1750kW蓄電池機車底架側梁焊接變形控制及矯正工藝

文/王迎斌，王宏軍·中車大同電力機車有限公司

1750kW蓄電池機車底架側梁在試制過程中容易出現質量問題，通過調整焊接順序并且利用反變形工藝進行梁體組焊，使底架側梁的平面度、旁彎以及撓度等關鍵數據達到了設計要求，避免了大面積火焰矯正給梁體材質帶來的不利影響，有效地降低了底架側梁的焊接變形量，為后續的批量生產提供了技術依據。

梁體結構及技術要求

1750kW蓄電池機車底架側梁為箱型結構，全長19046mm分三段拼接而成，如圖1所示。梁體主要是由外板、隔板、立板和筋板等部件組成。技術要求為：梁體的直線度為2mm/m，全長不大于4mm；梁體焊后調平、調直；底架側梁的主要焊縫布置在梁體的中下部，其中梁體外板R處無焊縫。由于焊縫不對稱，梁體焊接后極易產生變形。

圖1 底架側梁焊接截面

焊接結構變形分析

為了減小焊接后構件的彎曲變形，在結構設計時應力求使焊縫位置對稱于焊接構件的中性軸或者接近于中性軸，這樣就有可能使中性軸兩側焊縫產生的彎曲變形完全抵消或部分抵消，從而減小構件彎曲變形。這里僅選取了底架側梁其中的一段進行分析。如圖2所示，側梁隔板與立板的連接焊縫（5HY，a6）和外板與隔板的連接焊縫6HY都處于中性軸x-x軸的上方，兩條焊縫的縱向收縮使梁體向x-x軸方向產生彎曲，即梁體在垂直方向產生了下撓；外板與立板的連接焊縫a4和隔板與立板的連接焊縫（5HY，a6）都處于中性軸y-y軸的左側，兩條焊縫的縱向收縮又使梁體向y-y軸方向產生彎曲，即梁體在水平方向產生了旁彎，并且兩種彎曲變形的程度均較為嚴重。如圖3所示，外板與隔板連接焊縫6HY的橫向收縮又使側梁外觀面產生了角變形，直接影響到側梁外觀面的平面度。1750kW蓄電池機車上撓度設計要求是12～18mm，而底架側梁焊接后的下撓度值達到了約20mm，這對于底架裝配時撓度的控制非常不利，所以控制梁體的焊接變形是此次試制任務中必須要解決的問題。

圖2 梁體變形方向

梁體焊接變形的控制

梁體彈性反變形法

如圖4所示，梁體彈性反變形時的方向要與梁體焊接后的變形方向相反，彈性反變形矯正力的大小應以垂直壓緊裝置或水平頂緊裝置的伸出長度表示，根據梁體的變形程度，記錄每次頂桿的伸出長度，直至確定出最佳矯正效果的伸出長度。

圖4 梁體彈性反變形方向

選擇合理的焊接方向和焊接規范

焊接方向應當從最受限制的區域朝較少受限制的區域進行焊接，由于反變形過程中梁體的中部在水平和垂直方向都施加了一定的作用力，中間位置受到了更多的限制，所以應從梁體中部向兩側進行焊接。要盡量避免隔板與立板的連接焊縫（5HY，a6）一次性焊接填充，控制好焊接熱輸入量，減少梁體向水平或垂直方向變形的趨勢。可采用能夠使熱量分散的分段退焊法進行焊接，并且在保證焊縫熔深的情況下盡量避免焊接參數過大，即采用較細的焊絲和較小的焊接電流進行焊接，以免造成熱輸入加大，增加梁體的變形程度。

由于筋板的數量較多，焊接時不同的焊接方向會引起不同的變形情況和內應力狀態，因此要盡可能使焊縫收縮引起的變形與梁體焊后變形方向相反。以外板與筋板、立板與筋板a4焊縫為例進行說明，如圖5所示，焊接①焊縫時采用同一方向“直通”焊接，即從自梁體R圓弧處向立板方向進行焊接。由于每道焊縫都是始焊端的橫向收縮略大于終焊端，導致焊縫①的橫向收縮引起梁體向立板方向產生了彎曲變形，恰好與梁體焊后產生的彎曲變形方向相反，減小或部分抵消了梁體的變形程度；同理焊接②③焊縫時，應由梁體底部向上進行焊接，②③焊縫的橫向收縮引起梁體產生向上拱曲變形，恰好與梁體焊后產生下撓變形的方向相反。采取上述措施后，梁體變形程度得到了一定的控制，減少了后續火焰矯正的工作量。

圖5 a4焊縫的焊接方向

選擇合理的焊接順序

合理的焊接順序能夠減小梁體的變形程度。如圖6所示，由于大部分貫通的長焊縫集中在x-x軸的上方和y-y軸的左側，如果先焊焊縫2和焊縫3，將會引起梁體向y-y軸右側方向產生較大的彎曲變形。如果先焊焊縫1，再焊焊縫2和焊縫3，梁體向y-y軸右側方向產生的彎曲變形就會減小。由于焊縫1的縱向收縮使梁體向y-y軸左側方向產生彎曲變形，這樣就能夠部分抵消焊縫2和焊縫3焊接后梁體向y-y軸右側方向產生的變形。通過數據對比，先焊焊縫1比先焊焊縫2和3梁體水平彎曲的變形程度減小了8mm。

圖6 焊縫1、焊縫2、焊縫3的焊接順序

梁體火焰矯正工藝

火焰矯正的效果關鍵在于加熱位置、加熱形狀和加熱先后順序的選擇，因此火焰矯正前一定要全面分析構件的結構和構件焊后變形的大小和方向，以制定出合理的矯正方案。

梁體加熱位置的選擇

如圖7所示，矯正旁彎時，首先要確定火焰矯正的位置。第一組加熱線應該選擇在梁體R1的棱線上；第二組加熱線必須選擇在隔板與外板連接焊縫的背燒處，加熱線只有選擇在這個位置上，矯正梁體旁彎的效果才明顯，第二組加熱線在矯正梁體旁彎的同時，還能夠矯正由于外板與隔板連接焊縫6HY橫向收縮產生的角變形。如果第二組加熱線選擇在R2棱線上，梁體只能在“局部”產生變形，但是“整體”并未發生變化或變化不大，梁體的旁彎及平面度非但得不到矯正，R2棱線還會由于過熱產生矯過現象。所以火焰矯正前一定要分析梁體的結構及部件之間相互制約的關系，加熱位置如果選擇不正確，火焰矯正的效果不明顯或者可能會產生與矯正方向相反的變形。

圖7 矯正旁彎時的加熱位置

底架側梁使箱體結構強度較高，雖然焊接工藝改進后使梁體的下撓度值有所減小，但是1750kW蓄電池機車上撓度設計要求是12～18mm，加上側梁焊接后還處于下撓狀態，如果底架裝配時靠頂、拉等強制狀態達到上撓度設計要求，難度會很大。所以底架裝配時，側梁的上撓度就要提前預制出來，為了以最少的加熱次數獲得最佳的矯正效果，火焰矯正位置的選擇也很關鍵。如圖8所示，第一組加熱線應該選擇在R1棱線上，由于第一組加熱線在矯正梁體旁彎時剛剛完成加熱，因此第二組加熱線應選擇在外板與立板焊縫的背燒處。加熱時按照圖示的順序，從中間向兩側進行線狀加熱。前面所述側梁的上撓度需要提前預制出來，以上兩組加熱線還不能使梁體的撓度值達到技術要求，所以還要增加一組加熱線。第三組加熱線必須選擇在筋板與外板焊縫的背燒處，加熱順序與第二組加熱線相同。冷卻后對梁體的撓度進行測量，由于加熱位置和加熱順序選擇比較合理，每組加熱線僅需一次加熱，梁體的上撓度就達到了設計要求，避免了多次加熱給梁體材質帶來的不利影響。

圖8 矯正梁體撓曲變形時的加熱位置

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06

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上述火焰矯正是在自由狀態下完成的，為了提高矯正效率也可增加外力進行矯正。但需要注意的是，施加的外力不能過大，否則在加熱過程中梁體會出現失穩現象，加熱處會產生皺褶或過矯現象。

結束語

針對底架側梁焊接后出現的變形，進行了分析并制定出了相應的控制措施，主要是通過梁體彈性反變形法→減少焊接熱輸入量→焊接順序法→火焰矯正等工藝實現的。實踐表明，制定的工藝方案行之有效，不但減少了火焰矯正的工作量，還為后續底架的裝配提供了質量保證。