車架鋼結構組裝和焊接變形控制

宋元元

（北京中車長客二七軌道裝備有限公司，北京 102433）

1 概述

隨著世界軌道交通裝備行業(yè)的不斷發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界上的機車制造大國之一。在機車的制造過程中，新技術和新工藝不斷得到應用，新標準也不斷得到認可和執(zhí)行。車架是整個機車的主要承載部件，車上和車下都可能裝有大型的電氣、制動、系統(tǒng)等元件，所以，在設計和生產(chǎn)過程中必須考慮車架的強度和剛度。車架由不同形式的鋼結構焊接而成，在車架組裝和焊接過程中，特別是焊接后，會產(chǎn)生各種各樣的變形，當變形超過規(guī)定時，必須進行矯正，才能進入到下工序，否則后續(xù)部件的裝配可能出現(xiàn)無法預估的問題，甚至導致整個機車的性能受到影響。而有些變形是我們在車架組裝前就可以預知的，這些變形可以在組裝過程中通過一些手段進行有效地改善，有些變形則需要在焊后進行調(diào)修，以達到標準的要求。

2 車架鋼結構變形的原因及形式

車架變形可大致分為整體變形，即整個車架形狀和尺寸發(fā)生了變化；另一類是局部變形，它是指發(fā)生在焊接結構某部位的局部變形。

整體變形主要包括收縮變形，彎曲變形和扭曲變形，是指焊縫在受熱到冷卻過程中各個方向發(fā)生收縮后引起的變形。焊縫的縱向和橫向收縮時，會引起整個結構的長度縮短和寬度變窄收縮變形；焊縫在結構中布置不對稱時會產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，裝配質(zhì)量差、焊件擺放不合理、焊接順序錯誤、焊接方向顛倒時也會產(chǎn)生彎曲和扭曲變形。通常在焊縫彎曲變形、扭曲變形時，也會同步發(fā)生縱向和橫向收縮。

局部變形主要以角變形、波浪變形和錯邊變形為主。溫度沿板厚方向分布不均勻和熔化金屬沿板厚方向收縮量不一致時會發(fā)生角變形，在厚板對接銜頭容易出現(xiàn)；薄板結構焊接時，縱向和橫向的壓應力使得其失去穩(wěn)定，從而產(chǎn)生波浪變形；兩個零件在焊接過程中，發(fā)生裝夾時夾緊程度不一致、剛度各不相同、物理性質(zhì)不同時，或遇到裝配不良、電弧偏離坡口中心問題時，容易引起錯邊變形。

圖1 出口愛沙尼亞調(diào)車內(nèi)燃機車車架外形示意圖

車架鋼結構主要是焊接而成，焊接變形時刻存在。在實際生產(chǎn)過程中，焊接使焊接構件產(chǎn)生熱變形，同時構件受到自身剛性約束，膨脹力推動壓縮塑性變形發(fā)生，導致焊接殘余變形，因此焊接熱變形和焊接構件的剛性條件是產(chǎn)生焊接變形的重要因素，與這兩個因素相關的參數(shù)均會發(fā)生焊接殘余變形。熱變形方面，影響因素主要有焊接工藝方法、焊接參數(shù)、焊縫數(shù)量和斷面大小、施焊方法、材料的熱物理性能等；在構件剛性方面，影響因素主要有尺寸和形狀、胎夾具的應用、裝配焊接程序等。焊接是一個復雜的過程，在實際生產(chǎn)時焊接影響因素很多，不僅僅只是以上提到的因素，焊接變形不可完全避免或消除，但可以根據(jù)焊接變形基本原理和影響因素進行合理分析，并采取有效調(diào)控措施來減少變形，努力實現(xiàn)提前預防和控制變形在合理范圍內(nèi)的目標。

3 車架鋼結構變形控制措施

車架由牽引梁、側梁、橫梁、加強梁、封板、安裝座等組成，不同車型的車架鋼結構形式各不相同。變形可能造成嚴重后果，在車架鋼結構的生產(chǎn)中必須做好工藝準備，進一步防止變形或減少變形量，避免出現(xiàn)超標現(xiàn)象。在車架鋼結構實際生產(chǎn)過程，控制變形的方法重點以以下三種方式為主。

3.1 控制組裝過程變形車架鋼結構的組裝過程

車架骨架組裝——封板、加強梁等組裝——安裝座組裝。車架組裝過程中控制變形的方法有反變形、工裝固定和剛性固定約束。

（1）反變形法

車架骨架組裝是車架組裝的基礎和關鍵，車架組裝前要確保各部件滿足圖紙和工藝的要求。車架插骨架組裝時，要考慮焊后收縮等因素的影響，由于焊縫隨溫度降低將逐漸冷卻，冷卻產(chǎn)生焊縫收縮，導致組件在焊后發(fā)生外形尺寸變形，從而超出組件檢驗標準，不能滿足裝配要求。為避免焊后收縮變形，在組裝時采用反變形的措施，補償焊接變形量。這種措施是在生產(chǎn)中預先制造一個變形，控制此變形量約等于焊后變形方向相反變形量。如圖1所示的出口愛沙尼亞調(diào)車內(nèi)燃機車車架組裝時，圖樣要求焊后的車架長度尺寸為18190+8-2，寬度尺寸為3140+3-2。為了避免焊后車架的長度和寬度尺寸在公差范圍內(nèi)，骨架組裝時采取反變形的措施，車架的長度和寬度尺寸分別為18190+20+10和3140+6+3，這樣焊接冷卻后，尺寸基本控制在公差范圍內(nèi)。

車架骨架組裝時要滿足組裝的工藝尺寸，這一過程最容易出現(xiàn)的問題就是錯邊，尤其是牽引梁與邊梁的對接處。為了避免組裝時發(fā)生錯邊，各大部件單獨的公差要求要綜合考慮，上下公差的范圍盡量保持一致。車架一般會有一定的上撓度要求，在車架組裝前嚴格檢驗工裝，組裝時避免下?lián)隙鹊那闆r出現(xiàn)。

封板、加強梁等組裝要根據(jù)結構考慮組裝順序，特殊情況下可以考慮部分封板和加強梁在車架骨架組裝的過程中進行組裝。封板組裝時焊要綜合考慮焊縫的要求，要求焊透的部位，在封板組裝時要留合適的間隙，同時避免平對接處出現(xiàn)錯邊現(xiàn)象。

（2）工裝固定法

車架的安裝座種類多，形式各不相同，為了保證質(zhì)量，安裝座組裝時使用工裝能有效地避免尺寸誤差的出現(xiàn)。如圖2所示的GMC96B型鋼軌打磨列車C1車鎖緊座安裝圖，圖中A和B處分別裝有鎖緊座，A1，A2，A3，A4四個鎖緊座分別與打磨小車上對應的四個鎖緊座連接，打磨小車是一個整體，所以在裝 A1，A2，A3，A4 四處的鎖緊座時不能要考慮相對位置關系，圖中B處的鎖緊座裝配原理同A處相同。其中每個鎖緊座上都有三個螺紋孔，考慮到孔與孔之間的位置關系，用槽鋼，平板和螺栓等制作了簡易工裝，如圖3所示，大大提高了組裝質(zhì)量。

圖2 GMC96B型鋼軌打磨列車C1車鎖緊座安裝示意圖

（3）剛性固定約束法

車架組裝過程中，要根據(jù)車架的不同結構形式采取相應的預防措施來控制變形。剛性固定約束法主要是將被焊構件固定在硬質(zhì)夾具或者剛性胎具上，可此方法可使待焊接鋼結構件的角變形和彎曲變形等得到有效地控制。如圖4所示的BR711-快速多功能綜合作業(yè)車車架主要由型鋼組成，而且大部分組件焊接在車架上平面，邊梁是工字鋼結構，如果不采取控制措施，焊后可能導致車架下平面的平面度不能滿足工藝要求。為了控制變形，車架下平面用槽鋼固定，實踐證明，這一措施有效地緩解了變形，焊后滿足標準要求。

圖3 GMC96B型鋼軌打磨列車C1車使用工裝安裝鎖緊座

圖4 BR711-快速多功能綜合作業(yè)車車架剛性固定約束

3.2 控制焊接過程變形

焊接過程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施，從而實現(xiàn)殘余應力有效降低和焊接變形進一步減小。隨焊兩側加熱法可起到減小焊接殘余應力和變形的良好作用，可實現(xiàn)橫向應變、縱向應變和最大剪切應變分布均勻，變化平緩；隨焊碾壓法應用不太廣泛，優(yōu)點是在提高焊接變形等方面效果較為理想，但缺點是設備復雜、操作復雜；隨焊激冷法能夠顯著地降低殘余應力和減少焊接變形。

合理的焊接順序可有效減小焊接殘余應力和變形量，可以改善殘余應力分布規(guī)律，能夠在多道焊接時明顯控制變形，發(fā)揮切實有效控制作用。

在選用車架結構的焊接工藝布置和焊接參數(shù)時，主要注意以下5個方面：（1）焊接方法盡可能采取較小熱輸入，利用跳焊和分段焊進行焊接，相關焊接有多層焊和二氧化碳氣體保護焊等。（2）焊接順序要合理選擇，以便使焊接件均勻受熱。焊接順序一般以先內(nèi)后外、從中間到兩端、先短后長為原則進行對稱焊接，確保冷熱均勻。（3）焊接材質(zhì)不同時，一般遵循焊前預熱、焊后回火的焊接原則，以此將焊接應力進行消除。（4）在焊接時，應注意控制焊接電流取下限值，有效降低熱輸入值。（5）在焊接過程中，還應考慮焊接材質(zhì)、板厚和焊接位置與焊縫類型、焊接工藝參數(shù)選用等因素，通過合理工藝保證焊接質(zhì)量。

3.3 焊后實施矯正控制變形

在焊接組件完成焊接后，已發(fā)生的殘余變形需要采用矯正措施來減少或消除。加熱矯正法和機械矯正法是兩種焊后矯正的主要措施。加熱矯正法主要通過整體加熱和局部加熱的方式進行矯正。

整體熱矯正主要是加熱焊接構件整體，加熱至其鍛造溫度以上，然后實施矯正，此方法稱為整體熱矯正。該方法優(yōu)點是可對形狀偏差較大的構件進行有效消除，缺點是整體加熱焊后構件，存在引發(fā)構件冶金方面副作用的風險，也因此該方法應用和推廣受到一定限制。

局部熱矯正主要是使用火焰局部加熱焊接件，焊接構件在高溫受熱后，材料發(fā)生局部熱膨脹，但構件自身存在剛性約束，局部產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后材料會收縮，可以與焊后部位伸長變形量相互抵消，實現(xiàn)矯正?；鹧婕訜岱ㄔ谏a(chǎn)實際中應用較為廣泛，一般采用氣焊焊炬，設備普及容易采購，操作方法簡單，靈活方便。

除以上變形矯正方法外，通過靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等機械力或沖擊能的方式也可以有效矯正焊接變形。

4 結束語

車架鋼結構的尺寸和自身質(zhì)量大，焊縫分布復雜，控制車架的變形相對比較困難。但是在生產(chǎn)中，根據(jù)圖紙結構、工藝要求和標準規(guī)范，在車架骨架組裝、車架焊接和焊后采取合理地方法和措施，就能有效地控制變形。

總之，在生產(chǎn)制造車架鋼結構實施過程中，一定會出現(xiàn)焊接與裝配變形，如何減少變形是每一位工程師和操作人員需要解決的實際問題，這就需要在制造生產(chǎn)每個環(huán)節(jié)采取切實有效措施，加以控制各環(huán)節(jié)變形量，每個步驟精準把控，如果超出尺寸驗收標準，需要實施變形矯正，在合理的經(jīng)濟條件范圍內(nèi)，保證車架質(zhì)量，確保使用性能和強度不出現(xiàn)問題。