无磁化前端钢结构制造焊接工艺研究

张 野 张 强 张洪国

(中车长春轨道客车股份有限公司 吉林 长春 130062)

低地板有轨电车是中车长春轨道客车股份有限公司地铁车中平台项目，低地板车具有良好的稳定性，可根据不同城市环境更换不同造型，适合国内观光旅游城市，同时具备性价比高等显著特点，在国际市场应用前景十分广大。

低地板有轨电车采用整体承载的钢结构形式，钢结构包括底架、侧墙、端墙和车顶，前端钢结构属于底架部分(见图1)，即整车的司机室钢结构，前端骨架为空间立体结构，具有多个定位平面，增加了钢结构的组对和焊接难度。钢结构材质主体为不锈钢，不锈钢材质具有良好的耐蚀性和可塑性。不锈钢车体不需要同碳钢车体一样预留腐蚀余量，整体结构使用调质压延钢板，以实现轻量化。但不锈钢焊接时所产生的焊接应力大，焊接结构易产生变形，难以保证车体钢结构尺寸与强度要求[1]。

以色列特拉维夫红线轻轨项目是我国100%低地板列车首次出口发达国家，也是目前世界安全防护等级最高的轻轨列车。车体钢结构材质为X2CrNiN18-7不锈钢，不仅具有不锈钢的耐蚀性等特点，同时材质无磁化，无磁化车体保证了车辆在运营过程中的安全性。针对前端骨架的空间立体结构和材质，进行了焊接工艺研究，采取合理的工艺方案保证了前端钢结构的焊接要求和装配尺寸要求[2]。

1 焊接工艺研究

1.1 材质介绍

前端钢结构主要材质为X2CrNiN18-7，德国DIN标准不锈钢，耐蚀性良好，在国外的城铁车车体钢结构中广泛应用。材质执行标准EN 10088-2：2005，钢号为1.4318。材质的质量分数如下：ω(C)≤0.03、ω(Si)≤1.0、ω(Mn)≤2.0、ω(P)≤0.045、6.00≤ω(Ni)≤8.00、0.1≤ω(N)≤0.2，其机械性能如表1所示。

1.2 焊接接头设计

本项目前端钢结构所用X2CrNiN18-7材质厚度为5 mm、6 mm、8 mm三种，焊接接头多为“8 mm+6 mm”的T型接头，前端钢结构中补强筋板连接底板与盖板，需要与底板形成统一的整体起到支撑盖板和前端钢结构的作用，补强筋板与底板的焊接强度要求高，定位准确。补强筋板与底板的焊接中采用了T型接头和插接结构，插接结构如图2所示，此焊接接头保证补强筋板定位准确，增强焊接强度。

表1 X2CrNiN18-7材质机械性能

注：产品型式中，C—冷轧钢带；H—热轧钢带；P—热轧钢板。

图2 前端钢结构插接结构示意图

1.3 焊接工艺评定

1.3.1试样形式

该项目中前端钢结构材质为X2CrNiN18-7，焊接接头多为“8 mm+10 mm”的T型接头。焊接工艺评定标准为ISO 15614-1，依据ISO 15614-1第8章的认可范围，试验的式样形式为“10 mm+10 mm”的X2CrNiN18-7平对接接头。具体形式如图3所示，其中：t为板厚，b为根部间隙，S为焊缝熔深。

图3 焊接接头形式和焊接顺序

1.3.2焊接参数

X2CrNiN18-7不锈钢在国内轨道交通车辆应用较少，依照国内同标准不锈钢焊接实例和焊接工程师的经验，制定工艺评定时式样焊接所需的焊接参数如表2所示。

表2 焊接参数

1.3.3试验结果

教师要通过创设情境，引领学生去探索、学习，与同伴互动，产生求知的欲望。一个好的情境会让学生“滋生”探索的好奇心、求知的兴趣，他们会主动与同学交流自己在获取知识中存在的困惑。在信息技术教学中，教师创设学习情境诱发学生的兴趣，让他们在潜移默化中学习，产生良好的互动。教师可以创设游戏情境，引发学生的好奇，如在“美化文章”教学中，教者设置“找茬”游戏，让学生通过比较发现两篇文章之间的差异，从而能主动打开心扉，产生表达兴趣，在互动中不断积累经验，改善人际关系。

根据ISO 15614-1中第7章的要求[3]，对焊接式样进行了低倍金相、拉伸外观、表面裂纹检测、射线探伤等测试，检测结果均满足要求，说明本次焊接工艺评定能够用于实际生产[4]。结果如表3、表4及图4所示。

表3 拉伸试验结果

表4 弯曲试验

注：试验标准为ISO 5173。

图4 接头宏观式样

2 前端钢结构工艺方案

2.1 前端钢结构介绍

前端钢结构为轨道列车司机室承载结构(见图5)，属于空间立体结构，料件种类多，所占空间体积大。车钩座、底板和法兰为预先焊接的组焊件，其余全部料件需在空间上层叠组对，累积焊接，空间尺寸不易保证，整体形状不易控制。

2.2 前端钢结构工艺要点

(1)组焊工装。组焊工装如图6所示，包括平台、支撑座和法兰等。设计以车钩座平面为基准，保证料件与工装相贴合。为防止焊接变形影响钢结构尺寸，在长度方向上放长4 mm，工装中心与前端钢结构中心相重合，组对料件时配合工装夹具进行定位夹紧控制，保证各料件中心与工装纵向中心重合，偏差不大于1 mm。

图5 前端钢结构

图6 前端钢结构反装组焊和正装组焊工装

(2)工艺流程。工艺流程如图7所示，经过对比分析前端钢结构，结合零件制造工艺，将前端钢结构分为法兰组焊、车钩座组焊、前端正装组焊和前端反装组焊等工序。

图7 工艺流程图

(3)焊接方案。前端钢结构采用先正装后反装的工艺，为了保证前端钢结构所有焊缝都能实现焊接，所有零件需在正装组焊完成。由于前端骨架为空间立体结构，具有多个定位平面，反装工艺完成压馈装置安装板的安装及反面焊缝的焊接。焊缝采用风冷方式进行冷却，所有的焊缝冷却至室温后再将各压紧松开。前端钢结构与底架钢结构焊接完成后需整体进行机加工，包括车钩座、转向架连接处等部位，保证车钩座平面度等相关尺寸精度。

2.3 前端钢结构工艺流程

2.3.1车钩座和法兰组焊

车钩座是前端钢结构的重要部件，负责车厢之间的连接，要求强度高，尺寸精度高。在焊接车钩座时按照图纸要求组对车钩座、加强板和加强筋，组对后完成加强筋与车钩座之间的点固。焊接时用工艺拉杆支撑车钩座和加强板，如图8所示，保证车钩座组焊后的强度和精度。

图8 车钩座组焊

图9 法兰组焊

2.3.2正装组焊

组焊完成的车钩座、底板和盖板等吊入前端钢结构正装组焊夹具内，配合激光墨线仪在底板上画出中心线，使底板与工装中心线对齐，偏差不大于1 mm。组对时零部件间闪缝不大于1 mm，用工装上的螺栓、夹子等将零部件固定在工装上，点固后焊接。组对时用工艺拉杆将筋板点固，保证筋板间尺寸和垂直度，如图10(a)所示。组对端板、前端板和左右侧板，配合激光墨线仪找出各零部件中心，使零部件中心与工装中心重合，用螺栓和夹子压紧、点固，如图10(b)所示。

图10 前端钢结构正装组焊

2.3.3反装组焊

将正装组焊完成的前端钢结构吊入反装组焊工装，使前端钢结构中心与工装中心重合，偏差不大于1 mm，法兰边缘和盖板下面放置6 mm板用于制作反变形。用拉子、卡兰等将前端钢结构夹紧。根据图纸要求尺寸组对安装板和内侧筋板，点固，按照焊接方案要求对前端钢结构进行焊接(见图11)。

3 结论

图11 前端钢结构反装组焊