1750kW蓄電池機(jī)車底架側(cè)梁焊接變形控制及矯正工藝

文/王迎斌，王宏軍·中車大同電力機(jī)車有限公司

1750kW蓄電池機(jī)車底架側(cè)梁在試制過程中容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，通過調(diào)整焊接順序并且利用反變形工藝進(jìn)行梁體組焊，使底架側(cè)梁的平面度、旁彎以及撓度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，避免了大面積火焰矯正給梁體材質(zhì)帶來的不利影響，有效地降低了底架側(cè)梁的焊接變形量，為后續(xù)的批量生產(chǎn)提供了技術(shù)依據(jù)。

梁體結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

1750kW蓄電池機(jī)車底架側(cè)梁為箱型結(jié)構(gòu)，全長19046mm分三段拼接而成，如圖1所示。梁體主要是由外板、隔板、立板和筋板等部件組成。技術(shù)要求為：梁體的直線度為2mm/m，全長不大于4mm；梁體焊后調(diào)平、調(diào)直；底架側(cè)梁的主要焊縫布置在梁體的中下部，其中梁體外板R處無焊縫。由于焊縫不對(duì)稱，梁體焊接后極易產(chǎn)生變形。

圖1 底架側(cè)梁焊接截面

焊接結(jié)構(gòu)變形分析

為了減小焊接后構(gòu)件的彎曲變形，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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，這樣就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，從而減小構(gòu)件彎曲變形。這里僅選取了底架側(cè)梁其中的一段進(jìn)行分析。如圖2所示，側(cè)梁隔板與立板的連接焊縫（5HY，a6）和外板與隔板的連接焊縫6HY都處于中性軸x-x軸的上方，兩條焊縫的縱向收縮使梁體向x-x軸方向產(chǎn)生彎曲，即梁體在垂直方向產(chǎn)生了下?lián)?；外板與立板的連接焊縫a4和隔板與立板的連接焊縫（5HY，a6）都處于中性軸y-y軸的左側(cè)，兩條焊縫的縱向收縮又使梁體向y-y軸方向產(chǎn)生彎曲，即梁體在水平方向產(chǎn)生了旁彎，并且兩種彎曲變形的程度均較為嚴(yán)重。如圖3所示，外板與隔板連接焊縫6HY的橫向收縮又使側(cè)梁外觀面產(chǎn)生了角變形，直接影響到側(cè)梁外觀面的平面度。1750kW蓄電池機(jī)車上撓度設(shè)計(jì)要求是12～18mm，而底架側(cè)梁焊接后的下?lián)隙戎颠_(dá)到了約20mm，這對(duì)于底架裝配時(shí)撓度的控制非常不利，所以控制梁體的焊接變形是此次試制任務(wù)中必須要解決的問題。

圖2 梁體變形方向

梁體焊接變形的控制

梁體彈性反變形法

如圖4所示，梁體彈性反變形時(shí)的方向要與梁體焊接后的變形方向相反，彈性反變形矯正力的大小應(yīng)以垂直壓緊裝置或水平頂緊裝置的伸出長度表示，根據(jù)梁體的變形程度，記錄每次頂桿的伸出長度，直至確定出最佳矯正效果的伸出長度。

圖4 梁體彈性反變形方向

選擇合理的焊接方向和焊接規(guī)范

焊接方向應(yīng)當(dāng)從最受限制的區(qū)域朝較少受限制的區(qū)域進(jìn)行焊接，由于反變形過程中梁體的中部在水平和垂直方向都施加了一定的作用力，中間位置受到了更多的限制，所以應(yīng)從梁體中部向兩側(cè)進(jìn)行焊接。要盡量避免隔板與立板的連接焊縫（5HY，a6）一次性焊接填充，控制好焊接熱輸入量，減少梁體向水平或垂直方向變形的趨勢。可采用能夠使熱量分散的分段退焊法進(jìn)行焊接，并且在保證焊縫熔深的情況下盡量避免焊接參數(shù)過大，即采用較細(xì)的焊絲和較小的焊接電流進(jìn)行焊接，以免造成熱輸入加大，增加梁體的變形程度。

由于筋板的數(shù)量較多，焊接時(shí)不同的焊接方向會(huì)引起不同的變形情況和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，因此要盡可能使焊縫收縮引起的變形與梁體焊后變形方向相反。以外板與筋板、立板與筋板a4焊縫為例進(jìn)行說明，如圖5所示，焊接①焊縫時(shí)采用同一方向“直通”焊接，即從自梁體R圓弧處向立板方向進(jìn)行焊接。由于每道焊縫都是始焊端的橫向收縮略大于終焊端，導(dǎo)致焊縫①的橫向收縮引起梁體向立板方向產(chǎn)生了彎曲變形，恰好與梁體焊后產(chǎn)生的彎曲變形方向相反，減小或部分抵消了梁體的變形程度；同理焊接②③焊縫時(shí)，應(yīng)由梁體底部向上進(jìn)行焊接，②③焊縫的橫向收縮引起梁體產(chǎn)生向上拱曲變形，恰好與梁體焊后產(chǎn)生下?lián)献冃蔚姆较蛳喾?。采取上述措施后，梁體變形程度得到了一定的控制，減少了后續(xù)火焰矯正的工作量。

圖5 a4焊縫的焊接方向

選擇合理的焊接順序

合理的焊接順序能夠減小梁體的變形程度。如圖6所示，由于大部分貫通的長焊縫集中在x-x軸的上方和y-y軸的左側(cè)，如果先焊焊縫2和焊縫3，將會(huì)引起梁體向y-y軸右側(cè)方向產(chǎn)生較大的彎曲變形。如果先焊焊縫1，再焊焊縫2和焊縫3，梁體向y-y軸右側(cè)方向產(chǎn)生的彎曲變形就會(huì)減小。由于焊縫1的縱向收縮使梁體向y-y軸左側(cè)方向產(chǎn)生彎曲變形，這樣就能夠部分抵消焊縫2和焊縫3焊接后梁體向y-y軸右側(cè)方向產(chǎn)生的變形。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，先焊焊縫1比先焊焊縫2和3梁體水平彎曲的變形程度減小了8mm。

圖6 焊縫1、焊縫2、焊縫3的焊接順序

梁體火焰矯正工藝

火焰矯正的效果關(guān)鍵在于加熱位置、加熱形狀和加熱先后順序的選擇，因此火焰矯正前一定要全面分析構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件焊后變形的大小和方向，以制定出合理的矯正方案。

梁體加熱位置的選擇

如圖7所示，矯正旁彎時(shí)，首先要確定火焰矯正的位置。第一組加熱線應(yīng)該選擇在梁體R1的棱線上；第二組加熱線必須選擇在隔板與外板連接焊縫的背燒處，加熱線只有選擇在這個(gè)位置上，矯正梁體旁彎的效果才明顯，第二組加熱線在矯正梁體旁彎的同時(shí)，還能夠矯正由于外板與隔板連接焊縫6HY橫向收縮產(chǎn)生的角變形。如果第二組加熱線選擇在R2棱線上，梁體只能在“局部”產(chǎn)生變形，但是“整體”并未發(fā)生變化或變化不大，梁體的旁彎及平面度非但得不到矯正，R2棱線還會(huì)由于過熱產(chǎn)生矯過現(xiàn)象。所以火焰矯正前一定要分析梁體的結(jié)構(gòu)及部件之間相互制約的關(guān)系，加熱位置如果選擇不正確，火焰矯正的效果不明顯或者可能會(huì)產(chǎn)生與矯正方向相反的變形。

圖7 矯正旁彎時(shí)的加熱位置

底架側(cè)梁使箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，雖然焊接工藝改進(jìn)后使梁體的下?lián)隙戎涤兴鶞p小，但是1750kW蓄電池機(jī)車上撓度設(shè)計(jì)要求是12～18mm，加上側(cè)梁焊接后還處于下?lián)蠣顟B(tài)，如果底架裝配時(shí)靠頂、拉等強(qiáng)制狀態(tài)達(dá)到上撓度設(shè)計(jì)要求，難度會(huì)很大。所以底架裝配時(shí)，側(cè)梁的上撓度就要提前預(yù)制出來，為了以最少的加熱次數(shù)獲得最佳的矯正效果，火焰矯正位置的選擇也很關(guān)鍵。如圖8所示，第一組加熱線應(yīng)該選擇在R1棱線上，由于第一組加熱線在矯正梁體旁彎時(shí)剛剛完成加熱，因此第二組加熱線應(yīng)選擇在外板與立板焊縫的背燒處。加熱時(shí)按照圖示的順序，從中間向兩側(cè)進(jìn)行線狀加熱。前面所述側(cè)梁的上撓度需要提前預(yù)制出來，以上兩組加熱線還不能使梁體的撓度值達(dá)到技術(shù)要求，所以還要增加一組加熱線。第三組加熱線必須選擇在筋板與外板焊縫的背燒處，加熱順序與第二組加熱線相同。冷卻后對(duì)梁體的撓度進(jìn)行測量，由于加熱位置和加熱順序選擇比較合理，每組加熱線僅需一次加熱，梁體的上撓度就達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，避免了多次加熱給梁體材質(zhì)帶來的不利影響。

圖8 矯正梁體撓曲變形時(shí)的加熱位置

湖北省轄地級(jí)市、省會(huì)，副省級(jí)市、國家中心城市、超大城市，國務(wù)院批復(fù)確定的中國中部地區(qū)的中心城市。

中華地理

那些年李白詩歌代言的地方

06

江城

現(xiàn)名 武漢

省份湖北

榮譽(yù)稱號(hào)： 九省通衢 濕地之城

點(diǎn)名金句： 黃鶴樓中吹玉笛 江城五月落梅花

優(yōu)選景點(diǎn)： 東湖風(fēng)景區(qū) 黃鶴樓 木蘭八景 晴川閣 歸元禪寺

輕解淺析： 商朝方國宮 西漢始建制 崔顥登黃鶴 謫仙詩江城

明時(shí)楚王地 奠定三鎮(zhèn)基 辛亥首義處 今時(shí)鄂省會(huì)

上述火焰矯正是在自由狀態(tài)下完成的，為了提高矯正效率也可增加外力進(jìn)行矯正。但需要注意的是，施加的外力不能過大，否則在加熱過程中梁體會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，加熱處會(huì)產(chǎn)生皺褶或過矯現(xiàn)象。

結(jié)束語

針對(duì)底架側(cè)梁焊接后出現(xiàn)的變形，進(jìn)行了分析并制定出了相應(yīng)的控制措施，主要是通過梁體彈性反變形法→減少焊接熱輸入量→焊接順序法→火焰矯正等工藝實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐表明，制定的工藝方案行之有效，不但減少了火焰矯正的工作量，還為后續(xù)底架的裝配提供了質(zhì)量保證。