轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板焊接應(yīng)力與變形控制方法

畢曉龍 王明 欒福倫

摘 要：隨著工業(yè)與科技的發(fā)展，焊接方法與焊接機(jī)械也在不斷優(yōu)化。但以目前的施工工藝來(lái)說(shuō)，在焊接過(guò)程中由于應(yīng)力作用，經(jīng)常會(huì)焊件變形，這不僅嚴(yán)重了構(gòu)架質(zhì)量，更會(huì)影響焊接使用性能。構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架整體結(jié)果中最重要的稱重部件，其他部件的安裝也需要以構(gòu)架安裝為基礎(chǔ)，承接各部分零件與車體間的連接。因此，對(duì)于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板焊接的精度與剛度都有著嚴(yán)格的要求。本文主要對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板焊接應(yīng)力與變形控制方法進(jìn)行了有效的分析。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架；鋼板焊接；應(yīng)力；變形；控制方法

引言

焊接應(yīng)力與變形不但會(huì)引起焊件形狀、尺寸的變化，同時(shí)在焊接過(guò)后，常常需要對(duì)其進(jìn)行較為復(fù)雜的矯正工作，有時(shí)產(chǎn)品甚至?xí)詧?bào)廢而告終。因此，本文主要對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板焊接應(yīng)力與變形控制策略進(jìn)行了有效的分析。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板焊接應(yīng)力分析及變形因素分析

1.1 應(yīng)力分析

鋼板結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，產(chǎn)生變形的主要原因分為兩種。一種為在焊接過(guò)程中由于焊接區(qū)域產(chǎn)生溫度較高，局部鋼板在高溫條件下無(wú)約束會(huì)產(chǎn)生較大的變形；另一種為在焊接完成時(shí)由于約束會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)焊接鋼板產(chǎn)生殘余變形作用。在多種影響原因中，其中一焊接材料、焊接工藝以及焊接結(jié)構(gòu)對(duì)焊接殘余應(yīng)力影響最大。在整體焊接過(guò)程中，如果焊接溫度不均勻，在焊體中會(huì)出現(xiàn)部分溫度過(guò)高，其他部位溫度低的情況。受到這一溫度影響，焊件中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力產(chǎn)生局部壓應(yīng)變。

1.2 變形影響因數(shù)分析

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板焊接時(shí)受熱不均勻是應(yīng)力與變形產(chǎn)生的主要原因之一。而鋼板熱量傳到速度主要由鋼板材料、結(jié)構(gòu)因素以及制造因素所影響，影響熱源周圍金屬活動(dòng)最終形成焊接應(yīng)力與變形。為確定影響鋼板焊接應(yīng)力與變形出現(xiàn)的主要原因，考慮到其中結(jié)構(gòu)因素的限制，鋼板零件在實(shí)際焊接中主要將各個(gè)零件采用單側(cè)坡口焊接的方式進(jìn)行，但可以看出這種焊接方式會(huì)大大增加工作量，如示意圖，如圖1所示。根據(jù)上圖可以看出，在上圖焊接連接點(diǎn)內(nèi)焊縫較多，工程量較大，因此焊接變形較難控制，且鋼板變形情況出現(xiàn)后不易被矯正，因此對(duì)焊接過(guò)程中的應(yīng)力控制十分重要。在焊接過(guò)程中接頭大多采用十字或T型接頭，因此容易受到應(yīng)力產(chǎn)生扭曲，發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象[4]。并且在焊接后，構(gòu)架受力情況困難，使構(gòu)架變形趨勢(shì)判斷的難度增加。通過(guò)分析以上構(gòu)架焊接結(jié)構(gòu)可以看出，由于產(chǎn)品尺寸與質(zhì)量較大，在焊接過(guò)程中很難對(duì)加工零件自由翻轉(zhuǎn)，使每條焊縫都保持相同的焊接位置，且不同位置焊接熱輸入相同。

2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板焊接應(yīng)力與變形控制方法

2.1 焊接殘余應(yīng)力控制措施

對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的控制措施主要有四個(gè)方面：①使焊縫尺寸減少；②使焊縫拘束度減?。虎酆附禹樞蚩茖W(xué)、合理；④使焊件的剛度降低，使自由收縮的條件得以創(chuàng)設(shè)。對(duì)于焊接裂紋來(lái)說(shuō)：①要將焊接材料合理的選擇，對(duì)焊縫的化學(xué)成分進(jìn)行控制，使母材及焊接材料中低熔點(diǎn)共晶物降低，也就是我們所說(shuō)的偏析元素，例如S含量等，這是為了使熱裂紋的出現(xiàn)得以預(yù)防。②對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行控制，例如焊縫速度、電流等，讓焊接截面寬度與深度比與工藝規(guī)定相符合，這樣可以對(duì)熱量輸入有效控制。③對(duì)焊前預(yù)熱以及焊后緩冷有效控制，使焊接接頭組織得以改善，有效控制t8/5，這樣可以使焊縫和HAZ性能改進(jìn)，從而使冷裂紋的出現(xiàn)得以預(yù)防。

2.2 焊接變形的控制措施

針對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的使用性能與制作精度，需要對(duì)其進(jìn)行變形控制。為有效控制焊接變形，需要對(duì)影響該構(gòu)件焊接變形的因素進(jìn)行分析，并采取有效的措施對(duì)其進(jìn)行變形控制，常見(jiàn)的控制措施如下：

2.2.1 合理選擇焊縫尺寸、坡口型式

隨著焊縫尺寸的增大，焊接變形也會(huì)隨之增大。在對(duì)焊縫尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行計(jì)算，在滿足條件的情況下，選用最小焊縫尺寸。通過(guò)對(duì)坡口型式進(jìn)行合理選擇，能夠?qū)附幼冃芜M(jìn)行有效控制。例如，V形坡口對(duì)接接頭的角變形比雙Y形坡口的對(duì)接接頭角變形更為明顯，十字接頭與丁字接頭比不開(kāi)坡口的角焊縫變形更大。

2.2.2 減少焊縫數(shù)量

焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能地減少焊縫數(shù)量，優(yōu)先選用厚度比較薄的構(gòu)件，通過(guò)選用加強(qiáng)筋板，能夠有效提高焊接結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性，從而減少焊縫的數(shù)量，降低焊接變形的可能性。

2.2.3 確保合理的焊縫位置

焊縫位置應(yīng)定在焊接結(jié)構(gòu)的中性軸，從而減少焊接結(jié)構(gòu)的彎曲變形。

2.2.4 合理選擇焊件尺寸

焊件尺寸對(duì)焊接變形具有較為顯著的影響。當(dāng)焊件的厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生最大程度的角變形。此外，在對(duì)薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)比較大的波浪變形；在對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)彎曲變形。

2.3 加強(qiáng)焊接工藝研究

（1）將逆向回焊法進(jìn)行應(yīng)用。倘若焊接總進(jìn)程是由左向右，那么焊道的施焊要由右向左，就是我們所說(shuō)的分段側(cè)焊法。由于施焊后，沿焊縫板內(nèi)側(cè)的熱量會(huì)使其發(fā)生膨脹，造成板向外分離，然而熱量在板內(nèi)側(cè)擴(kuò)散后，會(huì)出現(xiàn)向板外緣膨脹的情況，使得板發(fā)生回收。（2）將反變形法進(jìn)行應(yīng)用。在焊接前，利用焊件偏置的方式，將收縮力有效的利用，同時(shí)，還要預(yù)彎焊接前的部件，也就是通過(guò)機(jī)械手段來(lái)使反向力形成，從而將收縮力進(jìn)行消除。（3）通過(guò)反向力來(lái)使收縮力平穩(wěn)。對(duì)于反向力來(lái)說(shuō)主要有四種：①其它的收縮力；②夾具約束力；③組合件時(shí)的約束力；④構(gòu)件重力拱度向下形成的反力。對(duì)收縮力進(jìn)行平穩(wěn)，最有效的方法就是把相同的焊接件背對(duì)著夾起來(lái)，再將它們的組合件時(shí)行焊接，待冷卻后松開(kāi)夾具。同時(shí)，可以將預(yù)彎法與之聯(lián)系起來(lái)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究可以看出，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因有許多，但只要對(duì)焊接工藝充分了解并進(jìn)行改進(jìn)后，對(duì)焊接工藝進(jìn)行合理化，通過(guò)對(duì)焊接方法的控制，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，有效提高焊接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]尤君，倪寶成，方孝鐘，楊紅偉.地鐵轉(zhuǎn)向架用S355J2W耐候鋼板對(duì)接接頭焊接工藝研究[J].機(jī)械工程師，2018（02）：157-159.

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