轨道车辆车体焊接变形及控制研究

轨道车辆车体焊接变形及控制研究

高东山，谢兆聚，孙朝，毛海涛，陈贝

中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛

摘要：随着轨道车辆应用越来越广泛，对轨道车辆车体制造过程中焊接产生的变形控制及调修措施尤为重要。通过开展焊件焊接变形产生因素分析、焊接变形危害、焊接变形控制方法等方面研究，并结合自身在现场实际操作过程的应用，对如何减少、预防轨道车辆车体制造过程中的焊接变形制定相应的措施，对轨道车辆车体制造持续化发展具有一定的现实意义。

关键词：轨道车辆  焊接变形  变形控制 

1 引言

轨道车辆车体焊接过程中因热输入，焊接变形无法避免，焊接变形大，影响轨道车辆车体的尺寸精度和外观质量，与此同时可能还会减小车体的使用寿命，缩减其承载能力。学者[1]对轨道车辆各大部件结构出现的焊接变形分析了成因，并提出工艺措施以控制车体焊后尺寸使其达到要求。学者[2]提出对于残余应力较大部位，可采取焊前预热、适当降低焊接热输入等减小焊接变形。变形后若通过焊后矫正变形，则增加工时，提高成本。因此焊接变形对车体的质量以及生产效率、经济效率都有较大的影响。总之，在车体实际焊接生产中，分析焊件焊接变形产生的主要影响因素并通过实验对比寻找控制焊件变形的措施以及矫正方法，具有非常重要的意义。

2 焊接变形及危害

2.1焊接残余变形

焊接残余变形是焊接后残留与结构中的变形[3]。焊接残余变形可分为平面内的变形和平面外的变形，纵向、横向收缩变形和回转变形属于平面内变形，角变形、弯曲变形和失稳变形属于平面外变形。焊接残余变形与焊接残余应力密切相关，出现的情况大体上相反，产生高应力的部位其变形被拘束即变形小，低应力的部位变形不受拘束即变形大。焊接变形的基本形式：

2.1.1收缩变形 收缩变形可细分为纵向收缩变形和横向收缩变形，这是焊缝及其附近的加热区域的纵向收缩变形和横向收缩所产生的平行于焊缝长度方向和垂直于焊缝方向上的变形，是最基本的两种变形，其变形大多由此引起，焊缝的纵向收缩是由焊缝的过程中构件焊缝区域纵向显著收缩引起的压缩造成的。当焊缝偏心布置时，将引起梁与板材之间有害的弯曲变形。焊缝的横向收缩是由焊接过程中的横向压缩造成的，并随焊接坡口初始间隙的减小而增大，使焊接构件横向缩短。

2.1.2 弯曲变形 弯曲变形是焊缝的位置偏离焊件心轴时，由焊缝的纵向收缩和横向收缩引起的变形。

2.1.3 角变形 角变形是由焊缝横截面形状不对称或施焊层次不合理，致使横向收 缩量在焊缝上分布不均匀所产生的变形。

2.1.4 扭曲变形 扭曲变形是装配不良，施焊程序不合理，致使焊缝纵向收缩和横向收缩没有一定的规律而引起的变形。

2.1.5 失稳变形 失稳变形是由于焊缝的收缩使刚性较小的的结构局部失稳而引起的变形。

2.2焊接残余变形的危害

为了提高焊接结构的制造质量和使用的安全可靠性，必须对焊接残余变形加以控制。焊接残余变形对制造和使用的危害主要表现在以下几个方面：

2.2.1焊接残余变形影响结构尺寸精度和外观质量。为保证结构的形状和尺寸精度，就不得不采用矫正、修正、调修等耗费时间的人力物力的作业，这导致成本的上升，生产环境的恶化。

2.2.2 部件的焊接变形使组装变得困难，需经矫正后方可装配，造成组装件的装配质量下降。

2.2.3焊接变形在外载荷作用下会引起局部的应力集中和附加应力，降低结构的承载能力。

焊接带来的变形可通过装配过程中的支撑杆刚性固定和在焊接过程中的反变形的预置抵消变形，选择合理的焊接方法、顺序，合理的焊接热输入，保证焊接完成后的整体结构和尺寸精度。

3 焊接变形控制方法

3.1焊前预防措施

3.1.1反变形法

根据仿真、施工经验预测焊接变形大小和方向，在待焊工件装配时预制与焊接残余变形大小相当、方向相反的预制变形量，焊后焊接残余变形抵消预制变形量，使焊件恢复到设计要求的形状和尺寸。反变形法焊后可有效的降低焊接残余应力，控制焊接变形。车体及车体各大部件生产过程中反变形的预制：根据生产实践中已发生的变形规律，预先将工件两端向相反方向制成变形再进行焊接。一般通过工装，由工装两侧顶紧就可达到反变形要求的结果。实现工件焊后变形在设计制造技术条件许可范围内。

3.1.2刚性固定法

采用夹具或刚性胎具将被焊结构尽可能的固定，可有效的控制待焊结构件的角变形与弯曲变形等。利用工装夹具或加临时支撑对工件进行机械式固定，等焊接结束工件冷却至室温后进行拆卸。采用工装压紧工件避免在焊接过程中，工件因横向收缩、纵向及横向应力等综合作用下产生扭曲变形，增加调修量及调修难度。使用工装压紧器，对工件进行刚性固定，减少工件的自由度。

3.2焊接过程控制

控制焊接过程变形主要是控制热输入量。控制方法有采用合理的焊接方向、合适的焊接工艺参数、合理的焊接顺序、严格控制层间温度等。

3.2.1选择线能量较小的焊接规范

控制热输入量，减少熔合比，需要合理的焊接规范。采取合理的焊接工艺规程，因焊接电流电压越大，工件的热影响区越大，变形也越大。在满足焊接质量要求的情况下，尽量采用小规范焊接。

3.2.2选择合理的焊接顺序

焊接顺序对焊接残余应力和变形的产生影响较大，不同的焊接顺序残余应力的分布也是不规律的。同时对于控制焊接变形有较大的作用，尤其在多道焊中，作用更加明显。按照施工要求，较长焊缝手工焊接时采取对称焊法，由中间向两侧对称焊接，先焊拘束力应力小的焊缝，再焊焊拘束力应力大的焊缝；先焊短的焊缝再焊长的焊缝；先焊对接焊缝，再焊角接焊缝和环焊缝；先焊拉应力区的焊缝，再焊剪应力区和压应力区的焊缝；在焊接时焊缝深度和宽度变大，焊接量就会增加，造成焊接变形就会增大，因此在组焊时要严格控制好根部间隙。定位焊清理困难，造成后续返修增加焊接热输入引起焊接变形。现车组焊时直接进行打底焊道焊接，避免进行清理定位焊。按照此顺序进行焊接，工件变形就可以得到有效控制。

3.3焊后调修

调修是指在材料的局部或者弯曲的部位上面，采用加热加压，或者冷压，利用材料的内应力进行拉伸或收缩，产生新的变形来抵消焊接变形。调修顺序先矫正变形大及刚度大区域，后矫正变形小及刚度小区域。不锈钢车体及零部件焊接所产生的变形按照各自的标准要求进行调修，包括手工调修、机械调修、火焰调修。

3.3.1手工调修

利用锤子对变形部位进行锤击，锤击时要使用不锈钢垫片或使用铜锤（或橡胶锤）进行保护，防止矫正时对不锈钢的表面造成损伤。

3.3.2机械调修

机械调修主要使用辊子、压力机、千斤顶、锤子等工具进行调修。机械调修应采用保护措施，在进行顶压时，如，利用橡胶或木块保护，并且要注意观察，及时用测量工具测量，防止压凹或产生新的不良变形。

3.3.3火焰调修

利用材料在局部加热后通过冷却而形成的局部收缩，达到矫正焊接变形的目的。加热方式包括点状加热、线状加热和三角加热。不锈钢调修采用氧气和乙炔火焰炬加热。

3.3.3.1点状加热

加热为点状分布，点数根据结构和变形大小情况而定。对薄板的波浪边形采用点状加热法。

3.3.3.2线状加热

火焰沿着直线方向慢慢移动或同时做横向摆动，形成一个加热带的方式。线加热有直线加热、链状加热和带状加热三种形式。线加热可用于波浪变形、角变形和弯曲变形。

3.3.3.3三角加热

加热区域成三角形，一般用于矫正刚度较大、厚度较大的结构弯曲变形。

4 总结

随着轨道车辆应用越来越广泛，对轨道车辆车体制造过程中焊接产生的变形控制及调修措施尤为重要，如何减少、控制焊接变形量成为轨道车辆车体制造中重要课题。本文对车体制造过程中焊接变形产生的原因、导致焊接变形的因素等进行了简单分析，并结合自身在现场实际操作过程的应用，对如何减少、预防轨道车辆车体制造过程中的焊接变形制定相应的措施。在现车生产中焊接变形是不可避免的，目前焊后调修是解决焊接变形的主要手段。在焊接前进行预防、焊接过程中控制是控制焊接变形的最合理手段，通过焊前、焊中控制实现免调修是轨道车辆车体制造当下的研究课题。

参考文献

[1]王亚男. 时速350km动车组车顶焊接变形控制与工装夹具设计研究[J]. 焊接, 2018(10): 58-62.

[2]赵云峰, 丁洁琼, 梁连杰, 等. 轨道车辆大型结构件焊接变形及残余应力有限元分析[J] 焊接, 2019(11): 13-19.

[3]赵光兴. 焊工[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2015.