车辆结构焊接基本工艺技术分析与研究——高速动车组转向架构架

车辆结构焊接基本工艺技术分析与研究——高速动车组转向架构架

西南交通大学 机械工程学院

摘要：本为主要介绍与论述了，高速动车组转向架构架的焊接基本工艺，包括材料、结构特点与焊接工艺性，主要技术要求，备料工艺，(坡口）加工工艺，焊接工艺等问题。 关键词：高速动车组转向架构架 焊接工艺

一、 结构简述

以CRH-5型动车组为例，探讨转向架构架的基本焊接工艺。CRH-型动车组转向架构架组成如下：（结构示意图见图1。）

1、 由两个侧梁和两个横梁组焊为“H”形箱型结构；

2、 侧梁由6块钢板焊接而成下凹“U”形结构，分别为侧梁上盖板、测量下盖板、外

侧立板和三块内侧立板；

3、 侧梁上焊有拉杆定位座、一系垂向减振器座、二系横向减振器座、一系弹簧定位座、

二系空气弹簧定位座、横向缓冲器座、轴箱起吊吊座、制动横梁座等；

4、 横梁为无缝钢管，外径168.33mm，壁厚14.2mm。焊有制动横梁座、牵引拉杆座、

抗侧滚扭杆座、防过充钢丝绳安装座、齿轮箱拉杆座等；

图1

二、 材料的选用【1】

德国ICE高速机车转向架是由St52（或2级和3级的SM钢）钢板或型钢焊接的框型结构。从St52的化学成分来看，相当于我国的16Mn，而我国的16Mn钢按用途又分为锅炉用16Mng、容器用的16Mnr、桥梁用的16Mnq和用途广泛的16Mn。此外与之相接近的还有15MnVNq、15MnVq和16MnNb等。

从我国研制高速动车组的进度和使用条件、环境的特点和经济型的考虑，可选用16Mng。若从长远考虑，可选用16MnNi6V，Ni元素可提高抗氧化性、蠕变性能和韧性，V元素可细化钢的晶粒、提高韧性，降低热裂倾向性。

三、 焊接工艺【2】（注：由于上述

16MnNi6V钢材的焊接方法没有查到，下文焊接方

案针对Q235B进行设计） 3.1焊接材料的选用

焊接材料初选为ER506，直径分别为Φ1.2mm和Φ1.6mm，焊接气体为混合气富氩混合保护气体（80%Ar+20%CO2）。 3.2焊接试样厚度选取

构架侧梁板厚最大30mm，为角接接头；最小20mm，为角接接头；最大焊角10mm。所有对接焊缝均为垫板对接焊缝，在对接焊缝形式中，垫板对焊疲劳强度最低。故决定选用板材厚度为20mm，接头型式为带垫板60°坡口对接接头，以及立板开单面坡口45°，焊角10mm的角接接头。 3.3焊接实验

【3】

采用自动MAG多层多道焊接工艺，参照GB／T19869．1—2005标准，焊接工艺评定试验的焊接接头形式为全焊透的对接焊缝、全焊透的T型接头、角焊缝接头。

综合评估转向架焊接构架上的对接和管板全熔透结构的坡口角度，全熔透的对接试板选用单边30。的V型坡口，试板见图3。T型接头分为全熔透。

图3 对接试板

T型接头和非坡口角焊缝。按照焊接构架的全熔透T型接头的坡口角度，选用55 o坡口。全熔透T型接头评定用试板结构见图4。

图4 T型接头

3.4焊接工艺参数

自动焊接工艺参数见表1。

表1

3.5焊接工艺要求

转向架构架由四块钢板焊成的封闭箱型梁组焊而成。此时在拉应力区域中的角焊缝制成双角焊缝或单边V形焊缝。在压应力区域的焊缝制成单边V形焊缝。按照这样的设计，可使材料得到充分利用，截面的扭转刚性高，同时可提高疲劳强度。

过顶板底板、立板的连续过渡，使各种梁相互连接起来。这样，就不会使焊缝处在由于形状变化而造成的应力集中区域中。底部位置上设计成X型或V型焊缝。

其他零件只焊在顶板底板或立板上受载荷较小的区域中。在大多数情况下，这个部位设计为顶板底板或立板的一部分，它通过双侧对接焊缝与立板和底板的其他部分相连，其焊接位置处于应力集中区域之外。这样，可使坡口与结构槽位置分开。按此方式镶焊上去的零件形成顶板底板或立板上的一个完整的承载部分。镶焊上去的零件大多是铸钢件。

为了减小焊接内应力，焊后要进行退火，承载高载荷区域的焊缝全部要磨光或把过渡处磨光；

要清除锐口，避免顶板底板和立板厚度骤然变化；

要尽可能避免横向角焊。在进行塞焊时，要小心操作。虽然赛焊缝没有始终端，但是通过未焊透的焊缝根部。会引起缺口效应。因此塞焊仅用于小零件或传递力量不大的焊接接头上。

3.6焊接工艺要求

【4】

（1）予留焊缩量和加工留量

根据产品设计图纸的要求，绘制指导现场生产用的零部件施工日，把生产过程中每道工

序对该零部件的影响因素如焊接残余变形、纵向收缩量、横向收缩量、扭曲等机械加工误差、组装误差、构架整体退火变形、构架整体加工留量等都综合考虑进去，并讼制在零部件施工图上，经焊接收缩后达到了构架整体加工前的尺寸要求； （2）采用反变形法

侧梁是装在设有予弯装置的翻转胎上进行焊接的。组装定位好的侧梁装夹在转胎上， 通过予弯置施加压力，使侧梁向下弯曲，挠度控制在4下侧梁，将焊接变形控制在<=2mm。 （3）提高焊接前的装配质量

为了提高装配精度，分别设计了牵引梁、侧梁、构架总组装用的气动组合式组装胎。组装时，角焊缝装配间隙严格控制在<=0.5毫米,对接接头间隙控制在2+0.5mm。 （4）合理的焊接工艺程序

+0.5

mm，然后进行焊接，等待冷却后取

在各梁和构架总组焊的“焊接指导说明书”中详细规定了焊接顺序和焊接方向。一 般由两名焊工对称施焊、先焊横向焊缝，后焊纵向焊缝、长度大于1.5m的焊缝从中间往两端施焊。

四、 新焊接工艺探讨

随着科技的发展,计算机辅助设计在国内外的机车车辆设计上得到了广泛应用。在一些转向架的设计中,采用计算机有限元分析,能精确计算出构架的应力分布状况,从而为优化构架制造工艺创造了条件,避免了为消除构架的内应力而将整个构架进行退火处理。1

【】

退火的目的是为了消除或降低焊接所产生的内应力,减少构架加工后的变形。整体加工是为了确保加工面的位置精度。它所运用的理念是:先焊接,后加工,用退火去应力,用整体加工保精度。具体做法是:在焊接过程中对焊接产生的应力没有进行严格控制→焊后对构架进行整体退火→构架整体加工。

新工艺采用先进的焊接工艺和工装,将焊接变形始终控制在一个允许的范围内,确保加工部件在组焊后各加工面的位置精度符合产品要求。先加工后焊接,通过控制焊接变形来确保加工面的精度。1

【】

4.1新工艺的技术分析

热胀冷缩是产生焊接应力的基本原理,严格控制焊接温度,使其始终处于某个临界值之下是控制焊接应力的有效方法。新工艺控制焊接温度和焊接变形的方法主要有以下几点: 4.1.1化整为零。尽可能将一个大构件分解为若干个小部件,先分别将每个小部件焊完,再通过配装组焊成大构件,从而达到应力分解和应力分散的目的。

4.1.2采用异向分段法进行对称焊接。严格规定焊角大小、焊缝形状等焊接参数。 4.1.3根据变形方向选择焊接顺序和焊接方向

4.1.4严格控制焊接层间温度,每处焊缝焊完一道后要自然冷却,待母材温度降至 60℃左右才进行下一道焊缝的焊接。

4.1.5为了控制部件的变形,焊接工艺规程必须严格规定焊接顺序和焊接方向。 4.1.6对于板厚 > 30 mm的部件焊接前要求预热,工件温度低于 5℃不得施焊。 4.2先进的焊接工装

通过阅读相关书籍和文献发现，只有采用先进的焊接工装才能保证焊接应力处于受控状态时——构件加工面的形位精度。这种工装应具有以下特点:

4.2.1以各部件的精基准定位并按规范确定各定位面之间的尺寸精度和位置精度。 4.2.2压紧点设置合理,压紧机构稳定可靠,操作安全方便。 4.2.3结构紧凑,焊接点暴露,便于施焊和打磨。

4.2.4根据施焊需要,工装配有升降、回转机构,工作者可将工件随意调整到最佳施焊位置。 4.2.5工件安装和脱模方便。 4.3 经济效益分析

采用新工艺制造构架,不仅能够保证产品质量,而且有显著的经济效益:

4.3.1无须配置构架退火炉和配电设施,可节约大量的设备投资、维护费用和动能。 4.3.2构架不进行退火处理,可节省制造成本和生产场地。如果按每月生产 40个构架计算(每次退火时间 24退火炉功率 300,kW每度电 0.61元)每年仅电费就可节,约 210.8万元。

4.3.3有些构架可以不进行整体加工,降低加工成本和加工难度。 4.3.4不退火的构架一般不需要进行调梁。 4.3.5取消退火工序,可以大大压缩生产周期。

五、焊接生产线简述

随着制造加工技术的发展，高速动车组的焊接多产用自动焊接生产线。生产线采用积木式、模块化设计，各工位采用小车式或者链条式传输，各焊接设备均采用PLC数字控制，触摸屏操作界面，具有示教功能、原轨迹倒退功能、中断记忆功能，可根据要求配置不同的自动跟踪系统。图5为中国南车四方股份有限公司动车组自动焊接生产线。

图5

六、参考文献

【1】 刘岩.车辆修造工艺与装备【M】.北京：中国铁道出版社，2007.8 【2】 顾一新,齐瑞祥. 机车转向架构架制造工艺探讨【J】. 2006（2）

【3】 张连敏. 高速动车组转向架自动焊接工艺研究【J】. 机车车辆工艺，2011（2）. 【4】 杨翘，马克湘.8K型电力机车转向架构架的焊接工艺【J】.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ysb7.html