机车工字型中梁组焊工装设计及焊接变形控制

傅利斌，王大勇，杨鑫华，李雄飞

(1.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028;2.中国北车集团 大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022)

0 引言

新西兰机车中梁的材料主要选择Q345-E的材料，屈服强度345 MPa.综合力学性能、加工和焊接性良好，广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等.中梁焊接采用富氩气体(80%Ar+20%CO2)保护的焊接方法，操作简单、生产效率高、熔深好、焊接变形和飞溅小、焊缝成形美观、对油和锈的敏感性很低等优点.焊接材料选用牌号ER50-6气体保护焊丝，焊丝的价格低廉，焊接成本低.

对于工字型中梁钢结构的组对和焊接，其关键在于控制组对尺寸和焊接变形.组对尺寸可采用工装保证，焊接变形一般可采用合理的焊接工艺、反变形法，刚性固定法等进行控制，焊后变形可通过火焰矫正，机械动力矫正法等进行处理［1-2］.

1 技术要求

新西兰机车中梁钢结构，由上盖板，下盖板，立板三部分组成，长16 400mm.其中上下盖板分别由三块板拼接而成，立板由两块板拼接而成，中梁组对焊接完成后应保证底架组焊后的上挠度0～15mm的要求，且在全长范围内的旁弯值不大于5mm，旁弯只允许凸向外侧，工字形截面的角变形应加以控制.

2 组对焊接难点分析、计算及解决措施

中梁是鱼腹形变截面工字梁结构，为底架主要的承载部件.中梁总长度为16 400mm，共有四条焊缝，焊接量大.其制造难点为:①中梁是鱼腹形变截面工字梁结构，且其上下盖板厚度不一，上盖板为20mm，下盖板为40mm，上下盖板焊后容易产生角变形，纵向焊后容易产生下挠度;②中梁具有较高的强度及刚度和大的外形尺寸，组装要求高，组焊成形后进行机械矫正的难度很大;③由于焊角大，焊接热输入量大，中梁产生的焊接变形大［2-4］.

由于中梁各焊缝的焊角大，其焊后产生的纵向收缩量ΔL直接影响心盘距、车体全长尺寸及旋转锁的组装，中梁全长需预留出一定的收缩量，同时为了方便中梁的组焊，两头各需预留出一定的工艺加长量，在中梁组焊完成后，画线切割，因此中梁下料长度是一个非常重要的工艺参数.焊接收缩量 ΔL 的计算公式:ΔL=K2K1FHL/F［1］，式中，ΔL为纵向收缩变形量(mm);FH为焊缝熔敷金属的横截面积(mm2);F为构件横截面积(mm2);L为构件长度(mm);K1为系数，与焊接方法有关的系数，CO2气体保护焊取0.043;K2为系数，n为层数

根据生产经验，工字型结构收缩量

ΔL≈L/1 000=16 400/1 000≈16mm.

中梁上盖板厚度仅为20mm，焊后极易向内收缩产生角变形，采用预压反变形的方法加以控制.根据经验分别向上折2°.如图1所示.

图1 中梁预压反变形示意图

为保证中梁形成上挠度后与端部装配满足底架总长要求，现场需要适当研配，中梁两端需要分别加长12mm的量.因此中梁整体放量为40mm，下料总长度为16 440mm.

采用将立板平放，上、下盖板以立板为基准进行定位夹紧的方式进行组对焊接.在对中梁施焊前，立板须与组焊工装水平支撑台面紧密贴合，并辅以外力压紧固定，底部垫实，使其变形得以控制.

采用刚性固定中梁下盖板和上盖板，减少因中梁上盖板与中梁立板焊角大，热输入量大引起的上盖板角变形.

依次进行立板、下盖板和上盖板的拼焊，开双面V型坡口;采用多层多道焊接方式，每焊完一道都要采用锤击法释放焊接应力;每焊完一层，清理焊道，直至这条焊道焊完后，翻转180°，将背面焊道清根处理后再按同样的原则进行背面焊道的焊接.

立板与上、下盖板的焊接利用焊接机器人进行成形焊接，采用逆向分段焊法，从中心向两侧施焊，先焊接中梁下盖板与立板处角焊缝，然后再进行上盖板与立板处角焊缝的焊接.

通过采取以上这些措施后，中梁上挠度基本控制在15mm，旁弯5mm以内，达到了设计要求.

3 组对工装设计

根据以上的分析及中梁的尺寸特点，中梁组对夹具设计时采用液压定位夹紧方式;考虑到需要组对的中梁尺寸较大，采用几个阀分别控制不同的夹紧油缸;在定位面的选择上，以中梁的中心线为整个中梁的定位基准，各零件的定位基准都从中心线定位，提高定位的组对精度［5］.中梁可采用正对，反对，平对三种组对方式.由于上盖板已经预先进行了反变形且正对和反对不易保证立板垂直度，所以采用将立板平放的方式进行组对，上下盖板以立板为基准进行定位夹紧.

3.1 定位

将立板平放到平台上，以立板为基准进行组对.考虑下料的误差和变形，垂直方向的尺寸不能以上下盖板侧边进行定位，由于设计要求立板与上下盖板中心分别对齐，所以盖板要与工装胎面留有一定的间隙，通过加斜铁进行垂直方向的调节，直到盖板中心与立板对齐为止.

上盖板已经进行了预先反变形，考虑到顶紧的方便与定位准确，因此横向尺寸以上盖板为基准进行的定位，在下盖板处加设上下两个顶紧装置，调节下盖板的垂直度，通过顶紧将上盖板紧贴于定位块.

中梁长度16 440mm，尺寸较长，为防止塌陷，特每隔1.5 m处加一支撑，以保证中梁旁弯值在5mm以内，且凹于内侧.

3.2 组对工装的设计

组对工装结构如图2所示.根据工艺要求，中梁在组对工装上进行定位打底焊接，以防在移到翻转工装时产生变形.四条焊缝在组对工装上必须能够全部焊到，且操作者焊接方便，能够对下面两条焊缝进行点焊，对上面两条焊缝进行打底焊.根据计算，下方空间高度753mm，宽度800mm，方便工人进行焊接操作.

图2 组对工装示意图

3.3 焊接中夹紧和刚性固定

机车中梁焊接是由上盖板，下盖板，立板组焊成的工字型焊接，根据施焊方案的不同，所需夹紧力的计算方法也不同.中梁焊接是将工字梁用定位焊装配好，然后将其上的四条角焊缝一次焊成.

单位长度夹紧力的计算公式为:q=9.6Fwe/L2［6］

其中，Fw为焊缝纵向收缩力，单面焊时，Fw=1.7DK2(N);双面焊时，Fw=1.15 × 1.7DK2(N)，K为焊脚尺寸，D为工艺折算值，埋弧焊时 D=3000(N/mm2)， 焊 条 电 弧 焊 时 D =4000(N/mm2);e为梁中性轴至焊缝截面重心的距离;L为工件的长度.

中梁焊接采用双面焊，是焊条电弧焊，D=4000(N/mm2).K取8mm.焊缝纵向收缩力:Fw=1.15 ×1.7DK2(N)=1.15 ×1.7 ×4 000 ×82N=500 480 N.

梁中性轴至焊缝截面重心距离e为192mm.单位长度所需夹紧力:

q=9.6Fwe/L2=9.6 ×500480 ×192/164002=3.43 N/mm

综上中梁焊接所需夹紧力:

F=qL=3.43 × 16 400 N=56.25 kN

根据工艺要求，中梁的四条长焊缝要求进行45°船形焊接，且要求在焊接中有刚性固定件对中梁进行固定以防出现过度的角变形.

如图3所示，丝杠用于保证翻转工装在翻转过程中固定件不至掉落.

图3 刚性固定结构示意图

4 焊后矫正处理

工字形中梁焊完后，主要变形是翼缘的角变形.其长度长，上下盖板厚度不一，下盖板厚度40mm，上盖板厚度20mm，焊接完成后，上盖板收缩要比下盖板大，容易产生下挠.

先矫正角变形，然后矫正挠曲变形和旁弯变形，最后矫正一些小变形.

对于角变形，采用机械矫正和热矫正.工字形中梁焊接后，送至角变形矫正机床上进行矫正，通过压紧调整轮控制角变形尺寸.通过机械矫正，可以消除大部分角变形;为保证上下盖板的平面度要求，对余留变形采用热矫正消除.矫正时，用氧化焰在翼板凸面与焊缝相对应的位置进行线状加热，加热深度为翼板厚度的1/3～2/3，加热线的宽度为翼缘板厚度的0.5～2倍;在冷却后，可使翼板在厚度产生不均匀的横向收缩，使原有的角度变形得以矫正，如图4所示.

对于挠曲变形采用三角形加热法矫正，不论向哪一方向弯曲，三角形顶点应在弯曲凹面一侧，底边在弯曲凸面一侧的边缘上，用中型焰加热，加热深度为翼缘的厚度.三角形布置及大小要根据变形程度而定，如图5所示.如变形较大，灼烤的三角形面积适当大些，密一些，但不要造成反变形，灼烤三角形的尖部不要超过工字梁的中心轴线.

图4 角变形的热矫正示意图

图5 挠曲变形的热矫正示意图

采用上述方法后，如果一次矫正不能满足设计要求，需要再次进行矫正，但一般不超过三次，尽量避免在同一位置反复加热，以免对钢材组织和矫正效果产生不利的影响.

对于其他小变形，总原则是先矫正整体变形，后矫正局部变形.当然，如先矫正局部变形对整体变形的矫正有利时，可以先矫正局部变形.运用火焰矫正时，加热温度要控制在700℃左右，最高温度不得超过800℃［7-8］.

5 结论

机车工字型中梁钢结构按照上述组对顺序和工艺方法，采用反变形、预放量、焊接时采用45°船形焊和在专用组对工装的保证下，控制了焊接变形.焊后采用机械和火焰的矫正处理方法，减少焊接变形和焊接应力，保证了焊接组对质量，其工艺方法可行，满足设计要求.

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