武漢地鐵2號線側梁焊接變形控制

摘要：文章主要介紹了武漢地鐵2號線側梁的組成部分，闡述了側梁焊接變形的原因，分析了焊接變形的特點，并提出了側梁焊接變形的控制措施與矯正方法。

關鍵詞：武漢地鐵；側梁；焊接變形；側梁下蓋板；側梁主焊縫；側梁附件

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）16-0083-03

隨著城市交通的需求與鐵路現代化的高速發展，地鐵已經成為緩解城市交通壓力的必然產物，作為地下交通客運裝備，地鐵的設計以及工藝質量都要求有較高的水平，而且產品的質量和使用壽命要求也越來越高。作為地鐵組成部分的轉向架，特別是轉向架構架的質量尤為重要，而轉向架側梁焊接變形的控制則是確保構架產品質量的關鍵。地鐵構架側梁結構設計的合理，工裝設計的逐步完善，焊接工藝的標準化，將使得側梁焊接變形得到有效的控制。本文分析了武漢地鐵2號線側梁焊接變形的原因及特點，并提出了相應的控制措施和矯正方法，有利于以后對焊接工裝及工藝的改善，對以后的批量生產有重要作用。

1 武漢地鐵2號線側梁結構及工藝流程

1.1 側梁組成結構

武漢地鐵2號線側梁包括下蓋板組成、立板隔板組成、上蓋板、端立板、交叉腹板以及各附件。

1.2 側梁制造流程

武漢地鐵2號線側梁的制造流程是：下蓋板組焊、立板隔板組焊、梁體組焊、側梁主焊縫焊接、側梁附件組焊。

2 焊接變形

2.1 焊接變形產生原因

焊接變形產生的原因有很多，不均勻的局部加熱和冷卻是最主要的原因，另外，焊接方法、接頭形式、坡口形式、坡口角度、焊件裝配間隙、焊接速度和焊接順序等都會對焊接變形造成影響。

2.2 焊接變形分類

焊接變形的一般可以分為縱向收縮變形、橫向收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲

變形。

2.3 焊接變形控制

2.3.1 設計措施

第一，合理地選擇焊接的尺寸和形式：焊接尺寸直接關系到焊接工作量和焊接變形的大小。

第二，盡可能減少不必要的焊縫：在設計焊接結構時，力求焊縫數量少，避免不必要的焊縫，從而減小焊接變形。

第三，合理地安排焊縫位置：在設計焊接結構時，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這對于減小扭曲變形有良好的

效果。

2.3.2 工藝措施

第一，焊前預防措施。

反變形法：根據預測焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的反變形量，焊后焊接殘余變形抵消了反變形量，使構件恢復到設計要求的幾何形狀尺寸。

剛性固定組裝法：采用夾具或剛性胎具將被焊構件盡可能地固定，可有效地控制待焊構件的角變形與彎曲變形等。

預留加工變形余量法：在工件下料及加工時預先考慮收縮余量，以便焊后工件達到所要求的形狀、尺寸。

第二，焊接過程控制措施。

焊接方法和焊接規范參數：選擇線能量較低的焊接方法以及合理的控制焊接規范參數可以有效的防止焊接變形。

焊接順序：采用合理的焊接順序，對于控制焊接變形有較大的作用，尤其是在多道焊中，作用更加明顯。

第三，焊后矯正措施。

加熱矯正：利用火焰加熱時產生的局部壓縮塑性變形使構件較長的部分在冷卻后縮短來消除

變形。

機械矯正：給構件施加外部機械力，使構件產生與焊接變形方向相反的塑性變形，從而消除焊接變形。

3 武漢地鐵2號線側梁焊接變形分析及控制

3.1 側梁下蓋板組成焊接引起的變形

武漢地鐵2號線側梁下蓋板組成由中間下蓋板、端下蓋板（左、右）組成，由兩條對接焊縫連接，由于端下蓋板左和端下蓋板右缺少與焊縫垂直方向的橫向定位裝置，焊接過程中一般發生與對接焊縫垂直方向的橫向收縮變形，控制橫向收縮變形的方法一般采用工藝放量，武漢2號線側梁工藝放量尺寸（省略）所示，控制垂向、縱向收縮變形主要采用有效工裝剛性約束，工裝壓緊狀態如圖1所示：

由于下蓋板都是壓型板，若各自壓型不到位也將引起組裝間隙不均勻，焊接時容易產生焊接變形，尤其是扭曲變形，為控制扭曲變形，首先要對下蓋板的壓型質量進行檢查，檢查不合格的進行返工到位后再進行組焊，在焊接過程中，采用對稱施焊和層間冷卻工藝可減小焊接變形。

3.2 側梁內部焊縫焊接引起的變形

武漢地鐵2號線側梁內部焊縫有隔板與下蓋板組成、立板的焊接，隔板與內外立板、下蓋板組成之間的焊縫焊接可能會引起彎曲變形、橫向收縮變形及扭曲變形，內外立板和下蓋板組成的內部焊縫焊接可能會引起角變形及扭曲變形。

側梁內部焊縫較多，而且分布復雜，需要減少單層焊接量，減少熱變形，選擇合理的焊接順序和合理的焊接規范，同時設計專用組焊工裝確保裝配質量及焊接變形。

嚴格控制焊縫間隙：一般對接焊縫間隙約為3mm，角焊縫采用無間隙焊接，焊前需檢查，達不到要求需返工到位。

采用剛性固定焊接：用工裝夾具壓緊側梁體，壓緊定位點分別位于側梁中間、兩端和介于中間和兩端的傾斜位置，壓緊后進行焊接。

采用對稱焊接：焊接內部焊縫時，采用由中間向兩端對稱施焊，有效的減少了工件的焊接變形。

采用單層單道焊接并選擇合理的焊接規范：焊接電流240A，焊接電壓26V。

對梁體垂向、縱向、橫向采用剛性固定方法約束相對應方向的焊接變形，具體組焊工裝如圖2

所示：

3.3 側梁外部焊縫焊接引起的變形

側梁外部焊縫焊接變形主要是側梁內外立板和上下蓋板之間的主焊縫，在工裝壓緊狀態下由IGM焊接機器手進行外部主焊縫焊接，具體焊接狀態如圖3所示。

兩端在焊接主焊縫過程中由于縱向收縮及工裝夾具的壓緊力，使得側梁兩端產生了角變形；為便于機器人焊接，采用的工裝夾具比較簡單，也容易引起彎曲變形，因此，在編制焊接工藝文件時，采用完全對稱焊接工藝，焊接順序完全對稱，對焊接方向、焊腳大小、焊縫形狀等作了嚴格的規定，有效的控制了焊接變形。

3.4 側梁附件焊接引起的變形

該車型側梁軸承座與下蓋板焊接，容易引起角變形，所以在工裝上定位焊好軸承座后，在軸承座之間增加工藝撐桿，防止焊接時的角變形，其余附件主要分布在側梁的外側，而且大部分設計尺寸為空間尺寸，組裝尺寸不容易控制，必須通過專用工藝裝備來定位才能得到有效保證（具體組焊工裝見圖4），但由于工裝定位裝置過于復雜，附件焊接只能在轉胎夾具上進行，這樣無形當中，側梁附件焊接相當于在自由狀態下焊接，焊接時由于梁體受力不均，將引起側梁整體彎曲變形及扭曲變形；通過前期試制的經驗積累，結合機器手焊接產生的旁彎和附件焊接產生的旁彎相抵消，對梁體彎曲變形的控制起到了很好的效果，目前該項目側梁彎曲變形基本上控制在設計要求范圍之內。

在側梁生產中，雖然各部分焊縫的焊接變形均采取了較為有效的工藝措施進行控制，但實際生產中，側梁焊接變形仍舊偶有發生，其原因主要有以下幾方面：

第一，操作者違反工藝操作，焊前未打磨、組裝有偏差、焊接規范不合理及焊接順序不合理等違反工藝紀律的操作，都會造成焊接變形。

第二，工裝定位的偏差，工裝使用一段時間后，用于定位的螺栓會發生變形，沒有及時調整與返修，使得零部件組裝時產生偏差，導致焊接

變形。

第三，零部件的變形，上、下蓋板等零部件都是壓型件，其本身的小變形在檢查中易被忽視，各零部件組裝起來可能就會形成較大的變形，施焊后就容易產生變形。

4 結論

到目前為止，該項目已完成4列車構架的制造，通過對試制過程出現的問題進行工藝攻關，改進工藝裝備，調整焊接工藝，構架各尺寸得到有效控制，同時，該項目的焊接變形控制方法也將為后續同類型構架產品制造提供有力保障。

參考文獻

[1] 中國機械工程學會焊接學會．焊接手冊（第2版）[M]．北京：機械工業出版社，2009．

作者簡介：胡彬（1977-），男，江西南豐人，南車株洲電力機車有限公司轉向架事業部部門經理助理，工程師，研究生在讀，研究方向：材料工程。

（責任編輯：王書柏）