機(jī)車工字型中梁組焊工裝設(shè)計(jì)及焊接變形控制

傅利斌，王大勇，楊鑫華，李雄飛

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.中國(guó)北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116022)

0 引言

新西蘭機(jī)車中梁的材料主要選擇Q345-E的材料，屈服強(qiáng)度345 MPa.綜合力學(xué)性能、加工和焊接性良好，廣泛應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等.中梁焊接采用富氬氣體(80%Ar+20%CO2)保護(hù)的焊接方法，操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、熔深好、焊接變形和飛濺小、焊縫成形美觀、對(duì)油和銹的敏感性很低等優(yōu)點(diǎn).焊接材料選用牌號(hào)ER50-6氣體保護(hù)焊絲，焊絲的價(jià)格低廉，焊接成本低.

對(duì)于工字型中梁鋼結(jié)構(gòu)的組對(duì)和焊接，其關(guān)鍵在于控制組對(duì)尺寸和焊接變形.組對(duì)尺寸可采用工裝保證，焊接變形一般可采用合理的焊接工藝、反變形法，剛性固定法等進(jìn)行控制，焊后變形可通過(guò)火焰矯正，機(jī)械動(dòng)力矯正法等進(jìn)行處理［1-2］.

1 技術(shù)要求

新西蘭機(jī)車中梁鋼結(jié)構(gòu)，由上蓋板，下蓋板，立板三部分組成，長(zhǎng)16 400mm.其中上下蓋板分別由三塊板拼接而成，立板由兩塊板拼接而成，中梁組對(duì)焊接完成后應(yīng)保證底架組焊后的上撓度0～15mm的要求，且在全長(zhǎng)范圍內(nèi)的旁彎值不大于5mm，旁彎只允許凸向外側(cè)，工字形截面的角變形應(yīng)加以控制.

2 組對(duì)焊接難點(diǎn)分析、計(jì)算及解決措施

中梁是魚(yú)腹形變截面工字梁結(jié)構(gòu)，為底架主要的承載部件.中梁總長(zhǎng)度為16 400mm，共有四條焊縫，焊接量大.其制造難點(diǎn)為:①中梁是魚(yú)腹形變截面工字梁結(jié)構(gòu)，且其上下蓋板厚度不一，上蓋板為20mm，下蓋板為40mm，上下蓋板焊后容易產(chǎn)生角變形，縱向焊后容易產(chǎn)生下?lián)隙?②中梁具有較高的強(qiáng)度及剛度和大的外形尺寸，組裝要求高，組焊成形后進(jìn)行機(jī)械矯正的難度很大;③由于焊角大，焊接熱輸入量大，中梁產(chǎn)生的焊接變形大［2-4］.

由于中梁各焊縫的焊角大，其焊后產(chǎn)生的縱向收縮量ΔL直接影響心盤距、車體全長(zhǎng)尺寸及旋轉(zhuǎn)鎖的組裝，中梁全長(zhǎng)需預(yù)留出一定的收縮量，同時(shí)為了方便中梁的組焊，兩頭各需預(yù)留出一定的工藝加長(zhǎng)量，在中梁組焊完成后，畫線切割，因此中梁下料長(zhǎng)度是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù).焊接收縮量 ΔL 的計(jì)算公式:ΔL=K2K1FHL/F［1］，式中，ΔL為縱向收縮變形量(mm);FH為焊縫熔敷金屬的橫截面積(mm2);F為構(gòu)件橫截面積(mm2);L為構(gòu)件長(zhǎng)度(mm);K1為系數(shù)，與焊接方法有關(guān)的系數(shù)，CO2氣體保護(hù)焊取0.043;K2為系數(shù)，n為層數(shù)

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，工字型結(jié)構(gòu)收縮量

ΔL≈L/1 000=16 400/1 000≈16mm.

中梁上蓋板厚度僅為20mm，焊后極易向內(nèi)收縮產(chǎn)生角變形，采用預(yù)壓反變形的方法加以控制.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別向上折2°.如圖1所示.

圖1 中梁預(yù)壓反變形示意圖

為保證中梁形成上撓度后與端部裝配滿足底架總長(zhǎng)要求，現(xiàn)場(chǎng)需要適當(dāng)研配，中梁兩端需要分別加長(zhǎng)12mm的量.因此中梁整體放量為40mm，下料總長(zhǎng)度為16 440mm.

采用將立板平放，上、下蓋板以立板為基準(zhǔn)進(jìn)行定位夾緊的方式進(jìn)行組對(duì)焊接.在對(duì)中梁施焊前，立板須與組焊工裝水平支撐臺(tái)面緊密貼合，并輔以外力壓緊固定，底部墊實(shí)，使其變形得以控制.

采用剛性固定中梁下蓋板和上蓋板，減少因中梁上蓋板與中梁立板焊角大，熱輸入量大引起的上蓋板角變形.

依次進(jìn)行立板、下蓋板和上蓋板的拼焊，開(kāi)雙面V型坡口;采用多層多道焊接方式，每焊完一道都要采用錘擊法釋放焊接應(yīng)力;每焊完一層，清理焊道，直至這條焊道焊完后，翻轉(zhuǎn)180°，將背面焊道清根處理后再按同樣的原則進(jìn)行背面焊道的焊接.

立板與上、下蓋板的焊接利用焊接機(jī)器人進(jìn)行成形焊接，采用逆向分段焊法，從中心向兩側(cè)施焊，先焊接中梁下蓋板與立板處角焊縫，然后再進(jìn)行上蓋板與立板處角焊縫的焊接.

通過(guò)采取以上這些措施后，中梁上撓度基本控制在15mm，旁彎5mm以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

3 組對(duì)工裝設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的分析及中梁的尺寸特點(diǎn)，中梁組對(duì)夾具設(shè)計(jì)時(shí)采用液壓定位夾緊方式;考慮到需要組對(duì)的中梁尺寸較大，采用幾個(gè)閥分別控制不同的夾緊油缸;在定位面的選擇上，以中梁的中心線為整個(gè)中梁的定位基準(zhǔn)，各零件的定位基準(zhǔn)都從中心線定位，提高定位的組對(duì)精度［5］.中梁可采用正對(duì)，反對(duì)，平對(duì)三種組對(duì)方式.由于上蓋板已經(jīng)預(yù)先進(jìn)行了反變形且正對(duì)和反對(duì)不易保證立板垂直度，所以采用將立板平放的方式進(jìn)行組對(duì)，上下蓋板以立板為基準(zhǔn)進(jìn)行定位夾緊.

3.1 定位

將立板平放到平臺(tái)上，以立板為基準(zhǔn)進(jìn)行組對(duì).考慮下料的誤差和變形，垂直方向的尺寸不能以上下蓋板側(cè)邊進(jìn)行定位，由于設(shè)計(jì)要求立板與上下蓋板中心分別對(duì)齊，所以蓋板要與工裝胎面留有一定的間隙，通過(guò)加斜鐵進(jìn)行垂直方向的調(diào)節(jié)，直到蓋板中心與立板對(duì)齊為止.

上蓋板已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)先反變形，考慮到頂緊的方便與定位準(zhǔn)確，因此橫向尺寸以上蓋板為基準(zhǔn)進(jìn)行的定位，在下蓋板處加設(shè)上下兩個(gè)頂緊裝置，調(diào)節(jié)下蓋板的垂直度，通過(guò)頂緊將上蓋板緊貼于定位塊.

中梁長(zhǎng)度16 440mm，尺寸較長(zhǎng)，為防止塌陷，特每隔1.5 m處加一支撐，以保證中梁旁彎值在5mm以內(nèi)，且凹于內(nèi)側(cè).

3.2 組對(duì)工裝的設(shè)計(jì)

組對(duì)工裝結(jié)構(gòu)如圖2所示.根據(jù)工藝要求，中梁在組對(duì)工裝上進(jìn)行定位打底焊接，以防在移到翻轉(zhuǎn)工裝時(shí)產(chǎn)生變形.四條焊縫在組對(duì)工裝上必須能夠全部焊到，且操作者焊接方便，能夠?qū)ο旅鎯蓷l焊縫進(jìn)行點(diǎn)焊，對(duì)上面兩條焊縫進(jìn)行打底焊.根據(jù)計(jì)算，下方空間高度753mm，寬度800mm，方便工人進(jìn)行焊接操作.

圖2 組對(duì)工裝示意圖

3.3 焊接中夾緊和剛性固定

機(jī)車中梁焊接是由上蓋板，下蓋板，立板組焊成的工字型焊接，根據(jù)施焊方案的不同，所需夾緊力的計(jì)算方法也不同.中梁焊接是將工字梁用定位焊裝配好，然后將其上的四條角焊縫一次焊成.

單位長(zhǎng)度夾緊力的計(jì)算公式為:q=9.6Fwe/L2［6］

其中，F(xiàn)w為焊縫縱向收縮力，單面焊時(shí)，F(xiàn)w=1.7DK2(N);雙面焊時(shí)，F(xiàn)w=1.15 × 1.7DK2(N)，K為焊腳尺寸，D為工藝折算值，埋弧焊時(shí) D=3000(N/mm2)， 焊 條 電 弧 焊 時(shí) D =4000(N/mm2);e為梁中性軸至焊縫截面重心的距離;L為工件的長(zhǎng)度.

中梁焊接采用雙面焊，是焊條電弧焊，D=4000(N/mm2).K取8mm.焊縫縱向收縮力:Fw=1.15 ×1.7DK2(N)=1.15 ×1.7 ×4 000 ×82N=500 480 N.

梁中性軸至焊縫截面重心距離e為192mm.單位長(zhǎng)度所需夾緊力:

q=9.6Fwe/L2=9.6 ×500480 ×192/164002=3.43 N/mm

綜上中梁焊接所需夾緊力:

F=qL=3.43 × 16 400 N=56.25 kN

根據(jù)工藝要求，中梁的四條長(zhǎng)焊縫要求進(jìn)行45°船形焊接，且要求在焊接中有剛性固定件對(duì)中梁進(jìn)行固定以防出現(xiàn)過(guò)度的角變形.

如圖3所示，絲杠用于保證翻轉(zhuǎn)工裝在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中固定件不至掉落.

圖3 剛性固定結(jié)構(gòu)示意圖

4 焊后矯正處理

工字形中梁焊完后，主要變形是翼緣的角變形.其長(zhǎng)度長(zhǎng)，上下蓋板厚度不一，下蓋板厚度40mm，上蓋板厚度20mm，焊接完成后，上蓋板收縮要比下蓋板大，容易產(chǎn)生下?lián)?

先矯正角變形，然后矯正撓曲變形和旁彎變形，最后矯正一些小變形.

對(duì)于角變形，采用機(jī)械矯正和熱矯正.工字形中梁焊接后，送至角變形矯正機(jī)床上進(jìn)行矯正，通過(guò)壓緊調(diào)整輪控制角變形尺寸.通過(guò)機(jī)械矯正，可以消除大部分角變形;為保證上下蓋板的平面度要求，對(duì)余留變形采用熱矯正消除.矯正時(shí)，用氧化焰在翼板凸面與焊縫相對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行線狀加熱，加熱深度為翼板厚度的1/3～2/3，加熱線的寬度為翼緣板厚度的0.5～2倍;在冷卻后，可使翼板在厚度產(chǎn)生不均勻的橫向收縮，使原有的角度變形得以矯正，如圖4所示.

對(duì)于撓曲變形采用三角形加熱法矯正，不論向哪一方向彎曲，三角形頂點(diǎn)應(yīng)在彎曲凹面一側(cè)，底邊在彎曲凸面一側(cè)的邊緣上，用中型焰加熱，加熱深度為翼緣的厚度.三角形布置及大小要根據(jù)變形程度而定，如圖5所示.如變形較大，灼烤的三角形面積適當(dāng)大些，密一些，但不要造成反變形，灼烤三角形的尖部不要超過(guò)工字梁的中心軸線.

圖4 角變形的熱矯正示意圖

圖5 撓曲變形的熱矯正示意圖

采用上述方法后，如果一次矯正不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要再次進(jìn)行矯正，但一般不超過(guò)三次，盡量避免在同一位置反復(fù)加熱，以免對(duì)鋼材組織和矯正效果產(chǎn)生不利的影響.

對(duì)于其他小變形，總原則是先矯正整體變形，后矯正局部變形.當(dāng)然，如先矯正局部變形對(duì)整體變形的矯正有利時(shí)，可以先矯正局部變形.運(yùn)用火焰矯正時(shí)，加熱溫度要控制在700℃左右，最高溫度不得超過(guò)800℃［7-8］.

5 結(jié)論

機(jī)車工字型中梁鋼結(jié)構(gòu)按照上述組對(duì)順序和工藝方法，采用反變形、預(yù)放量、焊接時(shí)采用45°船形焊和在專用組對(duì)工裝的保證下，控制了焊接變形.焊后采用機(jī)械和火焰的矯正處理方法，減少焊接變形和焊接應(yīng)力，保證了焊接組對(duì)質(zhì)量，其工藝方法可行，滿足設(shè)計(jì)要求.

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