地铁构架横梁焊接变形分析及控制

摘要：本文研究了地铁构架横梁的结构特点，分析其焊接工艺难点和焊接变形产生的原因，着重阐述了设计横梁定位压紧工装和梁体焊接夹具控制焊接变形，通过WSDP软件计算和实际经验确定各配件及组装尺寸工艺放量控制其焊接变形，以及优化焊接顺序、减少热输入等方式减小焊接变形。

关键词：地铁构架横梁； 焊接变形； 分析； 控制

中图分类号：TU375.4文献标识码：A文章编号：

Analyze and control the welding deformation of sub way frame beam

GAO Bing

SHANGHAI CIVIL ENGINEERING CO.,LTD OF CREC，Shanghai，200436，China

Abstract:： This paper introduce the characteristic frame of subway frame beam ,analyzing the difficulty of welding procedure and the reason of welding deformation.Mainly introduce how to control the welding deformation of this beam,such as designing assembly procedure equipment and welding clamp,using WSDP software and experience to confirm the procedure increased dimension,optimizeing sequence of welding,reducing the heat input.

Key words: frame beam of subway；welding deformation；analysis；control

一、前言

目前，人们对交通工具的需求越来越大，需求质量也越来越高，城轨作为一大快捷的交通工具，也必将越来越普及。地铁构架在借鉴了西门子设计、制造工艺后再创新，其结构较复杂，设计要求高，特别是作为走行部分的转向架，质量要求更高。作为转向架构架重要组成部分的横梁，其焊接质量的好坏直接影响到转向架的行车安全，乃至整个地铁车辆的行车安全。为此在地铁构架横梁的制造过程中，必须采用合格的工艺，确保横梁焊接完成后符合设计要求。

二、地铁构架横梁结构简介

构架横梁组成

地铁构架横梁由齿轮箱悬挂座组成、拉杆座组成、电机悬挂座组成、横梁钢管、横向止挡座组成、横向止挡座上盖板等主要部件组成。

结构特点

地铁构架横梁以两根横梁钢管作为支撑，所有的配件都焊接到横梁钢管上（具体见附图一）：

附图一横梁结构示意图

1.齿轮箱悬挂座组成2.拉杆座组成3.电机悬挂座组成4.横梁钢管

5.横向止挡座组成6.横向止挡座上盖板

3.工艺难点

如附图一所示各配件形状极不规则，焊缝可达性较差，焊缝相对集中，焊接变形大，比较难以控制，各配件都是箱体结构，焊接完成后若尺寸不合格调修非常困难：

（1）由于焊缝相对集中，焊接完成后横梁钢管纵向收缩变形较大，两根横梁钢管中心距450±2比较难以保证。若该尺寸无法保证，势必导致焊接在横梁钢管上的各配件纵向尺寸无法保证，同时该尺寸直接关系到后续横梁与侧梁组装构架，若偏差较大将导致横梁无法穿过侧梁，无法组装构架。

（2）齿轮箱悬挂座组成半圆安装面角度要求12.5±0.5°，圆心至横梁横向、纵向中心线定位尺寸分别为490.5±0.5,608.3±1，各项尺寸全靠焊接保证难度很大，同时由于各尺寸均为空间尺寸，操作员工组装时难以检测，焊接完成后划线检测若尺寸有偏差，受框体结构限制难以调修。

（3）电机悬挂座组成下座由于伸出量较大（470mm），焊接完成后两个电机悬挂座下座至横梁中心尺寸455.5±1难以保证对称，对后续加工工序将造成较大影响，容易产生一边厚一边薄。同样由于该尺寸也是空间尺寸，操作员工作业时难以检测。

三、地铁构架横梁焊接变形控制

焊接变形分析

根据地铁构架横梁的结构分析，焊接变形的主要方式为以下几种：

各配件与横梁钢管焊接的纵向收缩变形，主要是横向止挡座组成与横梁钢管的连接焊缝，电机悬挂座与横梁钢管的连接焊缝，横向止挡座上盖板与横向止挡座间的连接焊缝。

各配件与横梁钢管焊接的横向收缩变形，主要包括齿轮箱悬挂座组成、拉杆座组成、电机悬挂座组成、横向止挡座组成与横梁钢管间的环形连接焊缝。

各配件与横梁钢管焊接的角变形，主要是齿轮箱悬挂座组成与横梁钢管的连接焊缝，电机悬挂座组成与横梁钢管的连接焊缝，以上两种配件都由于伸出量较大，角变形都会较大，端部实际结构尺寸变化就会比较大，难以满足设计要求。

焊接变形控制措施

针对地铁构架横梁的焊接变形分析和结构特点，制定了各项积极的工艺措施确保将各配件焊接变形控制在设计公差范围内：

设计专门的定位压紧工装减少焊接变形

根据横梁的整个结构特点，设计制作了专门的横梁组装工装，以横梁钢管为横向、纵向及水平基准，确定钢管端部为定位、压紧点，中间部位设置辅助定位点，再根据各配件的具体结构设计专门的定位支撑，确保各配件与横梁钢管的相对尺寸。为改变各配件与横梁钢管连接焊缝的焊接位置，设计专门的焊接夹具与焊接变位机配合，确保各焊缝都能多层、对称施焊，减少焊接热输入，控制焊接变形。同时保证各条焊缝都在平焊位置施焊，保证焊接质量。横梁组装工装、焊接夹具见附图二。

横梁组装工装

横梁焊接夹具

附图二横梁组装工装及焊接夹具

针对齿轮箱悬挂座组成半圆安装面角度要求12.5°的设计要求，根据该角度设计制作了12.5°的定位面及相应的定位销，确保齿轮箱悬挂座组成横向、纵向尺寸以及角度要求。

设计专用的电机悬挂组成撑杆，在组装完电机悬挂座组成，尺寸检查合格后将撑杆组装到电机悬挂组成下部，上焊接夹具焊接直到冷却完成后才能卸下，采用刚性固定减少焊接变形。

利用WSDP软件计算及实际经验确定工艺放量尺寸控制焊接变形

转向架构架焊接工艺补偿系统（WSDP）是一款计算构架焊接收缩变形的软件，以固有应变弹性板单元有限元计算为基础，靠常用的固有应变数据库和不同产品的零件数据库做支撑。固有应变数据库主要是采用热弹塑性有限元法分析转向架构架典型焊接接头的焊接过程，结合生产中积累的经验得到的。利用三维建模软件、HyperMesh软件和转向架构架焊接工艺补偿系统（WSDP）模拟焊接后地铁构架横梁各配件变形情况，具体见附图三、四。

附图三横梁三维模型

附图四横梁WSDP软件计算示意图

结合工艺放量尺寸的经验公式：

L=0.86×10-6qvL和qv=ηUI/v

qv—焊接线能量，L—焊缝纵向收缩量，L—焊缝总长度，U—电弧电压，I—焊接电流，η—电弧热效率，v—焊接速度

在一般情况下，钢材的L/L约为1/1000。根据梁体结构、板材厚度、焊接量大小以及前期生产制造过程中积累的经验等，确定了横梁各配件及组装尺寸的放量尺寸。

...具体放量尺寸省略

优化焊接顺序、较少热输入控制焊接变形

优化焊接顺序，在组装工装上不能焊接齿轮悬挂座组成筋板与横梁钢管的横向连接焊缝，须等焊接完成齿轮箱悬挂座与横梁钢管的连接焊缝后才能焊接；焊接时先焊接两根横梁钢管之间的配件与钢管连接焊缝，再焊接两根钢管外部各配件与横梁钢管的连接焊缝；先焊接各配件与横梁钢管的内部焊缝，再焊接各配件与横梁钢管的外部焊缝，最后焊接配件与配件间的连接焊缝。所有焊缝焊接时都必须采用分层施焊、对称施焊，从而增加焊缝冷却时间，减少焊接热输入。

将空间尺寸转化为平面尺寸

由于横梁各配件定位尺寸大部分都是空间尺寸，操作员工组装时不能明确的确定组装尺寸是否正确，是否在公差范围内。为更好的保证组装尺寸的正确性，将各空间尺寸都换算为平面尺寸，配合相应的工具如角尺、平尺等，员工可以间接测量。比如将齿轮箱悬挂座组成纵向定位尺寸608.3转换为安装面圆心至横梁钢管圆周的距离294.3，将电机悬挂座下座至横梁中心尺寸455.5转换为下座至横梁钢管圆周的距离141.5，具体见附图五。

附图五定位尺寸转换示意图

焊接变形控制措施的效果

采用上述各种焊接变形控制措施后，地铁构架横梁焊接变形得到了极大的控制，各配件的各项定位尺寸都基本符合了设计和工艺要求，具体见附表一。

附表一焊接变形控制措施的效果

结论

（1）利用WSDP软件计算结合前期实际制作过程中积累的工艺放量经验，能较准确的确定各配件组装工艺放量尺寸，有效的控制焊接变形，指导生产。

（2）合理的工装和焊接顺序较好的保证了地铁构架横梁各配件焊接尺寸满足设计和工艺要求，避免了后续工序的返工。

参 考 文 献：

[1] 中国机械工程学会焊接学会.《焊接手册》第三版.北京：机械工业出版社.2007.10.

[2] 上田信雄,村川英一,马宁绪（日）.《焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序》[M].四川:四川大学出版社.2008.

[3] 陈陟悠,罗宇,曹伟.转向架构架焊接工艺补偿系统开发及验证[J].《电力机车与城轨车辆》,2009,第4期.