高速動車組牽引梁下蓋板焊接變形問題的解決方案

閆立志 仇志遠 鄭 偉 郭志成

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266111)

高速動車組車體結構可靠性是列車安全運行的重要保障，牽引梁組成是車體底架的重要組成部分，由牽引梁、車鉤安裝座、牽引梁上、下蓋板等結構組成，牽引梁組成的三維模型如圖1所示，在加工過程中對其結構變形量有嚴格的要求。在實際加工過程中，牽引梁下蓋板會出現不同程度的下凹變形，嚴重影響了高速動車組的產品質量和生產加工效率[1]。

圖1 高速動車組牽引梁組成三維模型

針對高速動車組車體加工過程中牽引梁下蓋板表面焊接凹陷變形問題，測量了同一列車的牽引梁下蓋板在相同位置處的平面度尺寸(見圖2)，數據統計如表1所示，其平面度變化曲線如圖3所示。

圖2 牽引梁下蓋板平面度尺寸測量位置示意圖

序號車號牽引梁下蓋板平面度/(mm·m -1)13#-016 23#-025 33#-035 43#-045 53#-056 63#-068 73#-077 83#-085

由圖3和表1可以看出，同一列車的牽引梁下蓋板在焊接后普遍出現5～6 mm/m的凹陷變形，最大的變形量達8 mm/m，無法滿足牽引梁下蓋板平面度的技術工藝要求。

圖3 3#列車不同車號牽引梁下蓋板平面度變化曲線

1 原因分析

(1)材料原因

高速動車組的牽引梁組成是由鋁合金材料焊接而成，鋁合金材料的導熱性能好，熱膨脹系數大，其凝固收縮率約為6.5%。牽引梁下蓋板在焊接過程中，焊縫熱輸入過大，焊接冷卻之后導致的收縮變形過大，而下蓋板與牽引梁之間的中間部位沒有約束，從而導致牽引梁下蓋板焊接后出現下凹的現象，這就是金屬材料在焊接過程中無法避免的焊接變形問題。

(2)人為原因

現場加工人員在加工過程中，由于人為因素，焊槍位置擺動較大，導致焊接部位受熱不均勻，從而導致焊接過程中出現結構撓曲變形，也在一定程度上增大了牽引梁下蓋板在焊接過程中的下凹變形量。

(3)設計原因

查閱設計標準EN 15085-3∶2007 (E)，該類焊縫的焊角高度應為板厚t1(見表2)。因此在牽引梁組成的圖紙設計中，牽引梁與下蓋板之間的焊縫尺寸要求應該是在10 mm單“V”焊縫的基礎上，外加一個“a10”的角焊縫。該焊縫的焊接工藝為四層五道焊，焊接量過大，導致焊縫熱輸入過大，在一定程度上加劇了牽引梁下蓋板焊接后出現下凹變形的程度。

表2 EN 15085-3∶2007 (E)中對應的焊縫尺寸參數表

序號特征圖示符號10cHV焊縫疊加角焊縫準備接頭截面圖標注符號材料厚度t/mm角度α/(°)坡口b/mm焊腳面厚度c/mm準備深度h/mm鋁a鋼鋁a鋼鋁a鋼鋁a鋼鋁a鋼焊縫設計厚度αR/mm3～153～1550～6050～600～30～30～20～2--αR=t1

2 解決方案研究

方案優化目標：控制牽引梁下蓋板的焊接變形，通過一系列措施減小焊接變形量，最終達到牽引梁下蓋板焊接完成后免調修即可滿足技術要求，牽引梁下蓋板平面度不大于3 mm/m。

解決方案及措施如下。

(1)設計優化。經過試驗和仿真校核，在滿足焊縫強度要求的條件下，將焊縫的焊角高度尺寸優化為標準的0.8倍[2](見圖4)，這樣該焊縫的焊接工藝可以由原來的四層五道焊改為三層四道焊，從而在設計上減少了牽引梁下蓋板與牽引梁之間的焊接量，進而減少了焊縫的熱輸入，優化了鋁合金材料由于焊接量過大造成的焊接變形問題。

(2)工藝優化。① 嚴格規范焊接要求，減少人為因素對焊縫質量的影響 。要求焊接工人嚴格執行焊接工藝，委托車體焊接工藝師現場指導焊接操作者，要求進行打底焊時焊槍不擺動，在焊接工藝上提高焊縫質量。

圖4 牽引梁下蓋板焊接工藝示意圖

② 增加剛性固定約束，減小其在焊接過程中的下凹變形。在牽引梁下蓋板的橢圓孔位置焊接3根工藝梁，對其施加剛性固定約束，以減小其在焊接過程中產生的下凹變形，3根工藝梁的尺寸為 1 000 mm×100 mm×23 mm，材質為鋁板23-5083-O，焊接工藝為30 mm長的定位焊，各工藝梁的定位焊縫數量及位置分布如圖5所示。

(a)工藝梁及定位焊位置平面分布圖 (b)牽引梁下蓋板剛性固定約束效果圖圖5 牽引梁下蓋板剛性固定約束施加方案

③ 預設反變形，抵消其在焊接過程中的下凹變形。針對工藝梁3，在中間位置打磨一個長約100 mm、深約3 mm的槽型缺口(見圖6)，安裝過程中，使用卡蘭將該工藝梁與牽引梁下蓋板夾緊并固定，保證兩者之間密貼，使牽引梁下蓋板產生反方向的預變形，以抵消其在焊接過程中產生的下凹變形。

(a)反變形實施方案示意圖 (b)牽引梁下蓋板反變形施加效果圖圖6 牽引梁下蓋板反變形施加方案

3 方案優化前后效果驗證

測量方案優化后同一型號高速動車組的5#列車不同車號的牽引梁下蓋板平面度尺寸，將其與方案優化前的3#列車對應車號的牽引梁下蓋板平面度尺寸進行對比，對比參數如表3所示，對應的平面度參數變化曲線如圖7所示。

表3 3#和5#列車不同車號的牽引梁下蓋板平面度尺寸對比

對比表3和圖7中的數據可以看出，方案優化前，牽引梁下蓋板平面度普遍在5～6 mm/m，最大達到8 mm/m。方案優化后，牽引梁下蓋板的平面度均在3 mm/m以下，相對方案優化前降低40%～80%，平均降低66.54%，在免調修狀態下即可滿足工藝技術要求。

圖7 方案優化前后牽引梁下蓋板平面度尺寸變化對比曲線

4 結論

針對牽引梁下蓋板產生變形的原因，從技術設計和工藝兩個方面提出了相應的優化解決方案，并對比驗證了方案優化效果。結果表明：通過方案優化，牽引梁下蓋板焊接后在免調修狀態下即可滿足工藝技術要求，達到了方案優化目標，節省了牽引梁下蓋板在加工過程中反復調修的人力、物力以及時間成本，從而極大地提高了生產效率，降低了公司的生產成本。