CR400BF轉向架構架關鍵制造工藝

李小軍，劉冠男

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

近年來，高速列車的運營速度越來越高，對高速列車關鍵部件提出了更為嚴格的要求。作為高速列車走行部的主要構件，轉向架在工作過程中承受著安裝部件的工作載荷、制動、牽引和慣性力等交變載荷，是保證高速列車高速運行的關鍵部件，其結構設計和制造質量對高速列車的運營安全有著重要影響。

中國標準動車組是在中國鐵路總公司主導下，集國內軌道車輛相關企業、高校、科研院所等優勢力量而研發制造的尖端產品，在技術上實現全面自主化，具有創新性、安全性、智能化、人性化、經濟性等特點。中國標準動車組分為CR400AF和CR400BF兩款車型，在此主要介紹由中車長客股份公司牽頭研發并生產的CR400BF轉向架構架關鍵制造工藝。

1 CR400BF轉向架構架

1.1 構架結構

構架是轉向架各零部件的安裝基礎，是轉向架的關鍵承載部件，承受和傳遞各種作用力，不僅其結構、形狀、尺寸需滿足轉向架組裝的要求，構架結構強度也必須滿足運營及極限工況下的相關力學要求。

CR400BF轉向架構架采用焊接結構，構架主體由2個箱型結構的側梁和1個橫梁組成，呈H型結構；側梁采用上、下蓋板和兩側立板組成的箱型變截面U型結構，外部設計了扭桿座、抗蛇行減振器座、轉臂定位座等。橫梁組成采用鋼板焊接的2個箱型結構通過靠近兩端的縱向立板連接的結構。動車橫梁組成上設計有牽引電機、齒輪箱、牽引拉桿、橫向減振器等部件安裝座；拖車橫梁組成上除牽引拉桿、橫向減振器等部件安裝座外，還設計有兩根制動梁，與橫梁采用箱型過渡連接，以滿足軸盤制動夾鉗的安裝需要。側梁和橫梁以插接方式連接，側梁上蓋板向內延長通過連接塊和橫梁上蓋板實現對接，側梁下蓋板向內延長與橫梁下蓋板對接，而橫梁外立板和內立板分別向外延伸插入側梁內部直接與側梁內立板連接。動、拖車構架結構及連接形式分別如圖1～圖3所示[1-2]。

圖1 動車構架

圖2 拖車構架

1.2 構架材料

根據構架在列車運營過程中的受力特點，采用S355J2W+N耐候鋼及Q345E兩種材料。S355J2W+N耐候鋼材料具有屈服強度高（ReL≥355MPa）、可焊性好（C當量≤0.45%）、耐腐蝕性優異[3]和低溫沖擊韌性較好的特點。構架的橫梁、側梁等主體結構均采用S355J2W+N耐候鋼板。牽引電機、齒輪箱、制動裝置、牽引拉桿、橫向減振器等部件在構架上的安裝座均采用鍛件，材質采用Q345E。

圖3 構架橫、側梁接口

2 CR400BF轉向架構架制造工藝流程及難點

動車、拖車兩種構架主結構一致，因此，兩種構架的制造工藝基本相同。

2.1 構架制造工藝流程

構架采用模塊化制造工藝，先分別完成側梁和橫梁（拖車構架含制動梁）的組對和焊接，再進行構架組焊，即將橫、側梁組焊至一起，并完成各安裝座的組焊，具體流程如圖4所示。整個工藝流程中，側梁焊接工序、構架一步調修工序和構架二步組對工序極為關鍵。其中，側梁的焊接量占整個構架焊接量的50%，由于箱型結構本身易產生扭曲和彎曲變形，且矯正困難，加之側梁上包含轉臂定位座、扭桿座等關鍵零部件，焊縫質量要求高，因此，側梁焊接工序對構架整體質量影響很大。另外，構架一步調修和構架二步組對工序直接影響構架上各安裝座的組對尺寸，并對構架最終尺寸有著決定性影響。

圖4 構架焊接工藝流程

2.2 工藝難點

（1）部分關鍵焊縫的焊接質量。

構架上的部分關鍵焊縫，焊接位置不佳，且焊縫質量等級高（CP B），很難保證焊接質量。如側梁與扭桿座之間的對接焊縫，焊縫接頭形式為雙面V型坡口對接接頭，整條焊縫呈一條空間曲線分布，如圖5所示。焊縫質量等級為CP B級，要求X射線探傷檢測，難度較大。

圖5 側梁與扭桿座對接焊縫示意

（2）構架焊接尺寸控制。

受尺寸精度要求高、焊接變形大、變形矯正困難等諸多因素制約，構架焊接尺寸控制是CR400BF轉向架構架焊接的一大難點。

（3）焊接生產效率。

構架焊接質量和焊接尺寸精度的要求高，生產過程中某一個環節的疏漏將對構架整體質量造成很大影響，極易導致焊接返工及矯正困難，加之構架本身焊接量較大（單個構架焊絲消耗約110 kg），焊接生產效率提升困難。

3 CR400BF轉向架構架關鍵制造工藝

3.1 焊接方法

構架采用MAG焊，保護氣體為φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣體，除了不帶襯墊的對接焊縫打底層焊接采用較小的焊接規范（電流90～110 A，電壓16～18 V）以外，其余焊縫的焊接電流、電壓均為240～270 A、28～31 V。上述規定的焊接方法及參數經工藝評定及生產實踐驗證，焊縫成形良好、飛濺相對較少、接頭質量好，電弧穩定性好。

根據構架結構特點，采用手工焊接與機械手焊接相結合的方法，側梁、制動梁及齒輪箱安裝座的主體焊縫均采用焊接機械手進行焊接。

3.2 焊接材料

焊絲選擇時綜合考慮強度匹配、耐候性及沖擊性能等因素，最終確定為實心焊絲NiCu1-IG（ISO 14341-A-G42 4 M）。

3.3 焊接設備

（1）焊機。

構架焊接選用福尼斯TPS5000MAG焊機，最大輸出電流500 A，在規定的構架焊接參數范圍內，焊機負載持續率100%。

（2）焊接機械手。

采用IGM大型懸臂式焊接機械手進行側梁及制動梁的自動化焊接；采用OTC小型坐式機械手進行齒輪箱吊座組件的自動化焊接。焊接機械手的使用大幅提高了焊接生產效率，保證了焊接質量的穩定性，并有效解決了部分位置焊接操作性不佳的問題；同時，有利于工藝人員掌握焊接變形規律，從而制定減小焊接變形的工藝措施。

（3）焊接變位機。

焊接變位機根據焊接部件的質量和焊接位置進行選擇。在CR400BF轉向架構架制造過程中，采用頭尾架升降式焊接變位機（最大承載8T）進行構架焊接；采用液壓前傾式焊接變位機（最大承載3T）進行側梁及橫梁焊接。

3.4 關鍵制造工藝要點

CR400BF轉向架構架制造工藝的制定與實施的目的是保證構架的質量并實現構架批量化生產。而該目標的實現必須對工藝準備及制造過程的各個環節加以控制與改進。相比于焊接完成后對成形不良的焊縫進行打磨和無損檢測，以及對尺寸超差部位進行矯正等傳統質量控制措施，在構架制造過程的控制更為關鍵。CR400BF轉向架構架制造工藝根據試制期間面臨的工藝難點及質量風險點進行優化，主要在工裝設計、構架組對、關鍵焊縫焊接質量控制及焊接變形控制4個關鍵環節加以改進和驗證。

3.4.1 工裝設計

CR400BF轉向架構架工裝設計主要從保證定位精度、減少焊接變形和改善焊接位置角度出發，兼顧操作的便利性和工裝自身的強度與剛度，理論與實踐相結合，在實踐中完成工裝設計細節完善。根據用途的不同，主要分為三類：組對工裝、焊接夾具和調修檢測工裝。

組對工裝尤其注重定位精度和本身剛度的設計，以構架二步組對工裝為例，如圖6所示，該工裝由鋼板與矩形管組焊而成的工作臺和安裝在工作臺上的定位裝置和壓緊裝置組成。為提高工裝的定位精度，規定工作臺面（工裝定位基準平面）整體加工完成，平面度0.2 mm；各定位裝置相對于工裝基準的尺寸偏差在±0.2 mm范圍內；同時為保證工裝有足夠的剛度，工作臺面選用鋼板厚度為50 mm，鋼板背面焊接150 mm×200 mm×5 mm矩形管進行加固，焊接完成并經退火處理后，對工作臺面進行加工，加工后剩余厚度45 mm。

圖6 構架二步組對示意

焊接夾具配合變位機使用可有效改善焊接位置，使所有焊縫處于平焊位置，利于焊接操作。焊接夾具設計除了考慮夾緊的可靠性和焊接的可達性外，在變形較大的部位還設有反變形裝置，以減少焊接變形，例如使用反變形裝置使得側梁下蓋板角變形數值由10～15 mm減小到2～3 mm，構架端部間距變形量由約15 mm減小到約為5 mm，如圖7所示。

3.4.2 構架組對

構架組對影響構架最終尺寸。對于CR400BF轉向架構架，設計關鍵尺寸項點多，要求嚴，要保證所有設計尺寸均在給定范圍非常困難。試制期間，構架尺寸超差概率在80%以上，其中尺寸超差最嚴重的為制動夾鉗、牽引電機、齒輪箱、扭桿、牽引拉桿、橫向減振器等部件的安裝座。經研究分析，其原因有2點：組對偏差和焊接變形。工裝定位精度不高和組對基準偏差是造成構架組對偏差的主要原因。工裝定位精度在量產工裝設計時，通過減小定位裝置尺寸公差和提高工裝本身剛度以增強工裝定位的穩定性。組對基準偏差采取以下兩種措施給予解決：

圖7 典型焊接夾具反變形裝置示意

（1）統一組對基準。

采用統一的組對基準，以避免組對基準之間的偏差導致安裝座相互之間的尺寸偏差。

（2）調整安裝座組對順序。

受焊接變形的影響，隨著構架生產的進行，構架組對基準將不斷產生變化，勢必導致變形前后各工序中采用相同組對基準的零部件組對位置的尺寸偏差。為消除該影響，將安裝座的組對從構架主體焊縫焊接前調整到構架主體焊縫焊接后，并在組對前對完成主體焊縫焊接的構架進行一次調修，以保證組對基準的準確。

構架組焊順序調整如圖8所示。

構架組對工藝改進后，構架尺寸超差概率減小至5%以下。

圖8 構架組焊順序調整示意

3.4.3 關鍵焊縫焊接質量控制

構架作為CR400BF車輛的主要承載結構，其焊接質量對構架的強度影響較大，尤其橫側梁連接口、扭桿座、齒輪箱吊座等構架重要部位，其受力情況復雜，應力等級較高，必須保證焊縫質量，避免焊接缺陷并有效降低應力集中。為實現此目標，工藝上對以下方面進行了嚴格控制。

（1）人員資質。

所有手工焊接操作者經培訓后，必須取得EN ISO 9606-1相應資質證書；所有焊接機械手操作者必須取得DIN EN 1418相應資質證書。

（2）工作試件。

對于質量等級CP C1以上、生產過程中無法進行UT或RT檢測的焊縫，開工前按實際接頭形式、施工環境進行模擬操作，并進行外觀、探傷、金相、硬度等檢測，以檢驗結構的焊接工藝性和操作者的技能水平。

（3）工藝攻關。

對有操作難度的特殊焊縫，從焊縫接頭坡口形狀及尺寸、焊接參數、焊接操作方法等方面進行工藝攻關，并將試驗成果固化于圖紙及工藝文件中。

例如：扭桿座與側梁對接焊縫坡口形狀、尺寸優化過程如圖9所示，優化后的坡口有利于焊縫熔透，改善清根效果并避免燒穿。此外，針對這種呈空間分布的熔透焊縫，通過反復焊接試驗和驗證，總結出適用的分段（4段）焊接操作法，有效提高焊接質量及效率。側梁上蓋板與帽筒之間環焊縫如圖10所示，通過利用8軸機械手和兩軸L型聯動變位機的聯動功能，重新設定機械手焊接程序，使得環焊縫的焊接始終在PA焊位進行，不僅改善了該焊縫的表面成形質量，還提高了生產效率[4]。

圖9 扭桿座焊縫坡口優化示意圖

（4）焊縫打磨。

通過打磨焊趾部位，減少焊趾部位的缺陷，有效降低焊趾部位應力集中[5]。

（5）焊縫檢驗。

對重要部位焊縫進行100%表面磁粉探傷，對全焊透對接焊縫進行100%表面磁粉+射線或超聲波探傷檢測，嚴格按焊縫質量等級對應的缺陷等級驗收焊縫質量。

圖10 側梁上蓋板與帽筒之間環焊縫示意

3.4.4 焊接變形控制

焊接變形是焊接結構必須面對的問題，焊接變形不僅影響結構尺寸，還可能降低結構的承載能力。由于CR400BF轉向架構架焊接量大，易產生較大焊接變形，矯正困難，對構架最終質量構成風險。

工藝上主要采用預制反變形、剛性固定和焊接順序優化等措施來控制構架的焊接變形量。

（1）預制反變形。

CR400BF轉向架構架焊接預制反變形有兩種形式。一是通過安裝反變形裝置，使得焊件在反向變形的狀態下進行施焊，焊后松開反變形裝置，焊件回彈至較為理想的變形范圍，該方法主要在側梁、橫梁及構架焊接工序，側梁蓋板、橫梁蓋板外延部位以及構架兩端等變形較大的部位上采用；二是預留焊接收縮余量以抵消焊接收縮變形，根據經驗，在側梁長度方向預留7～9 mm焊接收縮量，構架橫向預留5～6 mm焊接收縮量，拖車構架連接2根制動梁的箱型結構預留7～9 mm焊接收縮量。

（2）剛性固定。

通過焊接夾具上的壓緊裝置或采用工藝拉筋，對側梁端部帽筒、橫梁上各安裝座等部位進行剛性固定，以減小焊接變形。

（3）焊接順序優化。

CR400BF轉向架構架側梁為箱型結構，不合理的焊接順序極易導致結構的扭曲和彎曲變形，矯正難度大，易因焊接變形矯正失敗造成產品的報廢。試制期間采用如圖11a所示的焊接順序，焊接后側梁的扭曲值約為2 mm，符合設計要求，但產生x軸正向彎曲變形約為5 mm，超出設計要求，需進行矯正。量產時，改進焊接順序，如圖11b所示，焊接后側梁扭曲值幾乎不變，但朝x軸正向彎曲變形由5 mm減小到約2 mm，從而減少彎曲變形的矯正，提高生產效率。

圖11 側梁主體焊縫焊接順序示意

4 后續工藝研究

（1）工藝評定試驗。

CR400BF轉向架構架手工焊接均采用φ1.0mm規格的NiCu1-IG焊絲，而市場上供應的NiCu1-IG焊絲以φ1.2 mm規格的居多。受市場因素影響，φ1.0 mm規格的NiCu1-IG焊絲可能出現某時段供貨短缺，對CR400BF轉向架構架生產的順利進行造成風險。為規避風險，針對φ1.2 mm規格的NiCu1-IG焊絲開展相關工藝評定試驗。

（2）構架機械手焊接工藝開發。

CR400BF轉向架構架只有側梁、制動梁及齒輪箱吊座采用機械手焊接工藝，其余部位均采用手工焊接方式，構架焊接質量受人為因素影響較大、生產效率不高。目前已開始從機械手配套變位機承載能力、焊接夾具設計、構架組對精度、相關工藝評定試驗以及離線編程模擬等方面展開對構架機械手焊接工藝的開發工作。

（3）模塊化工藝的進一步優化。

模塊化工藝對解決構架變形超差、提高構架整體質量有著積極影響。在生產過程中，工藝的模塊化應與設計的模塊化相區分，需根據場地、人員、設備、檢驗要求及質量問題等實際情況劃分模塊，并在實踐中進行必要的優化。

（4）數字化制造工藝設計研究。

利用產品數據管理和仿真技術分析等數字化技術，在實際產品生產前用可視化方式規劃和優化產品的制造方案，有效提升產品的制造質量、優化制造資源配置、縮短產品試制周期并提升生產能力。目前CR400BF轉向架構架制造工藝是通過經驗和試制過程摸索出來的，缺乏全面的數據分析與驗證，對工藝方案是否最優缺乏判斷。因此，開展數字化制造工藝設計研究對于CR400BF轉向架構架的大規模制造十分必要。

5 結論

轉向架構架作為車輛主要的承受和傳遞載荷的部件，其質量好壞對車輛運行安全有著重要影響。受結構工藝性、操作人員技能及工藝的不完善等因素影響，CR400BF轉向架構架在試制過程中出現較多質量問題。本研究的CR400BF轉向架構架關鍵制造工藝是在大量的工藝攻關及試驗基礎上，針對性改善試制期間制造工藝，對類似結構的轉向架構架制造工藝具有很好的參考借鑒意義。然而，從縮短產品研發制造周期、優化資源配置、建立柔性生產機制和優化工藝設計和驗證手段的角度考慮，進一步開展工藝評定試驗、自動化、模塊化生產以及數字化制造技術研究十分必要。

參考文獻：

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