彭 劍 金文濤 吳金津

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

不銹鋼車體門立柱焊接變形控制

彭 劍 金文濤 吳金津

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

本文主要分析不銹鋼車體側(cè)墻骨架組焊過程中門立柱變形的原因并通過預(yù)設(shè)反變形、工裝約束及調(diào)整焊接工藝等方法解決門立柱的焊接變形問題。

不銹鋼；門立柱；焊接變形

1 概述

出口馬來(lái)西亞的不銹鋼車輛屬A型不銹鋼地鐵車輛，由中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司負(fù)責(zé)車體組裝焊接，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特，側(cè)墻骨架為梁柱結(jié)構(gòu)，門立柱與橫梁均通過MAG焊焊接，結(jié)構(gòu)致密，焊縫集中。組焊過程中由于焊接變形量較大，焊后門角部位平面度及門立柱輪廓度超差，設(shè)計(jì)要求平面度不大于2 mm，輪廓度不大于3 mm，實(shí)測(cè)門角區(qū)域平面度最大達(dá)5 mm，門立柱區(qū)域輪廓度達(dá)6 mm，給后續(xù)內(nèi)裝零件的裝配及整車美觀帶來(lái)嚴(yán)重的影響。因此如何控制門立柱的焊接變形，保證側(cè)墻平面度及輪廓度是一大工藝難點(diǎn)。

2 原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)原因

該側(cè)墻門立柱為不銹鋼U形開口型材(見圖1)，通過輥彎工藝成型，此結(jié)構(gòu)有利于門立柱和墻板電阻點(diǎn)焊的實(shí)施，可減少弧焊結(jié)構(gòu)，降低焊接變形。但由于開口結(jié)構(gòu)型材強(qiáng)度分布不均，剛性較弱，焊接過程容易變形。門立柱與側(cè)墻橫梁焊縫相對(duì)集中且分布不對(duì)稱更加劇了門立柱的焊接變形。焊后門立柱U形內(nèi)側(cè)邊圓弧縮小，外側(cè)邊圓弧不變，外觀呈現(xiàn)錐型狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 門立柱斷面結(jié)構(gòu)圖2 門立柱焊接變形示意圖

2.2 材質(zhì)原因

出口馬來(lái)西亞的不銹鋼車體側(cè)墻門立柱的材質(zhì)為X2CrNiN18-7+C850,屬于奧氏體不銹鋼，具備優(yōu)異的韌塑性及良好的焊接性能，但其線膨脹系數(shù)大(同比碳鋼約大40%，比鐵素體不銹鋼大30%)，并且會(huì)隨著溫度的升高而相應(yīng)提高(見圖3)。故在同等熱輸入量下，奧氏體不銹鋼相對(duì)碳鋼或其他不銹鋼變形量更大。

圖3 不銹鋼線膨脹系數(shù)曲線

2.3 焊接工藝原因

門立柱與橫梁采用MAG焊焊接，焊接順序?yàn)橛蓚?cè)墻上部向下部逐根焊接(見圖4)。焊接過程未形成框架，整體強(qiáng)度低，剛性弱，每根橫梁對(duì)應(yīng)部位都會(huì)產(chǎn)生焊接變形，焊后整體門立柱變形較大。

門立柱與橫梁焊接過程中所使用的焊接電流較大(PG位置約130 A，PA位置約100 A)，焊接速度偏慢，致熱輸入量較大，高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，故焊后門立柱變形大。

圖4 側(cè)墻骨架焊接順序

3 改善措施

3.1 焊接反變形

焊接反變形法是指在焊前對(duì)工件或者工裝預(yù)置反方向的變形量以補(bǔ)償焊接變形的方法，不僅可以控制焊接變形還可以避免焊接應(yīng)力集中，很大程度上簡(jiǎn)化了不銹鋼側(cè)墻的制造工藝。反變形工藝方案如下：在側(cè)墻橫梁與門立柱焊接前先進(jìn)行點(diǎn)固，然后在門立柱中部?jī)?nèi)側(cè)圓弧根部及兩端部外側(cè)圓弧根部各墊4 mm厚墊板，使用F鉗將門立柱兩端內(nèi)側(cè)邊與工裝把緊，確保門立柱U形內(nèi)側(cè)圓弧處于拉伸狀態(tài)(圖中虛線所示)，焊后輪廓度、平面度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖5所示。

圖5 門立柱反變形示意圖

3.2 剛性約束

剛性約束法是目前應(yīng)用最廣的工藝方法之一，其操作簡(jiǎn)單，效果顯著，但由于采用外力強(qiáng)行制約焊接變形，故焊后會(huì)存在較大的內(nèi)應(yīng)力，可通過錘擊、退火、噴丸等方法釋放應(yīng)力。出口馬來(lái)西亞的不銹鋼車體門立柱剛性約束主要是通過在原工裝上增加3副門立柱垂向壓緊機(jī)構(gòu)，焊接過程中分別壓緊門立柱的圓弧中部及上下口，保證門立柱與工裝貼緊，制約焊接過程中門立柱內(nèi)側(cè)立邊的焊接收縮，焊后待焊縫完全冷卻使用木錘敲擊焊縫處釋放應(yīng)力。

3.3 改善焊接工藝

通過對(duì)變形的模擬仿真和工藝試驗(yàn)的驗(yàn)證，對(duì)焊接順序及焊接參數(shù)做了相關(guān)調(diào)整：(1)焊接過程中先焊?jìng)?cè)墻上、下口2根橫梁與門立柱連接的立焊縫再焊中部橫梁與門立柱連接的立焊縫，待所有立焊縫完全冷卻后焊接所有橫焊縫(見圖6)；(2)適當(dāng)減小焊接電流(PG位置為115 A，PA位置約85 A)，提高焊接速度，降低線能量，減少焊接變形。通過數(shù)值模擬，經(jīng)改善后的焊接工藝所得模型結(jié)構(gòu)與實(shí)際產(chǎn)品相當(dāng)，焊接變形得到很大改善(見圖7)。

圖6 改善后側(cè)墻焊接順序

圖7 門立柱焊接變形數(shù)值模擬

實(shí)施以上3種工藝方法后，焊接變形得到了有效控制，平面度、輪廓度也得到顯著改善，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)平面度最大為2 mm，輪廓度最大為2.5 mm，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖8、圖9所示。

圖8 工藝調(diào)整前側(cè)墻平面度圖9 工藝調(diào)整后側(cè)墻平面度

4 結(jié)論

通過對(duì)不銹鋼車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)及側(cè)墻骨架組焊過程進(jìn)行研究分析，明確焊接變形的原因，提出改善措施，后期通過預(yù)設(shè)反變形、優(yōu)化工藝參數(shù)、增加剛性約束以及改善焊接順序等工藝手段減小了門立柱焊接變形，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 □

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)05-0046-02

2015-11-25

彭 劍(1986-)，男，本科學(xué)歷，工程師，從事鋁合金及不銹鋼軌道車輛車體組焊工藝工作。

TG404

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