動車組橫梁組焊工藝研究

董世康 袁武 單凱

摘 要：自我國首列高鐵開通運行以來，軌道車輛制造技術得到了較快的發展，作為軌道車輛的關鍵部件，轉向架制造技術提升就顯得尤為重要。該文通過對動車組轉向架橫梁生產實際進行分析，總結了橫梁的組焊工藝，從保證焊縫質量、控制焊接變形兩方面進行研究，為動車組橫梁制造提供實踐經驗，同時全面敘述了橫梁制造流程、制造難點及解決方法及對機械手自動化焊接技術和三維檢測技術在橫梁制造過程中的應用進行了介紹，通過這些技術的應用，可以較好地提升產品質量和形象，為批量化生產提供支撐。

關鍵詞：動車組 轉向架 焊接變形

中圖分類號：U266 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（a）-00-02

自2008年首列京津城際高鐵開通運行以來，我國高鐵事業得到長足的發展。適應各種速度等級要求和不同環境要求的高速列車陸續研制推出，為國民的出行提供了極大的便利和舒適性。轉向架在高速運行中，承受安裝部件的工作載荷以及牽引、制動和慣性力等復雜載荷，是高速列車運行穩定性、安全性和舒適性的關鍵部件。

作為轉向架重要組成部件，橫梁結構復雜，焊接難度大且變形復雜。其承載部件和焊后組裝尺寸控制多，要求具有很高的制造精度和質量安全性。

該文從生產實際出發，圍繞焊縫質量和焊接變形控制，對工藝流程制定、單件成型工藝、焊接工藝、焊縫檢測工藝、調修工藝進行全面的分析研究。

1 橫梁結構介紹

動車組橫梁分為動車橫梁和拖車橫梁兩大類別。在結構上，除起到連接側梁作用外，還需組焊牽引電機座、齒輪箱座、制動吊座等關鍵部件。目前國內不同型號動車組轉向架橫梁在結構上具有一定的延續性，最大的區別為采用橫梁管結構或板式箱體結構與側梁進行連接。動車組動車橫梁和拖車橫梁結構分為以下部件：（1）橫梁管；（2）連接座；（3）橫向止擋座；（4）牽引電機座、齒輪箱座等；（5）制動橫梁管。

2 制造流程及制造難點

2.1 制造流程

橫梁制造流程總體上采用模塊化制造。將橫梁劃分為橫梁管、橫向止擋座、制動橫梁管等次部件模塊。在次部件組裝、焊接、調修合格后，進行橫梁組成組焊作業。模塊化制造更有利于進行焊接變形控制和生產組織。具體流程如下。

（1）橫梁管組，將橫梁管與側梁連接座進行組焊。

（2）橫梁次部件組成，將橫梁上制動吊座、橫向止擋座等次部件的焊接。

（3）橫梁組成，將橫梁管組成與橫梁次部件進行組焊，實現橫梁的最終組成。

2.2 制造難點

⑴焊接質量控制。

受焊接材料、焊縫組裝質量、焊縫形式、焊接位置受限以及焊縫檢驗標準較高等條件約束，焊接操作難度本身較大。另外，焊接返修會造成焊接結構強度下降并可能造成微觀裂紋，并且每次焊接作業都會造成一定的焊接變形，增加尺寸控制的難度。因此對橫梁焊接一次合格率要求較高，焊接操作難度更大。

（2）焊接變形控制。

通過熱處理，可以有效釋放構架組焊后的殘余應力，改善構架應力分布狀態。由于高鐵橫梁采用耐候鋼材料，熱處理作業會對材料組織及性能造成較大影響。因此要求橫梁在進行焊接后，不允許進行熱調修和熱處理作業。只允許在較小的偏差范圍內進行冷調修。因此，如何控制焊接變形在合理的可調整范圍內，是制造的重點和難點。

3 焊縫質量控制

3.1 焊材選用

動車組橫梁選用耐候鋼材料焊接結構。因其耐大氣腐蝕性好，且抗拉強度高、塑性好的特點，已成為高速列車轉向架的優選材料。目前國轉向架構架材料多選用高強耐候鋼材料，常見的如S355J2W（H）以及日系SMA490BW[1]。針對高強度耐候鋼焊接裂紋傾向明顯的特點及轉向架高安全性能要求。焊接填充材料選用必須符合國際標準ISO14341要求，且多選用進口填充材料，為提高焊接性并補充耐候鋼材料焊接過程微量金屬的損耗，填充材料中經常含Zr、Ni、Cu等元素。

3.2 單件質量控制

為保證焊縫質量和控制焊接變形量，從下料、折彎工序開始，即實行要求高于行業標準的單件質量控制。對于平板件，全長范圍內平面度要求≤0.5mm。對于折彎成型件，在壓彎的基礎上，增加調修工藝，保證折彎件與檢測樣板之間間隙要求≤0.5mm，折彎處局部間隙要求≤1mm。同時為保證工件表面質量，避免出現壓痕。

3.3 焊接工藝

在保證組裝單件尺寸質量的基礎上，進而保證組裝件裝配質量。完成組裝后，采用機械手或手工方法進行焊接。常用焊接方法為MAG焊。由于要求較高的一次焊接合格率，焊工在通過ISO9606-1或ISO14732考試的基礎上，還需經過反復的工作試件練習，以達到焊縫外觀成型良好和焊縫內部質量一次合格率很高的目的。

3.4 焊縫檢測

焊接缺欠可分為兩大類：第一大類是焊接變形和殘余應力。第二大類為類裂紋缺欠，是焊接結構中最危險的缺欠，宏觀裂紋會導致構架結構的報廢，微觀裂紋如果不能被及時發現，也會極大地降低焊接結構運行的可靠性，甚至會造成災難性事故的發生，具有更大的危害性[2]。

因此需要對所有焊縫按質量等級實施檢驗。焊縫質量檢驗是制造過程中一道不可或缺的工序。橫梁焊縫采用外觀檢測、磁粉檢測、超聲波檢測、X射線探傷等方法。焊縫質量等級越高，采用的檢測方法越嚴格。幾種檢測手段的綜合運用，對焊縫從外觀到焊縫內部進行全面檢測。如橫梁管與連接座CPA等級焊縫。需采用外觀、磁粉和射線探傷檢測合格。

4 焊接變形控制

4.1 模塊化制造

焊接順序對焊接變形起重要作用。如2.1制造流程所述，將橫梁分成若干組焊模塊次部件。對每個模塊的焊接順序進行反復調整，對焊接后變形進行測量對比，確定變形規律。便于制定合理的工藝放量和反變形量，實現冷調修保證模塊尺寸，最終實現控制橫梁組成尺寸的目的。

4.2 自動化焊接技術應用

要實現高鐵橫梁批量化生產，保證穩定的質量輸出，還需提升自動化焊接率，全焊縫自動化焊接率達到80%以上。如下為典型部件的機械手焊接。

（1）橫梁管焊接。

采用機械手焊接，可以保證焊接位置始終處于PA位置，降低了焊接難度，使CPA焊縫一次焊接合格率更高。

（2）制動橫梁管焊接、橫梁管二次自動化焊接。

采用機械手焊接，可以保證更固定的焊接熱輸入，變形更具規律，便于更好地制定調修工藝。

（3）橫向止擋座自動化焊接。

焊接結構較復雜，手工焊接要求技能較高，采用機械手焊接，程序調整優化后，可以明顯降低操作難度，更好的保證質量。

4.3 三維檢測技術應用

（1）對組焊工裝的三維檢測。

對組焊工裝進行三維檢測，確保工裝尺寸和準確的反變形。目的是在保證單件尺寸的基礎上，進而保證焊接組裝質量。組裝質量是保證焊接質量和焊后變形的關鍵因素。

（2）對組焊件的三維檢測。

對組焊件焊后尺寸的檢測，進行數據對比積累，主要為驗證焊接變形量和為調修作業提供數據基礎，進行工藝優化。

5 結語

該文通過對多種動車組轉向架橫梁生產實際進行分析，對橫梁組焊工藝進行總結，主要從保證焊縫質量，控制焊接變形兩方面進行研究。全面敘述了橫梁制造流程、制造過程中難點及解決方法。同時對機械手自動化焊接技術和三維檢測技術在橫梁制造過程中的應用進行了介紹，通過這些技術的應用，可以較好地提升產品質量和形象，并為批量化生產提供支撐。

參考文獻

[1] 張志毅.高速列車轉向架用鋼熱物理性能[J].電焊機， 2016（6）：46.

[2] 盧耀輝.鐵道客車轉向架焊接構架疲勞可靠性研究[D].西南交通大學，2011.

[3] 李向偉.基于質量模糊評判模型的焊縫疲勞壽命評估[J].焊接學報，2010，31（8）：49-52.