■ 劉成，崔巖，柳士強，畢越寬

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1. 概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，地鐵已成為城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，它不僅是市民工作和生活的重要保障，更是城市經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)。修建地鐵成為大多數(shù)城市解決城市交通擁擠問題的優(yōu)先舉措。其中現(xiàn)代地鐵車輛的類型主要有三種：A型車、B型車和C型車，其中，A型車和B型車是目前我國地鐵交通系統(tǒng)中的主車型，A型車以載客量大越來越受到城市的青睞，本文以A型為例分析地鐵側(cè)梁焊接變形。

構(gòu)架側(cè)梁是機車車輛的重要承載部件，在其生產(chǎn)過程中面臨的主要問題是如何控制焊接殘余變形，降低殘余應(yīng)力。在設(shè)計結(jié)構(gòu)一定的情況下，可采用焊前的預(yù)防措施或焊后矯正措施，焊前的預(yù)防措施包括預(yù)調(diào)整焊接順序、剛性固定法和反變形法等，這些措施可以控制焊接殘余變形但不能降低焊縫中的殘余應(yīng)力；焊后的矯正措施常用的有局部加熱嬌正法等，相比幾種焊接變形矯正的方法，局部加熱矯正法會帶來以下不利影響：①火焰矯正引起的應(yīng)力與焊接應(yīng)力一樣．都是內(nèi)應(yīng)力，因不恰當(dāng)?shù)某C正產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與焊接內(nèi)應(yīng)力和負載應(yīng)力相疊加時，會使構(gòu)件的縱向應(yīng)力超過允許應(yīng)力，從而導(dǎo)致承載安全系數(shù)的降低。②側(cè)梁組成反復(fù)烤火還會造成熱輸入的增加，熱影響區(qū)擴大，組織晶粒粗化，接頭強度、韌性降低，對轉(zhuǎn)向架的整體性能有一定影響，給行車的安全帶來了隱患。

由上述可知為保證側(cè)梁焊接完成后變形量最小，我們應(yīng)該通過調(diào)整組裝反變形量、改進側(cè)梁組成的焊接順序、焊接方向和焊接參數(shù)等創(chuàng)新，達到減小側(cè)梁組成焊后變形和減少焊后調(diào)修的目的。

2. A型側(cè)梁組成產(chǎn)生焊接變形原因分析

（1）側(cè)梁結(jié)構(gòu)特點 研究對象為A型地鐵轉(zhuǎn)向架側(cè)梁，側(cè)梁為典型的“箱體、魚腹”式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)固、可實現(xiàn)載荷良好傳遞的性能，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其內(nèi)腔只有4塊支撐筋板焊接，側(cè)梁外側(cè)焊縫填充量占整條側(cè)梁的填充量90%以上，因此側(cè)梁焊接主要熱輸入為側(cè)梁外側(cè)焊縫焊接。

采用熔化極活性氣體保護焊，手工焊接設(shè)備為Trans Steel 5000nc的福尼斯焊機（見圖2），機器人焊接設(shè)備為型號CLOOS ROMAT 310的CLOOS焊接機器人（見圖3），鋼板材質(zhì)為S275J2C耐候鋼，焊接材料為ISO 14341-A-G 38 3 M G3Si1焊絲、直徑1.2mm，保護氣體為ISO14175-M21（80%Ar+20%CO2）。

（2）尺寸分析 A型地鐵轉(zhuǎn)向架側(cè)梁為經(jīng)典的箱型焊接結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

本文為分析側(cè)梁焊接完成后變形量，研究側(cè)梁焊接每步的焊接變形量，整條側(cè)梁焊接分為三步：①下蓋板焊接：側(cè)梁下蓋板與左右兩一系彈簧座的焊接，焊縫形式為16V，四層四道焊接，采用手工焊接。②側(cè)梁內(nèi)腔焊接：側(cè)梁內(nèi)外立板、側(cè)梁內(nèi)部4塊筋板與下蓋板焊接，焊縫形式為a4，單層單道焊接，采用手工焊接。③側(cè)梁外側(cè)長焊縫焊接：焊接側(cè)梁內(nèi)外立板與側(cè)梁上下蓋板的長焊縫，焊縫形式為16HV與12HV，其中16HV在圖4中的A區(qū)和B區(qū)位置，焊縫長度為2144mm，12HV在圖4中除A區(qū)和B區(qū)外的長焊縫，焊縫長度為14100mm，均為三層三道焊接。外側(cè)焊縫焊接質(zhì)量要求高、焊接量大，采用傳統(tǒng)的焊條電弧焊不僅生產(chǎn)效率低，而且焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。將機器人焊接技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架焊接是提高生產(chǎn)效率，保證焊接質(zhì)量和提高構(gòu)架可靠性的有效方法，因此外側(cè)四條長焊縫采用機器人焊接。

圖1 A型地鐵轉(zhuǎn)向架側(cè)梁示意

圖2 福尼斯焊機

圖3 CLOOS焊接機器人

表1是根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計每道焊接工序完成后的焊接變形，圖4箭頭方向變形為正值。通過表1可以看出，在下蓋板焊接和側(cè)梁外側(cè)長焊縫焊接時，產(chǎn)生較大的變形量。因此改變下蓋板焊接和側(cè)梁外側(cè)長焊縫焊接工藝，就可減少焊后變形量，也就等同于減少了后續(xù)調(diào)修量。

3. 焊接變形控制方案

本文針對側(cè)梁在焊接側(cè)梁下蓋板和外側(cè)長焊縫后出現(xiàn)較大焊接變形的問題，分別對兩次焊接工藝進行優(yōu)化，在組裝工序時控制好對焊接變形量進行補償，同時在焊接過程中選擇合適的焊接順序、焊接方向、工藝參數(shù)，以達到控制焊接變形的目的。

（1）下蓋板焊接變形控制 側(cè)梁下蓋板組成為三個工件組焊（見圖5），焊縫均在下蓋板上側(cè)，熱輸入集中在一側(cè)造成下蓋板焊接完成后出現(xiàn)很有規(guī)律的焊接變形，因此采用焊接作業(yè)前對工件在線性尺寸上提前做出一定量的反變形。根據(jù)表1統(tǒng)計的焊接變形量，在側(cè)梁下蓋板焊接時采用焊接反變形3mm，可以達到控制焊接變形的目的。

焊接側(cè)梁下蓋板組成時將側(cè)梁下蓋板兩側(cè)一系彈簧座壓緊，中間下蓋板使用反變形支撐頂起，使側(cè)梁下蓋板外面到一系彈簧座外平面183mm，比理論180mm增加3mm反變形量，焊接完成后下蓋板收縮變形3mm，達到了控制焊接變形的目的（見圖6）。

（2）側(cè)梁外側(cè)長焊縫焊接的控制 側(cè)梁由表1可知，側(cè)梁長焊縫焊接完成后側(cè)梁兩側(cè)端頭上翹4～5mm，側(cè)梁外側(cè)長焊縫焊接完成后變形量大，側(cè)梁為箱型結(jié)構(gòu)強度較大，很難一次施加5mm的側(cè)梁反變形（見圖7），因此采用焊接反變形和焊接參數(shù)調(diào)整的聯(lián)合方案控制變形。側(cè)梁立板為不等厚板，制定出一套新的焊接參數(shù)可以保證不同板厚焊縫的平滑過渡。合理的焊接工藝對控制側(cè)梁焊接變形發(fā)揮重要作用，合適的焊接參數(shù)是工件良好焊接質(zhì)量的重要保障，多層多道焊的合理應(yīng)用能夠在保證焊接質(zhì)量的前提下有效控制焊接變形。

圖4 A型地鐵側(cè)梁組成外立板厚度變化示意

表1 側(cè)梁組成每道工序焊后的變形量統(tǒng)計

首先，焊接反變形：增加側(cè)梁反變形，在機械手焊接時在側(cè)梁兩端增加下壓力使側(cè)梁端頭下壓3mm，圖8為側(cè)梁機械手工裝兩端增加向下壓緊裝置。

其次，優(yōu)化焊接工藝解決焊接變形問題和立板厚薄不均焊縫成形外觀問題，坡口形式為12HV和16HV均三層三道焊接，打底層的焊接方向為從右向左焊接，焊接順序為：焊接外立板與上蓋板的打底層，焊接內(nèi)立板與上蓋板的打底層，焊接內(nèi)立板與下蓋板的打底層，焊接外立板與下蓋板的打底層；填充層的焊接時為了控制焊接變形，采取從中間向兩端焊接（見圖9）。并且調(diào)整厚板與薄板過渡區(qū)域的焊接速度，實現(xiàn)立板板厚過渡部分焊縫的平滑過渡、成形美觀。圖10解決了薄厚板間的焊接填充量的過渡，便于后序的整體蓋面焊接；填充層的焊接方向同打底層。焊接時開啟“脈沖焊接方式”，減少焊接飛濺和保證焊縫美觀，機器人焊接參數(shù)如表2所示。

圖5 A型地鐵側(cè)梁下蓋板組成示意

圖6 A型地鐵側(cè)梁下蓋板焊接現(xiàn)場

圖7 A型地鐵側(cè)梁外側(cè)長焊縫焊接件

圖8 A型地鐵側(cè)梁外側(cè)長焊縫焊接現(xiàn)場

本文通過使用焊接反變形、優(yōu)化焊接順序得到了如下優(yōu)勢：①焊接反變形實現(xiàn)焊接變形的補償。②對稱焊接，使變形量減少至最小。③優(yōu)化焊接順序，減少了變位機的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。④開啟“脈沖焊接”方式：帶來的優(yōu)點是焊接飛濺少，焊縫成形美觀。

圖9 A型地鐵側(cè)梁立板長焊縫填充層從中間向兩端焊接現(xiàn)場

圖10 A型地鐵側(cè)梁立板長焊縫過渡區(qū)焊縫現(xiàn)場

表2 A型地鐵側(cè)梁外側(cè)長焊縫焊接參數(shù)

4. 結(jié)語

針對A地鐵轉(zhuǎn)向架側(cè)梁組成焊接過程中出現(xiàn)的焊接變形問題，通過合適的焊接參數(shù)保障了良好的焊接質(zhì)量，使A型地鐵轉(zhuǎn)向架側(cè)梁組成改進后具有焊接變形量和打磨量減小、焊縫熔合良好、焊縫成形美觀的特點。使用此種焊接方法減少側(cè)梁組成焊接變形2mm以上，使80%的側(cè)梁組成不用調(diào)修。這樣不僅降低了側(cè)梁組成的調(diào)修量，節(jié)約了車間的生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，而且使A型地鐵轉(zhuǎn)向架的整體強度得到了有效保障，行車的安全也得到了保證。此方法同時適用于不等厚板連續(xù)焊縫的多層多道焊接，對于其他車型的焊接變形都具有很好的借鑒作用。

[1] 劉志平，崔巖，王立夫，等.地鐵車轉(zhuǎn)向架焊接工藝[J].焊接技術(shù)，2011(40)，8：38-40.

[2] 李曉明，孫德偉.焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制[J].鐵道車輛，2010（48），5：10-12.

[3] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[4] 中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊（第3卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.