高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形控制措施研究

魏志欣

摘要：隨著高速鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接質(zhì)量控制的受關(guān)注程度不斷提升，這一質(zhì)量直接關(guān)系著高速動(dòng)車組的平穩(wěn)、高速、安全運(yùn)行實(shí)現(xiàn)?；诖?，本文將簡單總結(jié)高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形原因，并深入探討高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形控制措施，希望研究內(nèi)容能夠給相關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組;構(gòu)架;焊接變形控制

0 ?引言

多方面因素均可能導(dǎo)致高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形，如材料因素、結(jié)構(gòu)因素、工藝因素。為盡可能保證高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接質(zhì)量，必須規(guī)避上述因素影響，這正是本文圍繞高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形控制措施開展具體研究的原因所在。

1 ?高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形原因總結(jié)

1.1 高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架構(gòu)分析

高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由橫向側(cè)擋座、盤形制動(dòng)吊盤、抗側(cè)滾扭桿座、牽引拉桿座、橫向減震器座、齒輪箱吊座、一系垂向減振器座、制動(dòng)橫梁座、下定位拉桿座、空氣彈簧座構(gòu)成。受到各組成部分影響，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接過程會(huì)出現(xiàn)冷熱交變循環(huán)，熱應(yīng)變會(huì)因此出現(xiàn)于焊縫附近區(qū)域和焊縫金屬母材上，塑性壓縮也往往同時(shí)存在，相互疊加作用的所有應(yīng)變將產(chǎn)生內(nèi)力，最終引發(fā)構(gòu)件彎曲、壓曲、回轉(zhuǎn)等位移，焊接變形會(huì)因此出現(xiàn)。高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形可細(xì)分為室溫條件下殘余變形和焊接中瞬態(tài)熱變形兩類，主要原因可細(xì)分為材料因素、結(jié)構(gòu)因素、工藝因素三個(gè)方面[1]。

1.2 原因總結(jié)

所謂材料因素，指的是材料力學(xué)性能參數(shù)和熱物理性能參數(shù)，高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形會(huì)受到二者的直接影響。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，如存在越大的材料熱膨脹系數(shù)，焊接變形受到的影響便越大，而如果存在越小的熱傳導(dǎo)系數(shù)，焊接變形則會(huì)愈發(fā)顯著。此外，高溫區(qū)的材料彈性模量和屈服極限隨溫度的變化率也會(huì)直接影響焊接變形，如存在不斷增大的彈性模量，焊接變形將不斷減小;所謂結(jié)構(gòu)因素，主要是指焊接過程拘束度帶來的影響，拘束度增加會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力同時(shí)增加，此時(shí)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形會(huì)出現(xiàn)一定減少。焊接過程的拘束度可分為外加拘束度和工件本身的拘束度，其中工件本身拘束度不斷發(fā)生變化，焊接中拘束作用在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著主要作用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加會(huì)導(dǎo)致拘束度增加，因此一般采用加裝加強(qiáng)板或加強(qiáng)筋板的方式增加結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性，但這會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的進(jìn)一步提升，拘束度隨之發(fā)生的變化也將進(jìn)一步提升焊接變形控制難度。因此，板材厚度的合理選擇、加強(qiáng)板或加強(qiáng)筋板的數(shù)量和位置優(yōu)化必須得到重視;所謂工藝因素，指的是夾具和焊接胎架的應(yīng)用、構(gòu)件定位、焊接順序、多層焊、焊接方法、焊接熱輸入量、焊接工藝參數(shù)帶來的影響，焊接變形受到的工藝因素影響較為多面[2]。

2 ?高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形控制措施

2.1 基本思路

在長期以來的焊接變形預(yù)測和控制探索中，控制方法大量涌現(xiàn)，如固有應(yīng)變法、經(jīng)驗(yàn)法、有線彈性體積收縮法、解析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、熱彈性有限元法，但對(duì)于本文研究的高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形控制來說，作為復(fù)雜、大型的結(jié)構(gòu)，焊接變形控制的難度天然較高，結(jié)合上文總結(jié)的高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形原因，考慮到高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在材料選擇與使用上相對(duì)固定，本節(jié)將圍繞兩個(gè)方面介紹焊接變形控制措施，包括設(shè)計(jì)措施、工藝措施[3]。

2.2 基于設(shè)計(jì)措施的焊接變形控制

基于設(shè)計(jì)措施的高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形控制可從三個(gè)方面入手：第一，盡可能減少轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的不必要焊縫，通過合理選擇筋板的形狀，優(yōu)化布置筋板的位置，焊縫數(shù)量即可在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求滿足前提下最大程度減少，焊接變形自然可得到控制;第二，焊縫形式和尺寸的合理選擇。焊接量直接受到焊縫尺寸大小影響，焊接變形也會(huì)同時(shí)受到影響，因此設(shè)計(jì)需精確計(jì)算焊縫尺寸，盡可能選擇較小的焊縫尺寸，但需要同時(shí)保證結(jié)構(gòu)承載能力條件。對(duì)于承載較大的十字接頭和丁字接頭，焊接變形的控制可采用開坡口的焊縫實(shí)現(xiàn)，但這種控制需滿足強(qiáng)度條件前提;第三，對(duì)焊縫位置進(jìn)行科學(xué)安排。需盡可能基于焊接結(jié)構(gòu)截面中性軸對(duì)稱設(shè)置焊縫，也可以在接近中性軸的位置設(shè)置，柱、梁等結(jié)構(gòu)的撓曲變形可由此得到有效控制。

2.3 基于工藝措施的焊接變形控制

為更好控制高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形，工藝措施的選用需結(jié)合焊接施工全過程，以此從三方面入手，包括焊接前控制、焊接中控制、焊接后矯正。

2.3.1 焊接前控制

焊接前的高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形控制需針對(duì)性選用預(yù)防措施，包括預(yù)變形法、預(yù)拉伸法、剛性固定組裝法。預(yù)變形法指的是在焊接前預(yù)先估測待焊工件焊接變形的方向和大小，由此針對(duì)性開展焊接前的待焊工件裝配，形成與焊接殘余變形方向相反、大小相當(dāng)?shù)念A(yù)變形量，由此開展的焊接即可控制轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形，預(yù)變形量可基于各部分焊接殘余變形抵消，構(gòu)件可由此更好滿足設(shè)計(jì)要求的幾何形狀和尺寸;預(yù)拉伸法可較好服務(wù)于薄板平面結(jié)構(gòu)件焊接變形控制，具體應(yīng)用需對(duì)待焊工件預(yù)熱或施加預(yù)張力，在預(yù)先熱膨脹量形成后進(jìn)行焊接，加熱或預(yù)拉伸應(yīng)在焊接結(jié)束后撤除，由此恢復(fù)初始狀態(tài)的薄板平面結(jié)構(gòu)件即可有效降低焊接殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)焊接變形控制;剛性固定組裝法在應(yīng)用中需采用剛性胎具或夾具，以此盡可能固定被焊工件，由此開展的焊接可有效控制彎曲變形和角變形，同樣能夠較好服務(wù)于高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形控制。

2.3.2 焊接中控制

為更好控制高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形，焊接方法選用應(yīng)以線能量較低為依據(jù)，焊接參數(shù)、焊接順序的科學(xué)控制，配合隨焊跟蹤激冷、隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓等焊接方法，即可更好控制焊接變形，采用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接施工也能夠?yàn)楹附幼冃慰刂铺峁┲С?，圖1為焊接機(jī)器人應(yīng)用的流程示意圖。在焊接機(jī)器人的具體應(yīng)用中，可基于示教編程方式針對(duì)性控制焊接參數(shù)和條件，由此高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接的均一性保障、生產(chǎn)率提升、工期縮短、焊接變形控制即可獲得有力支持，很多焊接變形的工藝控制措施也能夠基于焊接機(jī)器人更好應(yīng)用，焊接機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值可見一斑。

在焊接順序的控制中，必須認(rèn)識(shí)到殘余應(yīng)力分布規(guī)律直接受到焊接順序影響，且焊接變形會(huì)隨之出現(xiàn)。對(duì)于多道焊的焊接順序控制來說，由于高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且存在較大的拘束度，結(jié)合焊接后出現(xiàn)的三維應(yīng)力狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，焊接順序控制的作用將無法充分發(fā)揮;對(duì)于隨焊碾壓法的應(yīng)用來說，焊接接頭的強(qiáng)度可較為理想的提升，焊接變形矯正、殘余應(yīng)力的分布改善均可順利實(shí)現(xiàn)，帶該方法在應(yīng)用中的難度較高且較為不便，具體應(yīng)用受到的限制不容忽視;而對(duì)于隨焊兩側(cè)加熱來說，橫向、縱向應(yīng)變可由此更為均勻分布，更為均勻的最大剪切應(yīng)變分布也可隨之實(shí)現(xiàn)，更加平緩的變化可有效減小焊接變形和殘余應(yīng)力;隨焊激冷方法在應(yīng)用中同樣可有效減小焊接變形和殘余應(yīng)力，配合柔性接觸式激冷器，冶金方面的副作用也能夠隨之規(guī)避。

2.3.3 焊接后控制

高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接后變形控制主要圍繞矯正工作展開，一般采用機(jī)械矯正法或加熱矯正法，焊接后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的殘余變形可隨之消除或減小。加熱矯正法可細(xì)分為整體加熱矯正法和局部加熱矯正法，整體加熱矯正法在應(yīng)用中需要將轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體加熱至鍛造溫度以上，較大的形狀偏差可通過矯正消除，但該方法的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長且耗資較大，冶金方面的副作用也可能因這種矯正出現(xiàn)，因此近年來已逐漸被淘汰，本文不建議采用該方法進(jìn)行矯正。局部加熱矯正法需局部加熱焊接構(gòu)件，一般采用氣焊焊炬，高溫下的材料可發(fā)生熱膨脹，構(gòu)件本身的剛性會(huì)對(duì)熱膨脹進(jìn)行制約，局部壓縮的塑性變形會(huì)在這一過程中出現(xiàn)，而隨之材料冷卻收縮，焊接后該部位產(chǎn)生的伸長變形可由這種塑性變形抵消，局部加熱矯正法由此即可實(shí)現(xiàn)焊接變形矯正。加熱范圍和加熱位置直接影響局部加熱矯正法的矯正效果，相關(guān)參數(shù)的確定應(yīng)采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的方法，局部加熱矯正法的應(yīng)用較為簡單便利，因此較為適用于高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接后變形矯正;機(jī)械矯正法主要利用沖擊能、機(jī)械力矯正焊接變形，錘擊法、靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法均屬于典型的機(jī)械矯正法。在錘擊法的應(yīng)用中，該方法適用于厚度較薄的板結(jié)構(gòu)焊接變形矯正，需利用沖擊能進(jìn)行矯正，焊接接頭內(nèi)部存在的焊接殘余應(yīng)力可基于沖擊能作用消除，焊縫及其周圍區(qū)域（壓縮塑性變形）金屬的延展也可隨之實(shí)現(xiàn)，焊接變形自然可順利消除。但錘擊法在應(yīng)用中存在表面質(zhì)量控制難度較高、強(qiáng)度大、勞動(dòng)條件差等缺陷;靜力加壓矯直法在應(yīng)用中需對(duì)焊接結(jié)束后的構(gòu)件施加機(jī)械載荷，構(gòu)件由此產(chǎn)生的塑性變形相反于焊接變形，在撤除載荷后，焊接變形與塑性變形即可相互抵消，焊接變形的消除即可隨之實(shí)現(xiàn);焊縫滾壓法在應(yīng)用中需要利用滾壓輪碾壓薄壁構(gòu)件，具體部位為焊縫及其附近區(qū)域，焊接殘余應(yīng)力可由此消除，板殼構(gòu)件焊接變形也能夠基于該方法順利矯正。焊縫滾壓法較為適用于規(guī)則焊縫，如環(huán)形焊縫、直線焊縫，存在較好的矯正效果。焊縫滾壓法的應(yīng)用可配合待焊處預(yù)變形的處理，焊接殘余變形可由此更好消除。

3 ?結(jié)論

綜上所述，高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形控制需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的基于設(shè)計(jì)措施的焊接變形控制、基于工藝措施的焊接變形控制等內(nèi)容，則提供了可行性較高的焊接變形控制路徑。為更好保證高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接質(zhì)量，焊接變形全過程控制必須得到重視，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的機(jī)械化加工、焊接應(yīng)力均勻化控制、新型焊接技術(shù)的應(yīng)用同樣需要得到關(guān)注。

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