浅谈城市轨道客车不锈钢车体钢结构焊后变形的矫正

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林 长春 130062

引言

随着科技的高速发展,地铁的建设步伐日益加快。在保证强度的前提下,节材减重是一个重要发展方向,但受到地理环境的影响,大多数金属无法满足上述条件。不锈钢具有抗腐蚀、锈蚀和磨损等优点,是金属材料中强度最高的材料之一。由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性,所以它能使结构部件永久地保持工程设计的完整性。综合以上优点不锈钢在车体结构中的应用也日益广泛。自2002年开始,长春轨道客车股份有限公司成立国内第一条不锈钢城市轨道车辆车体钢结构生产线,通过自身研究和探索以及不断地结合欧洲先进的技术,先后制造完成了北京2号线、5号线、深圳3号线、西安线、天津滨海线等多个B型国产地铁客车项目。但是,随着技术升级和持续开拓国际市场,这条生产线又先后制造完成了巴西里约、香港沙中线、美国地铁、墨尔本地铁等多个A型车不涂装不锈钢城铁客车出口项目。这标志着我国高速铁路客车进入了一个新时代。

然而在这些城市轨道不涂装不锈钢车体项目的实际生产中,由于不锈钢本身焊接的特点,加上车体结构为满足节材减重的要求,大多数采用料较薄及有闭式空型梁结构,这使得焊后几何尺寸发生变化,造成车体形位公差难以达到工艺标准。所以,在实际生产中,如何解决这些问题成为了生产的关键。本文就不锈钢车体钢结构焊接后变形的矫正进行了分析。

1 不锈钢材料产生变形的原因

焊接是一种不均匀加热的过程,热影响区内容易产生晶间腐蚀,使不锈钢失去耐腐蚀能力,焊后焊缝及热影响区金属因冷却而收缩,在金属内产生应力,再加上不锈钢热传导率低,热膨胀系数大,约为普通钢的5-6倍,因此造成不锈钢焊接变形量较大。由于不锈钢材料强度大,应力集中现象给矫正工作带来了很大困难。

2 不锈钢焊后变形矫正的方式和运用

2.1 压力调修 压力调修是利用金属的塑性,采用外加压力的方式对不锈钢焊接件的变形区域进行矫正,优点在于不需要对焊接件进行再次加热处理,对焊缝及焊接热影响区的内部组织不会产生影响。缺点在于受设备及结构的影响局限性比较大。在美国波士顿红、橙线地铁项目中,由于激光焊接之后,又用弧焊焊接加强构件,使分块侧墙弧形变形严重,影响后续探伤设备运行和侧墙合成,我们运用压力调修法进行弧形调修。

具体操作步骤如下：

(1)将垫木放在侧墙下方门口立和窗口立柱位置,垫木与立柱之间留有25mm—30mm距离,支撑垫木设置在墙板待调修部位与调修受力方向保持垂直,避免调修过程中,下压力过大产生墙板变形,保证调修效果。

(2)在施压部位表面增加垫块,防止墙板表面被划伤。同时,垫块可以增加墙板受力的面积,确保受力方向稳定,防止压力模块对墙板表面产生压痕。

(3)将压力模块对准调修位置,拨动压力机下压装置杆,使下压模块匀速下降,保证墙板在进行压力调修过程中模块两端变形均匀,且保持稳定的状态。调修时注意压力模块的进给行程,先初步设定一个较小的进给行程,松开后查看变形矫正的效果；如果矫正效果不好,再次矫正时适当增加压头行程。如此反复摸索变形调修所需要的力,逐渐矫正变形以满足技术要求。

3 霞普气焰调修

霞普气焰调修是利用金属具有热胀冷缩性质,对焊件焊后变形部位进行反变形的一种方法。影响火焰调修效果的因素主要是火焰热量和火焰加热位置。一般来说,热量越大,矫正能力越强,但热量过大会造成结构性能的下降,对于不锈钢来说,火焰调修温度控制在400-600摄氏度左右,这个温度对焊接结构的硬度跟强度都不会产生太大影响。温度超过600摄氏度,易产生晶间腐蚀,焊接结构的硬度明显降低。

火焰调修是目前不锈钢结构焊接焊后调修中应用广泛的一种调修方式。调修过程中的温度控制十分重要,现以霞普气替代了原先的氧乙炔进行调修。霞普气燃点高、燃烧速度慢、爆炸极限范围小、化学性质不活泼,因此不易产生回火爆炸。对温度、压力、冲击力等外界条件的敏感度不像乙炔那么高。加热时烤枪火焰与工件角度一般在70度到80度之间,调修温度一般控制在400摄氏度到600摄氏度之间,对于操作者的经验,技术要求很高,烤枪走向及火焰高度的选择也十分重要。

在不锈钢车体生产过程中,侧墙门口立柱结构复杂,为提高门口区域的承载能力往往使用较厚的材料,所以在焊接过后变形也相对较大,致使侧墙门口弧型发生变形,影响到车体装配推拉门的安装。为解决这一问题需要对变形处进行火焰调修。

具体操作步骤如下：

(1)对需要调整弧形的位置用撑杆进行调整,同时用弧形检测样板进行测量观察,以超出公差2mm效果为最佳。这样可以避免在调修过后松开撑杆时产生回弹。

(2)打开火焰枪调整火焰大小,用中性焰进行线性加热调修位置,调修过程中火焰温度控制在600摄氏度以内,烘烤门口立柱的上平面立筋位置可以释放立柱的最大应力。

(3)冷水急浇烘烤位置,用弧形样板进行测量观察,如果此时弧形进出差值过大,可适量调整撑杆也可适时辅以锤击释放一下应力,然后再继续浇水直至浇凉。

(4)松开撑杆,用弧形样板进行检验,用伸缩尺测量调修后的尺寸,如检测超出公差可进行二次火焰调修。

注意：经过多次加热不锈钢立柱会出现加工硬化现象,不锈钢车体外墙板也会在加热时受到间接影响产生波浪变形,不锈钢墙板的波浪变形更不容易调修,所以调修应尽量控制在三次以内完成。

4 结论

不锈钢具有优良的焊接性,几乎所有的焊接方法都可用于不锈钢的焊接。在保证强度的前提下,为了节材减重不锈钢通常用料较薄,加热后很容易产生变形。通过以上的分析,说明只有合理选择焊后矫正的方式,才可以有效的矫正变形,防止产生二次变形增加矫正难度。