不锈钢车体门立柱焊接变形控制

彭 剑 金文涛 吴金津

(中车南京浦镇车辆有限公司 江苏 南京 210031)

不锈钢车体门立柱焊接变形控制

彭 剑 金文涛 吴金津

(中车南京浦镇车辆有限公司 江苏 南京 210031)

本文主要分析不锈钢车体侧墙骨架组焊过程中门立柱变形的原因并通过预设反变形、工装约束及调整焊接工艺等方法解决门立柱的焊接变形问题。

不锈钢；门立柱；焊接变形

1 概述

出口马来西亚的不锈钢车辆属A型不锈钢地铁车辆，由中车南京浦镇车辆有限公司负责车体组装焊接，其结构独特，侧墙骨架为梁柱结构，门立柱与横梁均通过MAG焊焊接，结构致密，焊缝集中。组焊过程中由于焊接变形量较大，焊后门角部位平面度及门立柱轮廓度超差，设计要求平面度不大于2 mm，轮廓度不大于3 mm，实测门角区域平面度最大达5 mm，门立柱区域轮廓度达6 mm，给后续内装零件的装配及整车美观带来严重的影响。因此如何控制门立柱的焊接变形，保证侧墙平面度及轮廓度是一大工艺难点。

2 原因分析

2.1 结构原因

该侧墙门立柱为不锈钢U形开口型材(见图1)，通过辊弯工艺成型，此结构有利于门立柱和墙板电阻点焊的实施，可减少弧焊结构，降低焊接变形。但由于开口结构型材强度分布不均，刚性较弱，焊接过程容易变形。门立柱与侧墙横梁焊缝相对集中且分布不对称更加剧了门立柱的焊接变形。焊后门立柱U形内侧边圆弧缩小，外侧边圆弧不变，外观呈现锥型状态，如图2所示。

图1 门立柱断面结构图2 门立柱焊接变形示意图

2.2 材质原因

出口马来西亚的不锈钢车体侧墙门立柱的材质为X2CrNiN18-7+C850,属于奥氏体不锈钢，具备优异的韧塑性及良好的焊接性能，但其线膨胀系数大(同比碳钢约大40%，比铁素体不锈钢大30%)，并且会随着温度的升高而相应提高(见图3)。故在同等热输入量下，奥氏体不锈钢相对碳钢或其他不锈钢变形量更大。

图3 不锈钢线膨胀系数曲线

2.3 焊接工艺原因

门立柱与横梁采用MAG焊焊接，焊接顺序为由侧墙上部向下部逐根焊接(见图4)。焊接过程未形成框架，整体强度低，刚性弱，每根横梁对应部位都会产生焊接变形，焊后整体门立柱变形较大。

门立柱与横梁焊接过程中所使用的焊接电流较大(PG位置约130 A，PA位置约100 A)，焊接速度偏慢，致热输入量较大，高温停留时间较长，故焊后门立柱变形大。

图4 侧墙骨架焊接顺序

3 改善措施

3.1 焊接反变形

焊接反变形法是指在焊前对工件或者工装预置反方向的变形量以补偿焊接变形的方法，不仅可以控制焊接变形还可以避免焊接应力集中，很大程度上简化了不锈钢侧墙的制造工艺。反变形工艺方案如下：在侧墙横梁与门立柱焊接前先进行点固，然后在门立柱中部内侧圆弧根部及两端部外侧圆弧根部各垫4 mm厚垫板，使用F钳将门立柱两端内侧边与工装把紧，确保门立柱U形内侧圆弧处于拉伸状态(图中虚线所示)，焊后轮廓度、平面度满足标准要求，如图5所示。

图5 门立柱反变形示意图

3.2 刚性约束

刚性约束法是目前应用最广的工艺方法之一，其操作简单，效果显著，但由于采用外力强行制约焊接变形，故焊后会存在较大的内应力，可通过锤击、退火、喷丸等方法释放应力。出口马来西亚的不锈钢车体门立柱刚性约束主要是通过在原工装上增加3副门立柱垂向压紧机构，焊接过程中分别压紧门立柱的圆弧中部及上下口，保证门立柱与工装贴紧，制约焊接过程中门立柱内侧立边的焊接收缩，焊后待焊缝完全冷却使用木锤敲击焊缝处释放应力。

3.3 改善焊接工艺

通过对变形的模拟仿真和工艺试验的验证，对焊接顺序及焊接参数做了相关调整：(1)焊接过程中先焊侧墙上、下口2根横梁与门立柱连接的立焊缝再焊中部横梁与门立柱连接的立焊缝，待所有立焊缝完全冷却后焊接所有横焊缝(见图6)；(2)适当减小焊接电流(PG位置为115 A，PA位置约85 A)，提高焊接速度，降低线能量，减少焊接变形。通过数值模拟，经改善后的焊接工艺所得模型结构与实际产品相当，焊接变形得到很大改善(见图7)。

图6 改善后侧墙焊接顺序

图7 门立柱焊接变形数值模拟

实施以上3种工艺方法后，焊接变形得到了有效控制，平面度、轮廓度也得到显著改善，现场实测平面度最大为2 mm，轮廓度最大为2.5 mm，符合设计标准要求，如图8、图9所示。

图8 工艺调整前侧墙平面度图9 工艺调整后侧墙平面度

4 结论

通过对不锈钢车体侧墙结构及侧墙骨架组焊过程进行研究分析，明确焊接变形的原因，提出改善措施，后期通过预设反变形、优化工艺参数、增加刚性约束以及改善焊接顺序等工艺手段减小了门立柱焊接变形，有效提高了产品质量。 □

(编辑：缪 媚)

2095-5251(2016)05-0046-02

2015-11-25

彭 剑(1986-)，男，本科学历，工程师，从事铝合金及不锈钢轨道车辆车体组焊工艺工作。

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