浅谈中梁焊接变形与挠度控制

浅谈中梁 焊接变形与挠度控制

代义明

中车 常州车辆有限公司 江苏省常州市 213011

摘要：本文以某铁道车辆底架中梁为例, 结合多年箱形梁生产方面的经验, 分析箱型梁产生焊接变形的基本原因，并通过利用其焊接变形特点，预制中梁挠度，减少焊后火焰矫正工作量的同时，保证中梁结构件的产品技术及经济要求。

关键词：箱型梁、焊接变形、焊接顺序、预制挠度

前言：自改革开放以来，随着我国经济的快速发展，焊接技术作为一种先进的制造技术在现代化的国民经济建设与工业生产起着非常重要的作用。目前，钢制结构的焊接以在许多工业部门制造及生产过程中几乎替代了铆接。在铁路运输、汽车工业、船舶工业、航空航天飞行器、海上钻井采油平台的上层建筑等大型结构制造领域里，因箱型结构件一种具有优越力学性能的经济断面结构, 因而广泛应用于大型承重结构。

中梁装配一般由上盖板、下盖板、立板（左）、立板（右）、从板座及防跳板等配件组焊而成的典型箱型结构件。中梁焊接完成后，因焊接变形常常需要进行校正，耗工耗时。本文通过对箱型结构梁的焊接变形进行分析与工艺研究，通过利用其自身焊接变形特点，免去火焰矫正工序预制中梁上挠。将此工艺方案投入某铁道车辆中梁试制生产中，取得了良好的产品工艺技术成果及经济收益。

1.中梁焊接变形分析

1.1中梁发生挠曲变形

该车中梁全长18300mm，左右立板板厚为10mm，上下盖板均为16mm厚板，为保证中梁承载性能与焊缝强度，立板坡口形式为55°的单边V型坡口。在焊接时，先焊的焊缝金属在冷却过程中收缩，因此比周边的材料短，而其附近的金属则由于在高温下的自由变形收到阻碍，产生了压缩塑性变形。中梁立板与上下盖板连接焊缝虽然是几何对称的，但并不意味着在组焊过程中始终对称。当对立板与盖板外侧焊缝施焊过程中出现不对称时，则会使焊缝处于纵向偏心状态，所引起的收缩力时偏心的。因此，收缩力不但使构件缩短，同时造成构件的弯曲。在弯矩的作用下，构件终端横截面发生转角和挠度。在焊缝长度方向的个点并非同时加热，因此在热源附近的技术受热膨胀，但将受到周围温度较低的金属的约束而承受压力应，这样就会在板宽方向产生压缩塑性变形，并使其厚度增加，发生横向收缩变形，引起中梁旁弯量超限。

1.2 中梁盖板发生角变形

在中梁组焊作业中，立板与盖板焊接接头为角接接头，其角变形由两部分构成。如图1所示，图中a为焊前状态，立板垂直平板，立板两边与平板互成90°，焊接单面角焊缝后，立板由于角焊缝横向收缩，发生β’的角变形；平板由于表面堆焊了角焊缝，上面横向收缩大于下面，发生了两边绕角焊缝回转，每边发生β’’/2的角变形，如图c所示。总和的结构焊后的状态如图d所示，破坏了立板与平板的垂直度。

图1

2.焊接变形控制工艺改进

2.1合理的组对顺序

中梁装配组装：为方便焊接，中梁装配组装要分二次进行，首先在中梁组装胎上组装中梁下盖板、中梁立板、中梁隔板、从板座、托板座及防跳板等配件，待翻转焊接后，在中梁组装胎上组装中梁上盖板，然后进行第二次翻转焊接。中梁装配组装应控制其高度360 mm、宽度600 mm，中梁装配前后磨耗板间距621 mm且平行度不大于0.5mm，组焊结束后的磨耗板平面度不大于0.5mm。

2.2合理的焊接顺序

在中梁组装胎先对立板与上盖板进行打底焊，由4名焊工同时进行焊接，由中部开始向两端进行退焊接焊接顺序如图2所示。

图2

将打底的中梁吊入中梁转台内，完成立板与上盖板内侧焊缝及隔板与立板的焊缝，焊接顺序如图3所示。

图3

2.3采用刚性固定法

制作中梁组装胎，保证中梁各部件装配尺寸，同时利用夹具的刚性约束，控制立板与上盖板的角变形与挠曲变形如图4所示。并在中梁内部加装工艺件，控制立板与盖板的角变形及扭曲变形。

图4

2.4采用多道

对立板与下盖板的单边V型坡口焊缝可以一次焊成，也可以分几层焊成，多层每次所用的线能量比单层焊时小得多。每层焊缝所产生的塑性变形区的面积比单层焊时效，但多层焊所引起的总变量并不等于各层焊缝的总和。因为各层所产生的塑性变形区面积是相互重叠的，如图所示。焊接时工件的演示温度是不同的。在一般情况下，工件原始温度的提高，相当于加大线能量，时焊接塑性变形区扩大，焊后纵向收缩变形也增大，如图5所示。

图5

3.预制中梁挠度

利用箱型结构件的自身焊接变形特点中的挠曲变形，预制挠度。将丰富的货车车辆箱型梁生产经验与理论相结合。将中梁吊入中梁下盖板组装胎，先将下盖板组装电焊固定后，在中梁中心压制千斤顶，在心盘座处放置12mm厚垫板，对立板与上盖板的焊缝进行盖面焊接，如图6所示。

图6 中梁预制挠度简易图

在牵引梁间的支撑平台放置12mm厚垫板，在心盘处压制千斤顶，焊接下盖板与立板的焊缝。如图7所示。

图7中梁预制挠度简易图

4.总结

在中梁生产作业中，焊接变形是不可避免的，焊后热矫正是最为通用的工艺手段。火焰矫正方法是利用金属局部加热后所产生的塑性变形抵消原有的变形，但在火焰矫正时被加热部位会产生一定的内应力，若一次矫正不成功，将会进行重复加热，这样被加热部分淬硬性较大。本文以某铁道车辆箱型中梁为例，提出了焊接变形控制工艺及挠度预制工艺，免去焊后火焰矫正及。希望对箱型结构中梁的生产起到一定的指导作用，进一步提高中梁组焊质量。