作业车转向架构架焊接变形控制技术分析
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毕红雪 王二辉 丁磊 孙立国
摘要： 通过对JW4G转向架构架及侧梁组焊工艺进行分析，重点，介绍了焊接变形的种类及产生原因。通过对不同焊接结构易产生的焊接变形种类进行分析，分别运用合理的下料工艺、焊接工艺及适用的工艺装备，较好地控制了构架的焊接变形，降低了劳动强度、提高了生产效率。
关键词： JW4G转向架； 焊接变形；焊接工艺
中图分类号： TG404
1 转向架构架简介转向架作为机车车辆的主要部件，对行车安全起着至关重要的作用，构架作为转向架的重要承载和传力构件，不仅要承载车体、电机及各种零部件，还要传递车体与轮对之间的各种横向、纵向及垂向力[1]。JW4G型接触网作业车转向架构架由两个侧梁、一个横梁、两个端梁及各种小附件组成，其中侧梁是该构架最为重要的大部件，它是砂箱座、液压减震器座、拉杆座、拐臂座、弹簧座等附件的定位基础，受力情况十分复杂，它质量的优劣直接影响到整体加工、组件装配，甚至影响车辆的正常运行。
2 构架焊接性
2.1 焊接性概念
金属焊接性是指金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具有一定使用性能的焊接接头的特性。理论上来讲，只要在熔化状态下能够形成液态的任意两种金属或合金都可以经过熔焊形成接头。但工艺的复杂程度不同，所形成的接头有的质量及性能也有差异。所以，金属焊接工艺过程简单而接头质量高、性能好时就称作焊接性好；反之，就称作焊接性差。
2.2 焊接性分析
由于钢的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响，因此可以用化学成分来分析其冷裂敏感性。在各种元素中，碳是对冷裂纹敏感性最显著的一种，因而将各种元素都按相当于若干含碳量折合并叠加，求得碳当量，用CE或Ceq来估计冷裂倾向的大小。国际焊接学会采用CE=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5。此式适用于中高强度的非调质低合金高强钢。CE≤0.45%时，焊接厚度25 mm的钢板可以不预热，焊接性较好[2]。
JW4G构架主要采用厚度在8～14 mm的Q345B型钢板，属于低合金钢，其化学成分如表1所示。
根据上述公式，可以求得Q345B低合金钢的碳当量CE≤0.43%，产生冷裂纹的倾向较小，焊前不需要预热。
3 焊接变形
3.1 焊接变形的分类及产生原因
3.1.1 纵向及横向收缩
由于电弧焊是对金属的局部进行加热，造成焊件上温度的不均匀分布，在电弧下的金属温度达到了熔化温度，离开电弧处的金属温度急剧下降，而远离电弧的金属还未加热。不均匀的温度场造成焊件的焊接变形及应力的产生。
3.1.2 角变形
角变形主要是因为焊缝横截面形状上下不对称，从而使焊缝横截面上下焊接收缩量不一致而产生的。
3.1.3 弯曲变形
弯曲变形主要是由于纵向变形、横向变形及角变形综合引起的。焊缝在结构上的布置不对称、各方向的收缩量不均匀也会造成弯曲变形。
3.1.4 波浪变形
主要出现在薄板焊接结构中，产生的原因主要是由于焊缝的纵向缩短对薄板边缘造成的压应力或横向缩短造成的角变形。
3.1.5 扭曲变形
产生的原因可能是装配质量不好、工件搁置不当以及焊接顺序和焊接方向不合理。
3.2 控制焊接变形常用措施
（1）减小焊缝截面积 ，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下 ，尽可能采用较小的坡口尺寸（角度和间隙）。（2）对屈服强度在345 MPa以下 ，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入 ，尽可能不预热或适当降低预热、层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法 ，如 CO2气体保护焊。（3）厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。（4）采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。（5）采用刚性夹具固定法控制焊后变形。（6）采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形。（7）在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要采取合理的焊接顺序[3-4]。
4 侧梁及构架组焊工艺
JW4G构架由侧梁、横梁及端梁组成的＂日＂字形框架（如图1所示），而侧梁（如图2所示）及横梁均是由上下盖板、立板及筋板组成的箱型梁，故选取侧梁及构架整体的组焊工艺作为典型，重点介绍两者在生产中采用的控制焊接变形的措施。
4.1 侧梁组焊工艺
侧梁整体组焊工艺流程为：立板筋板工装组对→下盖板组对→内部焊缝焊接→上盖板组对→外部焊缝焊接→调校。为了控制焊接变形，采取了如下工艺措施。
4.1.1 焊接收缩放量
侧梁全长3 440 mm，外部通长的焊缝的接头形式为开坡口的角接头，因焊缝长度过长且焊接量较大，很容易造成纵向收缩变形。为解决这一问题，在侧梁的立板及上下盖板下料时进行同步焊接工艺放量，放量尺度为侧梁全长的0.15%～0.2%，共放量6 mm。
4.1.2 合理的焊接顺序
侧梁内部焊缝的焊接在变位机上进行，焊接前将需要焊接的焊缝调整为船型焊，通过规范侧梁内部焊缝的焊接顺序来尽可能消除焊接变形的产生。在内部焊缝焊接时采用两人分中焊的方法，即：隔板与下盖板焊接时，由两名焊工分别从中间向两边进行施焊（如图3所示）；隔板与立板焊接时，由两名焊工分别从中间向两边进行施焊（如图4所示），这种焊接方法可以有效的减少侧梁的焊接变形。
4.1.3 刚性固定
在组焊侧梁内部焊缝时，为防止侧梁因焊接造成弯曲变形和波浪变形，设计了侧梁组焊工装（如图5所示）。在焊接前将侧梁放置在组焊工装上，并用丝杠将侧梁从横向及垂向方向分别固定夹紧后进行焊接，减少侧梁因焊接产生的变形。
4.1.4 减少热输入
因Q345B鋼的淬硬倾向较小，故采用热输入较小的CO2气体保护焊的焊接方法；由于母材均为8～14 mm的中薄板，故焊前不需要进行预热处理。
4.1.5 机械校正
侧梁在外部焊缝焊接完成后，将侧梁在检测平台检测侧梁长度及两端部位的平面度。由于焊缝的布置不是完全对称，在焊接后会产生端部的弯曲变形。即使采取以上诸多措施来控制，焊接变形仍难以完全消除。在侧梁制造的最后一道工序，将侧梁放置在双头压力机下进行机械校正，以保证侧梁满足图纸技术要求。
4.2 构架组焊工艺
构架组焊工艺流程为：构架组对→构架检查→构架焊接→构架精整→焊缝探伤→构架整体退火热处理。为了控制焊接变形，采取了如下工艺措施：
4.2.1 焊接收缩放量
JW4G构架由侧梁、横梁及端梁组成的＂日＂字形框架，组焊后构架宽度尺寸为2 176 mm。由于侧梁与横梁采用八条开坡口的对接焊缝以及四条角焊缝的焊接结构，焊接量较大且横向收缩变形较严重，故在构架组对时预留了2 mm的组对间隙，以保证构架组焊完成后的尺寸满足设计要求。4.2.2 合理的焊接顺序
为防止因焊接收缩而造成组焊后尺寸超差，设计焊接顺序的思路为：在工装压紧后先对所有适焊部位的连接焊缝进行打底焊，使构架连接成为一个稳定、封闭的框架结构，然后上焊接变位机装卡，将焊缝翻转至平焊或平角焊位置对剩余焊缝进行盖面焊。具体焊接顺序如下：侧梁与横梁立焊缝打底焊接→侧梁与横梁角焊缝打底焊接→侧梁横梁对接焊缝焊接→侧梁横梁角焊缝焊接→侧梁端梁角焊缝焊接→变位机装卡→盖面焊。因构架为对称焊接结构，故在进行各条对称焊缝的焊接时，安排两名焊工同时施焊以使焊接产生的应力互相抵消，从而减少焊接变形。
4.2.3 刚性固定
在构架整体组焊时，为防止构架因焊接造成弯曲变形，设计了构架组焊工装（如图6所示）。在焊接前将侧梁、横梁及端梁放置在组焊工装上，并用丝杠将侧梁从横向及垂向方向分别固定夹紧后进行焊接，减少构架因焊接产生的变形。
4.2.4 减少热输入
同侧梁焊接一样，构架的焊接也采用热输入较小的CO2气体保护焊的焊接方法，且焊前不需要进行预热处理。在焊接量较大的横梁与侧梁对接焊缝处，采用多层多道焊的方法，减少焊接热输入量以控制焊接变形。
4.2.5 热处理
在侧梁及构架的生产中存在大量的刚性固定，导致构架的金属结构内部存在较大的残余应力；对侧梁变形进行的机械校正，又导致外部施加载荷引起的应力，两种应力不是简单的叠加，对结构的影响也十分复杂。它们的存在不仅降低了承载结构的承载能力，而且影响结构的装配精度，最终影响设备的工作质量和使用寿命以及列车运行的安全性。因此，为了消除结构内部的各种应力，采用构架组焊后整体热处理的方法来消除应力，减少下工序构架整体加工时因应力释放造成的加工变形。
5 结论
通过采用预留长度法、刚性固定法、减小热输入量法、机械校正法等工艺措施，有效的控制了焊接变形，同时通过热处理手段消除了内部的焊接残余应力，为后续构架的整体加工以及转向架的组装提供了质量保证。虽然采取了种种的工艺措施来尽可能的控制焊接变形，但是我们还应该清醒的认识到：焊接作为一个特殊工序，有焊接存在的地方就有焊接变形，它可能减小但不可能完全消除，这也为进一步优化焊接工艺提供了方向和可能性。
参考文献
[1] [ZK（#]王红，赵邦华.我国车辆焊接转向架研制及引进运用现状[J].甘肃科学学报，2007（5）：10-14.
[2] 张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 李季.焊接应力、焊接变形的产生和控制[J].中国新技术新产品， 2010（2）：4-6.
[4] 马淑芹. 浅析焊接應力与焊接变形产生的原因及控制措施[J]. 今日科苑， 2010（18）：130-130.