FXD1型機(jī)車(chē)司機(jī)室前部封板焊接變形控制及矯正工藝

王宏軍，陳勝來(lái)，祁 劍

（中車(chē)大同電力機(jī)車(chē)有限公司，山西 大同 037038）

FXD1型機(jī)車(chē)司機(jī)室前部封板是司機(jī)室關(guān)鍵部件之一，上與機(jī)車(chē)頭罩連接，下與開(kāi)閉裝置連接，處于兩部件之間的“夾層”位置，其組焊質(zhì)量會(huì)直接影響連接部件的裝配尺寸和司機(jī)室的密封性。針對(duì)司機(jī)室前部封板出現(xiàn)的拱曲變形，應(yīng)做好以下準(zhǔn)備工作：分析構(gòu)件變形的原因，弄清構(gòu)件變形究竟是由外力引起的，還是由內(nèi)應(yīng)力引起的；分析構(gòu)件的內(nèi)在聯(lián)系，搞清各個(gè)零件之間的制約關(guān)系；選擇正確的矯正部位，先解決主要矛盾，然后解決次要矛盾；掌握構(gòu)件所用鋼材的性質(zhì)，以防矯正時(shí)造成工件折斷，產(chǎn)生裂紋或回彈；根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定矯正的方法及矯正的先后順序。

1 司機(jī)室前部封板結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

司機(jī)室前部封板由板厚為10 mm的固定罩安裝法蘭、板厚為2 mm的司機(jī)室前封板、筋板等部件組成（見(jiàn)圖1），構(gòu)件平面度技術(shù)要求為±1 mm。

圖1 司機(jī)室前部封板結(jié)構(gòu)

2 構(gòu)件變形原因分析

在FXD1型機(jī)車(chē)試制中司機(jī)室前部封板出現(xiàn)了拱曲變形，變形發(fā)生在固定罩安裝法蘭的中部，拱曲值達(dá)到20 mm。分析后認(rèn)為，固定罩安裝法蘭X形對(duì)接接頭的焊接是構(gòu)件產(chǎn)生變形的原因之一，主要是由固定罩安裝法蘭與司機(jī)室前封板Z3焊縫的縱向收縮引起的。為了避免焊接構(gòu)件的彎曲變形，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中力求使焊縫位置對(duì)稱于焊接構(gòu)件的中性軸，或者接近于中性軸，因?yàn)檫@樣有可能使中性軸兩側(cè)焊縫產(chǎn)生的彎曲變形完全抵消或部分抵消。焊縫接近于構(gòu)件中性軸，可以使焊縫收縮引起的彎曲力矩減小，從而使構(gòu)件彎曲變形也減小[1]。

圖2為Z3焊縫的焊接位置圖。從圖2-b中可以看出，由于Z3焊縫處于構(gòu)件斷面中性軸以下，上側(cè)無(wú)焊縫，因此難以用焊縫之間的相互作用來(lái)減小焊接變形，Z3焊縫的縱向收縮會(huì)引起構(gòu)件產(chǎn)生上撓度，而且焊縫愈長(zhǎng)引起的上撓度愈大，焊接熱輸入量愈大引起的上撓度也愈大。

圖2 Z3焊縫的焊接位置

第132頁(yè)圖3為X形焊縫的焊接位置。如圖3所示，固定罩安裝法蘭的X形對(duì)接接頭焊接時(shí)，按照預(yù)計(jì)的變形如果先焊X形坡口上面的V形焊縫，焊后產(chǎn)生的變形正好與構(gòu)件的拱曲變形方向相反，能抵消或部分抵消構(gòu)件的拱曲變形。焊接后，V形焊縫的另一面出現(xiàn)了凸起的棱形，這是由先焊焊縫的收縮量大于后焊焊縫的收縮量造成的。事實(shí)證明，變形非但沒(méi)能相互抵消，而且增加了新的變形，影響了構(gòu)件的矯正效率。構(gòu)件焊接后，由于變形量過(guò)大，平面度要達(dá)到±1 mm的技術(shù)要求難度較大，所以選用合理的焊接工藝和有效的矯正手段才是保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提。

圖3 X形焊縫的焊接位置

3 拱曲變形的控制及矯正工藝

3.1 拱曲變形控制工藝

1）采用剛性固定法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行焊接。采用這種方法來(lái)預(yù)防構(gòu)件的撓曲變形，效果遠(yuǎn)不及反變形法[2]。但是從構(gòu)件的結(jié)構(gòu)來(lái)看，如果采用反變形法進(jìn)行焊接，構(gòu)件兩端的支點(diǎn)與中間的施力點(diǎn)不在同一條直線上，反變形時(shí)可能會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生其他形式的變形，所以宜采用剛性固定法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行焊接，在一定程度上能起到抑制拱曲變形的作用。

2）嚴(yán)格控制焊接參數(shù)。Z3焊縫的縱向收縮是構(gòu)件產(chǎn)生拱曲變形的主要原因，所以焊接該焊縫時(shí)，在保證焊縫強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡量采用較小的焊接參數(shù)（即較細(xì)的焊絲和較小的焊接電流）來(lái)控制焊接熱輸入量，減少拱曲變形[3]，并采用斷續(xù)焊接的方法分?jǐn)?shù)次完成焊接，這也是減少焊接熱輸入量行之有效的方法。此外，X形坡口的單面V形焊縫不能一次焊接成型，應(yīng)采取分層、對(duì)稱的方法進(jìn)行焊接，這樣X(jué)形接頭就不易產(chǎn)生變形。

3.2 構(gòu)件矯正工藝

在構(gòu)件焊接時(shí)雖然采取了剛性固定及減少焊接熱輸入量等措施，但是由于Z3焊縫引起的焊接收縮力較大，外力卸載后仍然出現(xiàn)了較大的上拱度，此時(shí)可采用火焰矯正法進(jìn)行調(diào)平，火焰加熱及錘擊點(diǎn)位置見(jiàn)圖4。

圖4所示的加熱面積可以分批次在固定罩安裝法蘭上表面進(jìn)行布置，1-1表示為第一批第一處加熱，先在彎曲最大處加熱；第二批加熱處布置在彎曲第二大處，第二批要在第一批冷卻后進(jìn)行加熱布置，以此類(lèi)推。值得注意的是每個(gè)批次的加熱一定要按照梁體的中心位置對(duì)稱進(jìn)行。加熱深度為固定罩安裝法蘭的1/2～2/3板厚，加熱寬度為1～2倍板厚，加熱溫度為600～700℃，呈櫻紅色。加熱過(guò)程必須具有溫差才能達(dá)到矯正的目的，所以加熱速度要快，火焰要垂直于加熱體的表面進(jìn)行移動(dòng)。由于板材的材質(zhì)為Q460E，澆水冷卻易產(chǎn)生脆硬現(xiàn)象，所以冷卻方式為空冷[4]。為了加快矯正速度，火焰矯正時(shí)應(yīng)利用壓緊裝置把變形位置壓至與平臺(tái)緊密貼合，利用外力的輔助作用快速達(dá)到矯平的目的。

圖4 火焰加熱及錘擊點(diǎn)位置

實(shí)施上述措施后上拱度有了明顯的減小，但檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)平面度未達(dá)到±1 mm的技術(shù)要求。分析后認(rèn)為，由于拱曲變形量過(guò)大，固定罩安裝法蘭上表面的纖維伸長(zhǎng)量也隨之加大，雖然進(jìn)行了數(shù)次加熱，但是固定罩安裝法蘭上、下表面纖維長(zhǎng)度還未達(dá)到平衡，所以出現(xiàn)這個(gè)結(jié)果是合理的。根據(jù)這個(gè)思路進(jìn)行思考，解決方案就有了。因?yàn)闃?gòu)件變形是由Z3焊縫引起的，要使收縮后焊縫的根部延展伸長(zhǎng)，變形才能消失，所以矯正時(shí)就應(yīng)從這里著手，即用手錘在圖4所示的錘擊點(diǎn)位置進(jìn)行錘擊，先從左到右均勻地錘擊，再?gòu)挠业阶筮M(jìn)行錘擊。錘擊力不能過(guò)大，以免固定罩安裝法蘭表面產(chǎn)生疤痕，每錘擊一遍后用平尺進(jìn)行測(cè)量，直到固定罩安裝法蘭上、下表面纖維長(zhǎng)度趨于平衡，此時(shí)構(gòu)件的平面度也就滿足了±1 mm的技術(shù)要求。構(gòu)件矯正前、后效果對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 構(gòu)件矯正前、后對(duì)比

4 結(jié)論

從構(gòu)件為20 mm的拱曲變形，到構(gòu)件的平面度被控制在±1 mm的范圍，主要是通過(guò)剛性固定法→減少焊接熱輸入量→X形坡口的焊接順序法→火焰矯正工藝→手工錘展法的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。矯正工藝中手工錘展法起到了關(guān)鍵性作用，因?yàn)閿?shù)次加熱消耗了金屬材料過(guò)多的塑性儲(chǔ)備，導(dǎo)致后批次火焰矯正的變形量急劇下降，矯正效果不明顯。本實(shí)例中正是因?yàn)椴捎昧耸止ゅN展法，使固定罩安裝法蘭上、下表面的纖維長(zhǎng)度達(dá)到一致，才得以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件平面度±1 mm的技術(shù)要求。實(shí)踐證明制定的控制及矯正措施行之有效，不但保證了司機(jī)室裝配的試制進(jìn)度，而且避免了因變形量過(guò)大造成的構(gòu)件報(bào)廢。