八轴交流传动快速客运电力机车边梁组焊工艺分析

吴刘明明

摘要：本文简单介绍了八轴交流传动快速客运电力机车边梁的结构，对生产过程中可能的焊接变形进行分析，通过确定组装-焊接顺序、设计工装，选定焊材和合理焊接参数、制定焊接顺序、给定工艺放量，最终确定了边梁的组焊工艺。

关键词：边梁；组焊工艺

1.引言

八轴交流传动快速客运机车（以下简称“快速客运机车”）是在既有和谐系列列车基础上研制，适用于中国铁路干线客运牵引，同时也满足客运专线牵引需求的大功率客运机车，通过减重设计后机车轴重19.5t，总功率11200Kw，运营速度160Km/h，构造速度210Km/h。边梁作为底架重要组成部分，主要作用为连接牵引梁、枕梁、变压器梁，传递并承载机车垂向作用力和纵向作用力，因此，边梁质量的控制对于整个机车的安全非常重要。

2.快速客运机车边梁介绍

快速客运机车边梁整体尺寸为14276.5mm×420mm，在底架四大梁（牵引梁、枕梁、变压器梁、边梁）中，边梁长宽比最大。快速客运机车的边梁结构如图2.1所示，主要由U型梁、L型梁、梁体内小部件、立板组成。而之前的机车边梁，主要由C型梁、盖板、梁体内小部件组成。伴随着结构的变化，在材料、板厚等方面也有着不同。预计在产品的制造过程中，可能会出现以下的问题：（1）结构的增加使得组装、固定过程变得复杂；（2）母材的改变使得焊材和焊接参数重新选择才能保证焊接质量；（3）板厚的减小、结构的复杂以及长焊缝数量的增加可能会使焊接变形难以控制；（4）材料和结构的变化对于工艺放量也会有影响，工艺放量需重新制定。

图2.1快速客运电力机车左边梁结构图

3.快速客运机车边梁组焊工艺分析

3.1组装-焊接顺序的确定

HXDID，南非22E机车边梁的生产中，其组装顺序基本一致，其组焊顺序为：梁体对接→梁体内小部件组焊→立板组焊→边梁交验。这种组焊顺序工序简洁，吊运拼接连续进行，工装夹具也不需要多次装卸。

如圖2.1所示，八轴交流传动快速客运机车的边梁比HXD1D多了长焊缝1，因此快速客运机车边梁不能采用上述的组焊顺序，梁体组焊时需要先组焊U型梁和立板，再组焊L型梁和立板。因此，八轴快速客运机车的组焊顺序更为复杂，其组焊的顺序为：立板组焊→梁体内小部件组焊→U型梁体与立板组焊→L型梁体与立板组焊→边梁交验。

3.2工装设计

边梁组焊工装设计的基本原则是能够满足边梁组装和焊接的工艺要求。要满足组装要求，需要工装具有定位作用；要满足焊接要求，需要工装在不影响施焊的同时能够控制焊接变形。[1]对于八轴快速客运机车边梁的工装，主要需满足立板、L型梁、U型梁的定位和变形控制。借助现有的边梁组焊平台，夹具和旋转定位器对L型梁和U型梁在水平和竖直方向有定位和夹紧或顶紧作用，定位块对立板在水平和竖直方向起定位和限制变形作用。

3.3焊材及焊接参数选择

低合金高强钢焊接材料的选用总的原则是要根据产品对焊缝性能要求选择材料，高强钢焊接时，一般选择与母材强度相当的焊接材料，必须综合考虑焊缝金属的韧性、塑性及强度，只要焊缝强度或焊接接头的实际强度不低于产品要求即可。[2]八轴快速客运机车边梁的材料为Q460E，据等强匹配的原则，车间选用的焊丝型号为ER55-Ni1。

八轴快速客运机车的边梁的焊接采用的是富氩气体保护焊，其焊接参数包括：电弧电压、送丝速度、焊接速度、焊丝干伸长、保护气体种类和流量等。焊接参数选择不当会造成焊接缺陷：电流过大或者电压过高会造成咬边，热输入不够焊接速度过快会造成未熔合。[3]因此，合理的焊接参数是保证焊接质量的前提，本次是通过对不同焊缝制作了焊接工作试件，得到相应的WPS文件，规定了相应焊缝的焊接标准。

3.4焊接顺序的确定

不同的焊接顺序焊后将产生不同的变形量，所以在焊接时尽量采用合适的焊接方法。在可能的情况下，将连续焊缝改成断续焊缝可减少焊缝和工件由于受热而产生的塑性变形。或者采用不同的焊接方向和顺序，可使局部焊缝变形适当减小或相互抵消，从而达到减小总体变形的目的。当焊缝在1m以上时，可采用分段退焊法、分中分段退焊法、跳焊法、交替焊法；对中等长度（0.5-1m）的焊缝，可采用分中对称焊法。

跳焊法除立焊外，平焊、横焊、仰焊三种方法都适用。多用在6-12mm厚钢板的长焊缝和铸铁、不锈钢、铜的焊接上，可以分散焊缝热量，避免或减小变形。

因此，在U型梁和立板、L型梁和立板的焊接过程中，采用跳焊的顺序来焊接。考虑到板材比较薄，为控制变形，每段长度在200-400mm之间。

3.5矫正调修

虽然组焊过程中对焊接变形采取措施进行了控制，但是在组焊完成后仍然很难保证边梁的旁弯和立弯在标准范围内（旁弯≤4mm），因此，在组焊完成后一般需要对梁体进行火焰调修，保证其在合适范围内。目前车间采用氧—乙炔进行火焰矫正，对于本次新材料，在试制前进行火焰矫正试验。超过600℃烤火，材料的屈服强度下降趋势会比较明显，因此材料的烤火温度不宜超过600℃。

3.6工艺放量的给定

边梁的4条长达13m的焊缝及梁体对接、立板对接的焊缝决定了边梁长度方向上有不可避免的纵向收缩，对于这种不可避免的收缩，工艺上通常都是通过工艺放量来解决，即预估焊接时的收缩量，然后再把这个长度放量到零件（通常为梁体、立板）上，使得最终的产品尺寸符合设计图纸要求。工艺放量需要生产实际的验证，可以参考成熟的车型，在结构上重点比较梁体对接的焊缝数量、焊缝间隙、焊缝大小及边梁板厚。对于本次边梁的放量我们参考了之前类似结构的哈萨克斯坦内燃机车的工艺放量并考虑到了Q460E与16MnDR材料的焊接性的差异对变量进行放量，使产品尺寸基本满足要求。

4.结束语

本文的完成伴随着八轴快速客运机车的试制过程。在产品试制前，对快速客运机车边梁图纸结构分析，根据结构特点和可能的变形编制了组焊顺序、设计了工装，参考之前成熟车型的工艺放量，给出了工艺放量。在试制过程中，产品的旁弯、立弯合格，验证了组焊顺序和工装的可靠性；其中很多重要尺寸也符合要求，只有部分尺寸在修磨后合格，根据修磨的尺寸再优化了工艺放量，最终制定了适合八轴快速客运机车边梁的组焊工艺。

5 致谢

本论文的完成从前期准备到试制中问题的发现以及后续的改进，车体工艺办公室和车体车间很多人给了我帮助，在大家的帮助下，最终确定了合理的边梁组焊工艺。

参考文献：

[1]焊接工装夹具设计及应用.王纯祥.化学工业出版社.2014.

[2]Q460E焊接性能分析及匹配焊材研究.黄东鎏.2008.

[3]国际焊接工程师（IWE）培训教材. 哈尔滨：哈尔滨焊接培训中心，2010.