謝志勇

（中國中車天津電力機車有限公司，天津 300452）

HXD3C型機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接工藝難點解析

謝志勇

（中國中車天津電力機車有限公司，天津 300452）

本文針對HXD3C型大功率機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形控制和影響構(gòu)架疲勞強度主要焊縫的焊接質(zhì)量控制的兩大焊接工藝難點進行詳細(xì)解析，以期為HXD3C型大功率電力機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造工藝和質(zhì)量的持續(xù)改進和提高提供技術(shù)參考。

轉(zhuǎn)向架 構(gòu)架 焊接變形 疲勞強度

引言

HXD3C型大功率電力機車是HXD3型和HXD3B型電力機車的改進型。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為電力機車的關(guān)鍵部件，在機車行駛過程中起著承接各個機車部件和承受機車靜載和運行過程中劇烈振動產(chǎn)生的交變載荷的作用，其制造質(zhì)量直接影響機車運行的安全。

1 HXD3C型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點

HXD3C型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為目字型結(jié)構(gòu)，外形最大尺寸為6738mm×2710mm×1129mm，由側(cè)梁（一）、側(cè)梁（二）、牽引梁、橫梁、前端梁、后端梁及各附件組成（見圖1）。

圖1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)示意圖

2 HXD3C型構(gòu)架的主要焊接工藝難點

HXD3C型構(gòu)架選用材料Q345E優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼板，板材厚度較厚，下蓋板板厚30mm，上蓋板和立板板厚20mm。構(gòu)架制造過程中焊接量很大，共分布有40條全焊透對接焊縫、24條累計總長約80m的全焊透T型接頭角焊縫以及各類連接角焊縫。制造過程中能否有效控制焊接造成的變形，是構(gòu)架焊接的主要工藝難點。

3 HXD3C型構(gòu)架焊接變形控制工藝解析

構(gòu)架的焊接變形主要表現(xiàn)為構(gòu)架橫向和縱向的焊接收縮變形和構(gòu)架整體的焊接撓曲變形。在構(gòu)架制造過程中，要始終以構(gòu)架下蓋板為工裝定位、尺寸劃線、質(zhì)量檢驗的基準(zhǔn)面。這樣才能確保構(gòu)架制造和檢驗基準(zhǔn)的一致，并通過有效的工藝手段實現(xiàn)對構(gòu)架焊接變形的控制。

3.1 構(gòu)架的橫向和縱向焊接變形控制工藝

在構(gòu)架制造過程中，為達(dá)到構(gòu)架的圖紙設(shè)計尺寸要求，需要在制造過程中控制構(gòu)架的橫向和縱向的焊接收縮變形。通過在構(gòu)架各梁板料下料前進行焊接工藝補償放量和在構(gòu)架整體組焊時進行裝配尺寸的焊接工藝補償放量，從而有效控制焊接變形對構(gòu)架尺寸的影響。

3.1.1 構(gòu)架各梁體的焊接工藝補償放量

制造過程中，對構(gòu)架各梁體的焊接工藝補償放量通過各梁板料備料時增加下料尺寸實現(xiàn)。根據(jù)各梁體焊接量大小和梁體長度，縱向的側(cè)梁按經(jīng)驗數(shù)據(jù)1.5‰進行焊接工藝補償放量，其余各橫向梁按1‰進行焊接工藝補償放量。焊后各梁經(jīng)調(diào)直后的實際測量數(shù)據(jù)采集顯示，各橫向梁實際焊接收縮量與焊接工藝補償放量吻合，縱向的側(cè)梁實際收縮量6.5mm，比8mm的焊接工藝補償放量少收縮了1.5mm。由于側(cè)梁焊后兩端還需經(jīng)機加工坡口后才能得到成型尺寸，超出1.5mm的放量誤差并不影響側(cè)梁焊后成型尺寸?？紤]到各側(cè)梁梁體調(diào)直情況的差異，在后續(xù)構(gòu)架生產(chǎn)中，側(cè)梁仍按1.5‰進行焊接工藝補償放量。

3.1.2 構(gòu)架整體的焊接工藝補償放量

構(gòu)架整體的焊接工藝補償放量是通過在構(gòu)架整體組焊時增加構(gòu)架縱向和橫向裝配尺寸來實現(xiàn)的。由于產(chǎn)生構(gòu)架整體縱向焊接收縮變形的焊縫主要是構(gòu)架組焊時的橫向?qū)雍缚p，根據(jù)橫向?qū)雍缚p焊接量，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，在構(gòu)架長度方向裝配尺寸增加5mm的焊接工藝補償放量。由于產(chǎn)生構(gòu)架整體橫向焊接收縮變形的焊縫，主要是構(gòu)架組焊時的縱向?qū)雍缚p，根據(jù)縱向?qū)雍缚p焊接量，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，在構(gòu)架寬度方向裝配尺寸增加3mm的焊接工藝補償放量。焊后對構(gòu)架縱向和橫向關(guān)鍵尺寸實測數(shù)據(jù)采集顯示，與圖紙設(shè)計尺寸吻合。

3.1.3 構(gòu)架整體組焊時對接焊縫焊接順序

HXD3C型構(gòu)架整體組焊時對接焊縫共有36條，主要產(chǎn)生構(gòu)架的橫向和縱向的焊接收縮變形。由于構(gòu)架焊后需要進行焊后消除應(yīng)力退火，為減少構(gòu)架退火后因焊接殘余應(yīng)力被釋放產(chǎn)生的變形，在制定構(gòu)架焊接順序時，要盡量讓產(chǎn)生焊接收縮量較大的焊縫能夠在較少的結(jié)構(gòu)拘束條件下焊接，以減少結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。為此，構(gòu)架整體組焊時的焊接順序應(yīng)按照先焊接立板對接焊縫，后焊接蓋板對接焊縫；先焊接縱向?qū)雍缚p，后焊接橫向?qū)雍缚p的原則設(shè)定。經(jīng)構(gòu)架的生產(chǎn)驗證，取得了良好的構(gòu)架橫向和縱向焊接變形控制效果。

3.2 構(gòu)架的焊接撓曲變形控制工藝解析

3.2.1 構(gòu)架各梁體的焊接撓曲變形控制工藝

構(gòu)架各梁體裝配的準(zhǔn)確性，將直接影響對梁體焊接撓曲變形的控制。由于各個梁體制造過程中都采用了有定位和加緊裝置的裝配工裝，工裝上加緊裝置的工作狀態(tài)對梁體裝配尺寸和形位公差的檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。各梁體裝配尺寸和形位公差的測量，應(yīng)該在工裝上所有加緊裝置和梁體裝配定位點焊完全一致的工況下測量才有效。這是控制好梁體焊接撓曲變形的第一步，也是關(guān)鍵一步。

由于構(gòu)架的焊接撓曲變形無法完全避免，稍微的整體上撓對構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強度有益。在安排構(gòu)架各梁體焊縫的焊接順序時，要有意識地先從下蓋板和立板焊接的T型角焊縫焊起。這樣有益于梁體形成背向下蓋板的上撓，也有利于構(gòu)架的整體上撓。

在焊接長度較長的側(cè)梁（一）和側(cè)梁（二）時，兩個梁體要采用同樣的焊接順序，使焊接撓曲變形方向一致。如果需要對側(cè)梁進行二次調(diào)梁，梁體調(diào)直后也要保證兩側(cè)梁的撓度方向一致，以形成背向下蓋板的上撓。

經(jīng)實際生產(chǎn)的驗證，按以上工藝控制構(gòu)架前端梁、后端梁、中間橫梁、牽引梁四個較短梁體，焊后撓曲變形基本控制在質(zhì)量范圍內(nèi)，不需要進行二次調(diào)梁。較長梁體側(cè)梁的焊接撓曲變形基本控制在1～5mm一個較小的范圍內(nèi)。對撓曲變形超出質(zhì)量范圍的側(cè)梁梁體，則可采用油壓機機械矯形的方法進行二次調(diào)梁，直到調(diào)直梁體。

3.2.2 構(gòu)架整體的焊接撓曲變形控制工藝

構(gòu)架整體組焊時，各梁接口處立板與上、下蓋板焊接的T型角接焊縫和構(gòu)架整體組焊時與各附件焊接的角接焊縫，是產(chǎn)生構(gòu)架焊接撓曲變形的主要因素。焊接過程中，采用沿構(gòu)架的縱向方向由兩名焊工同時對稱施焊的方法，并設(shè)定合理的焊接順序，平衡好構(gòu)架上、下面角接焊縫引起的焊接變形，以有效控制構(gòu)架整體的焊接撓曲變形。經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，構(gòu)架焊后和消除應(yīng)力退火后，整體尺寸和四角高度差均符合質(zhì)量要求，撓度上撓。

4 影響HXD3C型構(gòu)架疲勞強度的主要焊縫焊接工藝難點

4.1 構(gòu)架蓋板與立板焊接的T型角接焊縫的焊接

根據(jù)構(gòu)架有限元分析，構(gòu)架焊縫疲勞強度最危險位置位于側(cè)梁下蓋板（30mm厚）與外部立板（20mm厚）焊接的T型角接焊縫上。為保證該焊縫的焊接質(zhì)量同時兼顧焊接效率，采用CLOOS焊接機器人單絲焊加雙絲焊的混合焊接工藝焊接。焊縫共5層焊道，1、2層焊道采用單絲焊，3、4、5層焊道采用雙絲焊。通過產(chǎn)前工作試件試驗發(fā)現(xiàn)，機器人焊接的主要焊縫缺陷為層間未熔合。為消除焊縫層間未熔合缺陷，改進工藝后，確定將CLOOS焊接機器人各層的焊接位置設(shè)置，如圖2所示。通過多次驗證此焊接位置的工作試件，結(jié)果顯示焊縫均未再出現(xiàn)層間未熔合焊接缺陷，從而確保了焊縫的焊接質(zhì)量。

4.2 后端梁、橫梁的下蓋板與電機吊座焊接的X型坡口對接焊縫

根據(jù)HXD3C型構(gòu)架檢修數(shù)據(jù)采集，構(gòu)架后端梁和橫梁的下蓋板與電機吊座焊接的4條X型對接焊縫最容易發(fā)生疲勞失效（焊縫位置見圖3）。因此，保證該四條焊縫的焊接質(zhì)量，對保證構(gòu)架的疲勞強度非常重要。

圖2 Cloos焊接機器人焊縫各層之間的焊接位置示意圖

X型坡口對接焊縫的疲勞失效，主要是由處于焊縫中間部位的焊縫根部缺陷擴展成裂紋造成的。如果在焊接過程中X型坡口對接焊縫根部清根不徹底，將會很容易產(chǎn)生根部焊接缺陷。在受動載的構(gòu)架結(jié)構(gòu)中，這種缺陷演變成裂紋后，會由焊縫中部向焊縫上、下表面擴展，造成接頭疲勞失效的速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于構(gòu)架上其他接頭型式的對接焊縫。

為保證這4條X型對接焊縫的焊接質(zhì)量，必須在雙面焊時對焊縫根部清根徹底。必要時，可使用碳弧氣刨深度清根，再用砂輪手動打磨出金屬光澤后焊接。焊后要對X型坡口焊縫進行RT正反雙面的探傷檢查，以確保焊縫質(zhì)量。

圖3 X型坡口對接焊縫位置圖

5 結(jié)束語

HXD3C型大功率機車轉(zhuǎn)向架的使用實踐證明，只有控制好構(gòu)架的整體焊接質(zhì)量，才能控制好轉(zhuǎn)向架的制造質(zhì)量，才能確保轉(zhuǎn)向架的使用安全和使用壽命。

[1]俞尚知.焊接工藝人員手冊[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991.

Analysis on Welding Process of HXD3C Locom otive Bogie Frame

XIE Zhiyong
(Chinese Zhongche Tianjin Electric Locomotive Co. Ltd, Tianjin 300452)

This paper for hxd3c type high power locomotive steering frame welding deformation control and influence the fatigue strength of the bogie main weld welding quality control of two welding process difficulty were analyzed, in order to hxd3c high-power electric locomotive steering frame manufacturing process and quality continued to improve and enhance the technical reference.

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