尺寸和力學(xué)性能，是又一技術(shù)難點(diǎn)。

表2 WEL-TEN780A鋼材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 WEL-TEN780A鋼材的力學(xué)性能

1.3 零部件間的異種材料焊接質(zhì)量

導(dǎo)向梁組成中組焊件材質(zhì)達(dá)到4種，有進(jìn)口牌號(hào)和國(guó)產(chǎn)牌號(hào)，有板材件和鍛件。相互之間進(jìn)行不同材質(zhì)的搭配焊接，如何選取合適的焊接參數(shù)和焊材，保證焊縫的質(zhì)量穩(wěn)定，強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，是第3個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

1.4 中厚板焊接變形控制和焊后矯正

導(dǎo)向梁組成大多為中厚板件焊接，焊接變形不但在組焊過程中不易控制，焊后矯正也具有很大難度。

1.5 導(dǎo)向銷套的位置尺寸

導(dǎo)向銷套的位置直接影響長(zhǎng)大貨車通過鐵路軌道曲線時(shí)導(dǎo)向銷的位置，進(jìn)而影響整車的導(dǎo)向功能。受焊接收縮量的影響，圖1中尺寸4 500 mm，很難保證。

2 主要焊接技術(shù)難點(diǎn)的工藝措施

2.1 導(dǎo)向梁組成整體焊接質(zhì)量保證措施

針對(duì)導(dǎo)向梁組成的特殊結(jié)構(gòu)形式及容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題，制定如圖2所示的工藝流程。所有板材件采用數(shù)控火焰切割機(jī)下料，周邊預(yù)留加工余量，采用銑床、刨床等機(jī)械設(shè)備加工周邊及坡口。導(dǎo)向銷套和大上心盤由車床車成。導(dǎo)向梁組成在平臺(tái)上采用正裝方式組焊，先將下蓋板、導(dǎo)向梁下蓋板兩條互相垂直的中心線放樣在平臺(tái)上，然后將專用工藝裝備的3件支撐分別置于下蓋板、導(dǎo)向梁下蓋板縱向中間位置、等分撐桿座3處，如圖3所示。以此為基準(zhǔn)，由下至上逐層裝配各零部件，翻轉(zhuǎn)工件進(jìn)行水平施焊。焊后對(duì)所有外露焊縫磁粉探傷，如有缺陷，進(jìn)行修復(fù)。檢測(cè)并對(duì)導(dǎo)向梁組成尺寸超差的部位進(jìn)行矯正，最后進(jìn)行交檢交驗(yàn)。

圖2 導(dǎo)向梁組成焊接工藝流程圖

圖3 專用工藝裝備簡(jiǎn)圖

2.2 側(cè)板組成的拼接質(zhì)量保證措施

側(cè)板組成由側(cè)板1、側(cè)板2兩個(gè)零件拼接而成，如圖4所示，技術(shù)要求：焊縫須按GB/T 11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法》的要求進(jìn)行超聲波探傷檢查，檢查等級(jí)為B級(jí)，評(píng)定等級(jí)為Ⅰ級(jí)。材質(zhì)均為WEL-TEN780A，為保證側(cè)板組成的尺寸，采取如下工藝步驟：側(cè)板1、側(cè)板2數(shù)控切割下料，周邊留加工量→加工側(cè)板1、側(cè)板2的拼接坡口→組焊?jìng)?cè)板1、側(cè)板2→超聲波探傷→加工側(cè)板組成周邊→壓型。

圖4 導(dǎo)向梁側(cè)板組成簡(jiǎn)圖

由于側(cè)板受力較大，焊接時(shí)用焊條電弧焊，采用進(jìn)口與WEL-TEN780A鋼材配套的L-80SN焊條。先定位焊，然后焊打底焊縫，之后正常施焊，將工件翻轉(zhuǎn)180°，封底焊，正常施焊，補(bǔ)焊缺陷，超聲波探傷。焊接工藝參數(shù)見表4。為保證焊縫質(zhì)量，焊接工藝做如下要求：作業(yè)環(huán)境溫度在+5 ℃以上；焊條經(jīng)400 ℃高溫烘焙；焊前除凈母材坡口兩側(cè)雜質(zhì)，對(duì)接縫及兩側(cè)預(yù)熱100～150 ℃；正面坡口處采用多層焊法，短弧、窄道操作；多層焊縫用風(fēng)動(dòng)工具輕擊(打底、表面層除外)以消除應(yīng)力；接縫兩端加引弧板；多層焊起落弧點(diǎn)錯(cuò)開，弧坑處必須填滿。

表4 L-80SN焊條焊接電流

2.3 零部件間的異種材料焊接質(zhì)量保證措施

2.3.1國(guó)產(chǎn)異種鋼材之間的焊接質(zhì)量保證措施

導(dǎo)向梁組成焊接過程中，存在國(guó)產(chǎn)異種材料的焊接。如下蓋板與大上心盤擋圈之間的焊接，導(dǎo)向梁上、下蓋板與導(dǎo)向銷套之間的焊接等。為提高工作效率，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。選用的焊接材料和相關(guān)焊接工藝參數(shù)見表5。

表5 國(guó)產(chǎn)異種材料二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接工藝參數(shù)

2.3.2進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)鋼材的焊接質(zhì)量保證措施

在導(dǎo)向梁組成焊接的過程中，也存在進(jìn)口WEL-TEN780A鋼材與國(guó)產(chǎn)異種材料的焊接。為提高焊縫強(qiáng)度，保證設(shè)計(jì)要求，側(cè)板組成與中、下蓋板之間的焊接，側(cè)板與下腹板之間的焊接，側(cè)板與導(dǎo)向梁上、下蓋板的焊接采用焊條電弧焊；側(cè)板與隔板的焊接采用半自動(dòng)混合氣體保護(hù)焊。選用的焊接材料和相關(guān)焊接工藝參數(shù)見表6。

表6 WEL-TEN780A鋼材與國(guó)產(chǎn)異種材料焊接工藝參數(shù)

2.4 中厚板焊接變形控制和焊后矯正保證措施

導(dǎo)向梁組成焊接變形控制采用過程控制為主、焊后矯正為輔的策略。組焊時(shí)，將下蓋板定位焊在專用工藝裝備上；使用夾具將兩側(cè)板組成固定；為防止側(cè)板出現(xiàn)過大的波浪變形，在兩側(cè)板組成之間點(diǎn)焊工藝支撐管(組焊后拆除)；由下至上逐層組焊各零部件，對(duì)稱、水平施焊。這樣，既保證了導(dǎo)向梁組成的垂直度，又有效地控制了焊接變形。導(dǎo)向梁組成組焊后，平面度要求高的部位—下蓋板與心盤接觸區(qū)域和中蓋板上平面的平面度超差，超差位置為下蓋板和中蓋板的邊緣，而下隔板和下腹板圍成區(qū)域內(nèi)的蓋板平面度均未超差。針對(duì)這種情況，采用火焰加機(jī)械的方法對(duì)該部位進(jìn)行矯正。即矯正下蓋板時(shí)，用氧-丙烷火焰烘烤下腹板正對(duì)的下蓋板位置，同時(shí)使用千斤頂，一端頂在中蓋板上，一端頂在下蓋板上，施加壓力，用平尺檢測(cè)，即可調(diào)平。矯正中蓋板時(shí)，方法相同。

2.5 導(dǎo)向銷套的位置尺寸保證措施

為保證導(dǎo)向銷套的形位公差，采取先組焊導(dǎo)向梁上、下蓋板，隔板，中、下蓋板，下腹板，下隔板，成箱型結(jié)構(gòu)后，加工導(dǎo)向銷套裝配的孔，然后組焊導(dǎo)向銷，這樣就很好的保證了導(dǎo)向銷套的各項(xiàng)尺寸精度。

3 質(zhì)量檢測(cè)

導(dǎo)向梁組成制造完成后，對(duì)各項(xiàng)尺寸、形位公差、工藝要求等進(jìn)行了檢驗(yàn)測(cè)量。其長(zhǎng)、寬、高符合圖樣要求；垂直度、平面度均滿足設(shè)計(jì)要求；各超聲波探傷、表面探傷部位也符合要求。產(chǎn)品質(zhì)量合格。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)導(dǎo)向梁組成形狀不規(guī)則的特點(diǎn)，策劃整體焊接工藝流程，設(shè)計(jì)專用工藝裝備，確定組裝基準(zhǔn)，保證了導(dǎo)向梁組成各項(xiàng)形位尺寸。

(2)側(cè)板組成WEL-TEN780A低合金高強(qiáng)鋼拼接，采用焊條電弧焊兩段組焊，再加工周邊，最后壓型，保證了拼接質(zhì)量。

(3)針對(duì)不同母材的異種材料焊接，采用合適的焊接方式、焊接材料、焊接工藝參數(shù)，焊接效果良好。

(4)導(dǎo)向梁組成的中厚板焊接變形，采用專用工藝裝備剛性固定法和合理的焊接方式進(jìn)行過程控制，焊后變形使用火焰加機(jī)械的矯正方法，效果良好。

(5)采用先組焊導(dǎo)向梁主體構(gòu)架，加工導(dǎo)向銷套孔，后組焊導(dǎo)向銷套的方法，保證了導(dǎo)向銷套的位置尺寸精度。