鐵路客車牽引梁的焊修方法探討

劉 洪 中國南車南京浦鎮車輛有限公司

客車牽引梁是承載車鉤牽引的重要組成部位，其焊接質量直接影響車鉤、牽引制動的組裝及性能。隨著鐵路的提速對客車的牽引制動的要求更加嚴格規范，在牽引梁的返修進程中，牽引梁的焊接變形，將直接影響到叢板座的組裝及性能。因此，必須制定嚴格合理的焊接工藝和措施，才能保證焊接的質量和產品的組裝及性能。

1 焊接工藝的選擇

1.1 母材焊接性分析

客車牽引梁是用Q235鋼組焊而成。Q235鋼的化學成分和力學性能如表1所示。

表1 Q235鋼的化學成分及機械性能

根據國際焊接學會推薦的碳當量公式,可以計算出該種鋼的最大碳當量為：

由此可以看出，Q235鋼焊接性較好，淬硬傾向小，室溫下，焊前不需預熱，焊后不需熱處理，其塑性較好，焊后產生裂紋的概率較小。

1.2 焊接方法

1.2.1 焊接方法選擇

在工業生產中，手工電弧焊由于設備簡單、工藝靈活、操作方便等特點，作為制造、修理的一種重要的工藝方法得到廣泛運用。

在牽引梁的焊修中，經過綜合考慮，決定選用手工焊條電弧焊，其優點有：

①工藝靈活、適應性強，適用于碳鋼、低合金鋼、耐熱鋼、低溫鋼和不銹鋼等各種材料的平、立、橫、仰各種位置以及不同厚度、結構形狀的焊接。

②焊縫質量好。與氣焊及埋弧焊相比，金相組織細，熱影響區小，接頭性能好。

③易于通過工藝調整（如對稱焊等）來控制變形和改善應力分布。

④設備簡單、可達性好、操作方便，適用于各種空間位置的焊接。

1.2.2 焊材選擇

由于Q235鋼的焊接性好，根據選擇焊條的等強度原則，采用E4303焊條，作為牽引梁焊接的材料。E4303焊條為鈦鈣型藥皮的酸性焊條，熔渣流動性良好，脫渣容易，電弧穩定，熔深適中，飛濺少，焊波整齊，適用于全位置焊接，焊接電流為交直流兩用，廣泛應用于重要的低碳鋼結構的焊接之中，其化學成份和力學性能如表2和表3所示。

表2 E4303焊絲化學成分（%）

表3 E4303焊絲力學性能

1.2.3 焊機的選擇

根據母材焊接性、焊接方法及焊條的選擇和分析采用BX3-500交流弧焊機。

2 牽引梁焊修時易出現的問題

2.1 焊縫中的表面和內部缺陷

由于母材焊接性較好，采取合適的焊接參數焊接后，焊縫質量比較穩定，出現氣孔、夾渣等內部缺陷的概率比較少。表面和內部缺陷不是牽引梁焊修中出現的主要問題。

2.2 焊件的殘余應力和變形

由于焊接工藝不夠合理，焊縫余高過高等因素引起應力集中，焊接過程中產生變形，甚至產生裂紋，將改變牽引梁的尺寸和影響其性能。焊接的應力集中和變形是牽引梁焊修中出現的主要問題。

2.3 焊件的殘余應力和變形的危害性

在焊接過程中焊件的應力狀態也發生了變化,從而導致焊接變形的產生。通常焊件在焊完并冷卻后，焊件中存在著殘余的應力和變形，它使焊件或部件的尺寸改變而無法組裝，整個構件喪失穩定而不能承受載荷，產品質量大大下降。同時焊接殘余應力和變形往往會產生裂紋并致使裂紋擴展而破壞構件。而產品的校正卻要消耗大量的精力和物力，有時會產生導致產品報廢的風險。因此，在焊接結構中，必須充分了解焊后產生殘余內應力及焊后變形的機理和基本規律，以控制和減少其危害性。

3 對焊接中出現的問題所采取的工藝調整措施

3.1 接頭形式及坡口準備

焊接部位采用V型對接接頭，坡口兩側各為30°，如圖1所示。清除坡口表面及其兩側20 mm范圍內的油污、銹漬及其他污物，直至露出金屬光澤。

圖1 焊接部位的坡口示意圖

3.2 選擇合理的焊接順序

合理的焊接順序可以通過減小焊接時產生的焊接應力來控制焊接變形量。牽引梁的焊修過程中，采用以下的焊接順序，如圖2所示。

圖2 牽引梁焊修的順序

3.3 減小焊接應力以減小焊接變形的方法

3.3.1 剛性固定法

牽引梁裝配時在兩根牽引梁中間，點焊兩個定位支撐，再將牽引梁的上下兩個平面的焊縫附近處再點焊兩個固定支撐，使其在施焊過程中能控制變形量，保證尺寸的準確性。

3.3.2 錘擊焊縫法

在多層多道施焊過程中，對第二層和第三層焊道進行錘擊，可以將焊接應力減少至1/2左右。

3.3.3 消除應力熱處理

利用局部高溫回火法，對焊縫及其附近的局部區域進行加熱以消除應力。回火溫度控制在580~680°，時間控制在1~2h左右，這樣可以消除結構中的殘余焊接應力。

4 焊接操作

4.1 裝配與定位焊

不允許強制裝配，對角變形和錯邊量應嚴格控制在3~4°和不大于1.2 mm，避免出現未焊透和應力集中而引起裂紋。為了防止裝配定位焊的開裂，一般定位焊的焊縫長度為10～15 mm，將焊點接頭打磨成斜坡。定位焊所選用的焊接工藝和材料應與正式焊接相同。

4.2 焊接工藝參數

牽引梁焊修的工藝參數如表4所示。

表4 牽引梁焊修的焊接規范

4.3 焊接方法

4.3.1 打底層（第1層）

在定位焊縫上引弧，當焊至定位焊縫尾部時，應稍加預熱，將焊條向坡口根部頂一下，聽到電弧聲音，以利于坡口根部熔透。第一個溶池已形成，此時熔池前方應有熔孔。該熔孔向坡口兩側各深入0.5～1 mm。采用月牙形或鋸齒形橫向短弧焊法，弧長應小于焊條直徑。焊條的傾角為70～75°，并在坡口兩側稍作停留，以利填充金屬與母材熔合良好，并能防止因填充金屬與母材交界處形成夾角，從而導致不易清渣。此處的焊接操作要領為一看、二聽、三準。

①看：觀察熔池形狀和熔孔大小，并基本保持一致，熔池形狀應為橢圓形，熔池前端始終應有一個深入母材兩側約0.5～1 mm的熔孔。

②聽：注意聽電弧擊穿坡口根部發出的電弧聲音，保持焊條端部離坡口根部1.5～2 mm。

③準：焊接時，熔孔的端點位置要把握準確，焊條中心要對準熔池前端與母材的交界處，使每一個熔池與前一個熔池搭接2/3左右，保持電弧的1/3部分在焊縫背面燃燒，以加熱和擊穿坡口根部。打底焊需要更換焊條停弧時，先在熔池上方做一熔孔，然后回焊10～15 mm再熄弧，并使其形成斜坡形。

打底焊接頭采用熱接法，當弧坑還處在紅熱狀態時，在弧坑下方10～15 mm處的斜坡下引弧，并焊至收弧處，使弧坑根部溫度逐步升高，然后將焊條，沿著預先做好的熔孔向坡口根部頂一下，使焊條與試件的下傾角增大到90°左右，聽到電弧聲音后，稍作停頓，恢復正常焊接，停頓時間一定要適當，若過長易使背面產生焊瘤，若過短則不易接上接頭。另外換焊條的動作越快越好。打底層焊縫背面厚約1.5～2 mm，正面厚度為2～3 mm。

4.3.2 背面焊（第2層）

焊前用砂輪打磨第一層反面成形時焊渣，焊時注意要勻速上升，焊縫寬度保證在4～6 mm，這樣的焊接順序可以抵消打底焊時變形。

4.3.3 正面填充層（第3層）

應對打底層仔細清渣，特別注意死角處的熔渣處理，在距焊縫始端10 mm左右處引弧后，將電弧拉回到始焊端施焊，以防止產生缺陷。采用月牙形或橫向鋸齒形擺動，焊條與牽引梁的下傾角為70～80°，焊條擺動到期兩側坡口處要稍作停留，以利于熔合及排渣，防止立焊縫兩邊產生死角，填充層厚度應控制在離母材表面低1～1.5 mm，且應呈凹形，不得熔化坡口棱邊，以利蓋面層保持平直。

4.3.4 蓋面層（第4層）

引弧同填充層，也采用月牙形或橫向鋸齒形運條，焊條擺動坡口邊緣時要稍作停留，保持熔寬1～2 mm，擺動的頻率應稍快些，以免熔滴下淌，前進速度要均勻一致，使每個新熔池覆蓋前一個熔池2/3～3/4。換焊條接頭前收弧時，應對溶池填充熔敷金屬，迅速更換焊條后，再在弧坑上方10 mm左右的填充層焊縫金屬上引弧，將電弧拉至原弧坑處填滿弧坑后繼續焊接，直至焊完。這樣的表面焊縫不僅較薄，而且焊波較細，表面焊縫平整美觀。

5 焊后檢測

外觀檢測：采用規尺檢測,尺寸符合設計和工藝要求。

內部檢測：內部檢測采用焊縫磁粉探傷法，焊縫達到質量要求。

6 結束語

采用這樣的焊接方法和焊接工藝，使牽引梁的焊接變形得到有效地控制，保證尺寸的準確而且焊后不需調修，大大節省了人力、物力，降低了勞動強度，為順利交車創造了有利條件。