閆立志 仇志遠(yuǎn) 鄭 偉 郭志成

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266111)

高速動車組車體結(jié)構(gòu)可靠性是列車安全運行的重要保障，牽引梁組成是車體底架的重要組成部分，由牽引梁、車鉤安裝座、牽引梁上、下蓋板等結(jié)構(gòu)組成，牽引梁組成的三維模型如圖1所示，在加工過程中對其結(jié)構(gòu)變形量有嚴(yán)格的要求。在實際加工過程中，牽引梁下蓋板會出現(xiàn)不同程度的下凹變形，嚴(yán)重影響了高速動車組的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)加工效率[1]。

圖1 高速動車組牽引梁組成三維模型

針對高速動車組車體加工過程中牽引梁下蓋板表面焊接凹陷變形問題，測量了同一列車的牽引梁下蓋板在相同位置處的平面度尺寸(見圖2)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示，其平面度變化曲線如圖3所示。

圖2 牽引梁下蓋板平面度尺寸測量位置示意圖

序號車號牽引梁下蓋板平面度/(mm·m -1)13#-016 23#-025 33#-035 43#-045 53#-056 63#-068 73#-077 83#-085

由圖3和表1可以看出，同一列車的牽引梁下蓋板在焊接后普遍出現(xiàn)5～6 mm/m的凹陷變形，最大的變形量達(dá)8 mm/m，無法滿足牽引梁下蓋板平面度的技術(shù)工藝要求。

圖3 3#列車不同車號牽引梁下蓋板平面度變化曲線

1 原因分析

(1)材料原因

高速動車組的牽引梁組成是由鋁合金材料焊接而成，鋁合金材料的導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)大，其凝固收縮率約為6.5%。牽引梁下蓋板在焊接過程中，焊縫熱輸入過大，焊接冷卻之后導(dǎo)致的收縮變形過大，而下蓋板與牽引梁之間的中間部位沒有約束，從而導(dǎo)致牽引梁下蓋板焊接后出現(xiàn)下凹的現(xiàn)象，這就是金屬材料在焊接過程中無法避免的焊接變形問題。

(2)人為原因

現(xiàn)場加工人員在加工過程中，由于人為因素，焊槍位置擺動較大，導(dǎo)致焊接部位受熱不均勻，從而導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)撓曲變形，也在一定程度上增大了牽引梁下蓋板在焊接過程中的下凹變形量。

(3)設(shè)計原因

查閱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)EN 15085-3∶2007 (E)，該類焊縫的焊角高度應(yīng)為板厚t1(見表2)。因此在牽引梁組成的圖紙設(shè)計中，牽引梁與下蓋板之間的焊縫尺寸要求應(yīng)該是在10 mm單“V”焊縫的基礎(chǔ)上，外加一個“a10”的角焊縫。該焊縫的焊接工藝為四層五道焊，焊接量過大，導(dǎo)致焊縫熱輸入過大，在一定程度上加劇了牽引梁下蓋板焊接后出現(xiàn)下凹變形的程度。

表2 EN 15085-3∶2007 (E)中對應(yīng)的焊縫尺寸參數(shù)表

序號特征圖示符號10cHV焊縫疊加角焊縫準(zhǔn)備接頭截面圖標(biāo)注符號材料厚度t/mm角度α/(°)坡口b/mm焊腳面厚度c/mm準(zhǔn)備深度h/mm鋁a鋼鋁a鋼鋁a鋼鋁a鋼鋁a鋼焊縫設(shè)計厚度αR/mm3～153～1550～6050～600～30～30～20～2--αR=t1

2 解決方案研究

方案優(yōu)化目標(biāo)：控制牽引梁下蓋板的焊接變形，通過一系列措施減小焊接變形量，最終達(dá)到牽引梁下蓋板焊接完成后免調(diào)修即可滿足技術(shù)要求，牽引梁下蓋板平面度不大于3 mm/m。

解決方案及措施如下。

(1)設(shè)計優(yōu)化。經(jīng)過試驗和仿真校核，在滿足焊縫強(qiáng)度要求的條件下，將焊縫的焊角高度尺寸優(yōu)化為標(biāo)準(zhǔn)的0.8倍[2](見圖4)，這樣該焊縫的焊接工藝可以由原來的四層五道焊改為三層四道焊，從而在設(shè)計上減少了牽引梁下蓋板與牽引梁之間的焊接量，進(jìn)而減少了焊縫的熱輸入，優(yōu)化了鋁合金材料由于焊接量過大造成的焊接變形問題。

(2)工藝優(yōu)化。① 嚴(yán)格規(guī)范焊接要求，減少人為因素對焊縫質(zhì)量的影響 。要求焊接工人嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，委托車體焊接工藝師現(xiàn)場指導(dǎo)焊接操作者，要求進(jìn)行打底焊時焊槍不擺動，在焊接工藝上提高焊縫質(zhì)量。

圖4 牽引梁下蓋板焊接工藝示意圖

② 增加剛性固定約束，減小其在焊接過程中的下凹變形。在牽引梁下蓋板的橢圓孔位置焊接3根工藝梁，對其施加剛性固定約束，以減小其在焊接過程中產(chǎn)生的下凹變形，3根工藝梁的尺寸為 1 000 mm×100 mm×23 mm，材質(zhì)為鋁板23-5083-O，焊接工藝為30 mm長的定位焊，各工藝梁的定位焊縫數(shù)量及位置分布如圖5所示。

(a)工藝梁及定位焊位置平面分布圖 (b)牽引梁下蓋板剛性固定約束效果圖圖5 牽引梁下蓋板剛性固定約束施加方案

③ 預(yù)設(shè)反變形，抵消其在焊接過程中的下凹變形。針對工藝梁3，在中間位置打磨一個長約100 mm、深約3 mm的槽型缺口(見圖6)，安裝過程中，使用卡蘭將該工藝梁與牽引梁下蓋板夾緊并固定，保證兩者之間密貼，使?fàn)恳合律w板產(chǎn)生反方向的預(yù)變形，以抵消其在焊接過程中產(chǎn)生的下凹變形。

(a)反變形實施方案示意圖 (b)牽引梁下蓋板反變形施加效果圖圖6 牽引梁下蓋板反變形施加方案

3 方案優(yōu)化前后效果驗證

測量方案優(yōu)化后同一型號高速動車組的5#列車不同車號的牽引梁下蓋板平面度尺寸，將其與方案優(yōu)化前的3#列車對應(yīng)車號的牽引梁下蓋板平面度尺寸進(jìn)行對比，對比參數(shù)如表3所示，對應(yīng)的平面度參數(shù)變化曲線如圖7所示。

表3 3#和5#列車不同車號的牽引梁下蓋板平面度尺寸對比

對比表3和圖7中的數(shù)據(jù)可以看出，方案優(yōu)化前，牽引梁下蓋板平面度普遍在5～6 mm/m，最大達(dá)到8 mm/m。方案優(yōu)化后，牽引梁下蓋板的平面度均在3 mm/m以下，相對方案優(yōu)化前降低40%～80%，平均降低66.54%，在免調(diào)修狀態(tài)下即可滿足工藝技術(shù)要求。

圖7 方案優(yōu)化前后牽引梁下蓋板平面度尺寸變化對比曲線

4 結(jié)論

針對牽引梁下蓋板產(chǎn)生變形的原因，從技術(shù)設(shè)計和工藝兩個方面提出了相應(yīng)的優(yōu)化解決方案，并對比驗證了方案優(yōu)化效果。結(jié)果表明：通過方案優(yōu)化，牽引梁下蓋板焊接后在免調(diào)修狀態(tài)下即可滿足工藝技術(shù)要求，達(dá)到了方案優(yōu)化目標(biāo)，節(jié)省了牽引梁下蓋板在加工過程中反復(fù)調(diào)修的人力、物力以及時間成本，從而極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了公司的生產(chǎn)成本。