动车组横梁组焊工艺研究

董世康 袁武 单凯

摘 要：自我国首列高铁开通运行以来，轨道车辆制造技术得到了较快的发展，作为轨道车辆的关键部件，转向架制造技术提升就显得尤为重要。该文通过对动车组转向架横梁生产实际进行分析，总结了横梁的组焊工艺，从保证焊缝质量、控制焊接变形两方面进行研究，为动车组横梁制造提供实践经验，同时全面叙述了横梁制造流程、制造难点及解决方法及对机械手自动化焊接技术和三维检测技术在横梁制造过程中的应用进行了介绍，通过这些技术的应用，可以较好地提升产品质量和形象，为批量化生产提供支撑。

关键词：动车组 转向架 焊接变形

中图分类号：U266 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（a）-00-02

自2008年首列京津城际高铁开通运行以来，我国高铁事业得到长足的发展。适应各种速度等级要求和不同环境要求的高速列车陆续研制推出，为国民的出行提供了极大的便利和舒适性。转向架在高速运行中，承受安装部件的工作载荷以及牵引、制动和惯性力等复杂载荷，是高速列车运行稳定性、安全性和舒适性的关键部件。

作为转向架重要组成部件，横梁结构复杂，焊接难度大且变形复杂。其承载部件和焊后组装尺寸控制多，要求具有很高的制造精度和质量安全性。

该文从生产实际出发，围绕焊缝质量和焊接变形控制，对工艺流程制定、单件成型工艺、焊接工艺、焊缝检测工艺、调修工艺进行全面的分析研究。

1 横梁结构介绍

动车组横梁分为动车横梁和拖车横梁两大类别。在结构上，除起到连接侧梁作用外，还需组焊牵引电机座、齿轮箱座、制动吊座等关键部件。目前国内不同型号动车组转向架横梁在结构上具有一定的延续性，最大的区别为采用横梁管结构或板式箱体结构与侧梁进行连接。动车组动车横梁和拖车横梁结构分为以下部件：（1）横梁管；（2）连接座；（3）横向止挡座；（4）牵引电机座、齿轮箱座等；（5）制动横梁管。

2 制造流程及制造难点

2.1 制造流程

横梁制造流程总体上采用模块化制造。将横梁划分为横梁管、横向止挡座、制动横梁管等次部件模块。在次部件组装、焊接、调修合格后，进行横梁组成组焊作业。模块化制造更有利于进行焊接变形控制和生产组织。具体流程如下。

（1）横梁管组，将横梁管与侧梁连接座进行组焊。

（2）横梁次部件组成，将横梁上制动吊座、横向止挡座等次部件的焊接。

（3）横梁组成，将横梁管组成与横梁次部件进行组焊，实现横梁的最终组成。

2.2 制造难点

⑴焊接质量控制。

受焊接材料、焊缝组装质量、焊缝形式、焊接位置受限以及焊缝检验标准较高等条件约束，焊接操作难度本身较大。另外，焊接返修会造成焊接结构强度下降并可能造成微观裂纹，并且每次焊接作业都会造成一定的焊接变形，增加尺寸控制的难度。因此对横梁焊接一次合格率要求较高，焊接操作难度更大。

（2）焊接变形控制。

通过热处理，可以有效释放构架组焊后的残余应力，改善构架应力分布状态。由于高铁横梁采用耐候钢材料，热处理作业会对材料组织及性能造成较大影响。因此要求横梁在进行焊接后，不允许进行热调修和热处理作业。只允许在较小的偏差范围内进行冷调修。因此，如何控制焊接变形在合理的可调整范围内，是制造的重点和难点。

3 焊缝质量控制

3.1 焊材选用

动车组横梁选用耐候钢材料焊接结构。因其耐大气腐蚀性好，且抗拉强度高、塑性好的特点，已成为高速列车转向架的优选材料。目前国转向架构架材料多选用高强耐候钢材料，常见的如S355J2W（H）以及日系SMA490BW[1]。針对高强度耐候钢焊接裂纹倾向明显的特点及转向架高安全性能要求。焊接填充材料选用必须符合国际标准ISO14341要求，且多选用进口填充材料，为提高焊接性并补充耐候钢材料焊接过程微量金属的损耗，填充材料中经常含Zr、Ni、Cu等元素。

3.2 单件质量控制

为保证焊缝质量和控制焊接变形量，从下料、折弯工序开始，即实行要求高于行业标准的单件质量控制。对于平板件，全长范围内平面度要求≤0.5mm。对于折弯成型件，在压弯的基础上，增加调修工艺，保证折弯件与检测样板之间间隙要求≤0.5mm，折弯处局部间隙要求≤1mm。同时为保证工件表面质量，避免出现压痕。

3.3 焊接工艺

在保证组装单件尺寸质量的基础上，进而保证组装件装配质量。完成组装后，采用机械手或手工方法进行焊接。常用焊接方法为MAG焊。由于要求较高的一次焊接合格率，焊工在通过ISO9606-1或ISO14732考试的基础上，还需经过反复的工作试件练习，以达到焊缝外观成型良好和焊缝内部质量一次合格率很高的目的。

3.4 焊缝检测

焊接缺欠可分为两大类：第一大类是焊接变形和残余应力。第二大类为类裂纹缺欠，是焊接结构中最危险的缺欠，宏观裂纹会导致构架结构的报废，微观裂纹如果不能被及时发现，也会极大地降低焊接结构运行的可靠性，甚至会造成灾难性事故的发生，具有更大的危害性[2]。

因此需要对所有焊缝按质量等级实施检验。焊缝质量检验是制造过程中一道不可或缺的工序。横梁焊缝采用外观检测、磁粉检测、超声波检测、X射线探伤等方法。焊缝质量等级越高，采用的检测方法越严格。几种检测手段的综合运用，对焊缝从外观到焊缝内部进行全面检测。如横梁管与连接座CPA等级焊缝。需采用外观、磁粉和射线探伤检测合格。

4 焊接变形控制

4.1 模块化制造

焊接顺序对焊接变形起重要作用。如2.1制造流程所述，将横梁分成若干组焊模块次部件。对每个模块的焊接顺序进行反复调整，对焊接后变形进行测量对比，确定变形规律。便于制定合理的工艺放量和反变形量，实现冷调修保证模块尺寸，最终实现控制横梁组成尺寸的目的。

4.2 自动化焊接技术应用

要实现高铁横梁批量化生产，保证稳定的质量输出，还需提升自动化焊接率，全焊缝自动化焊接率达到80%以上。如下为典型部件的机械手焊接。

（1）横梁管焊接。

采用机械手焊接，可以保证焊接位置始终处于PA位置，降低了焊接难度，使CPA焊缝一次焊接合格率更高。

（2）制动横梁管焊接、横梁管二次自动化焊接。

采用机械手焊接，可以保证更固定的焊接热输入，变形更具规律，便于更好地制定调修工艺。

（3）横向止挡座自动化焊接。

焊接结构较复杂，手工焊接要求技能较高，采用机械手焊接，程序调整优化后，可以明显降低操作难度，更好的保证质量。

4.3 三维检测技术应用

（1）对组焊工装的三维检测。

对组焊工装进行三维检测，确保工装尺寸和准确的反变形。目的是在保证单件尺寸的基础上，进而保证焊接组装质量。组装质量是保证焊接质量和焊后变形的关键因素。

（2）对组焊件的三维检测。

对组焊件焊后尺寸的检测，进行数据对比积累，主要为验证焊接变形量和为调修作业提供数据基础，进行工艺优化。

5 结语

该文通过对多种动车组转向架横梁生产实际进行分析，对横梁组焊工艺进行总结，主要从保证焊缝质量，控制焊接变形两方面进行研究。全面叙述了横梁制造流程、制造过程中难点及解决方法。同时对机械手自动化焊接技术和三维检测技术在横梁制造过程中的应用进行了介绍，通过这些技术的应用，可以较好地提升产品质量和形象，并为批量化生产提供支撑。

参考文献

[1] 张志毅.高速列车转向架用钢热物理性能[J].电焊机， 2016（6）：46.

[2] 卢耀辉.铁道客车转向架焊接构架疲劳可靠性研究[D].西南交通大学，2011.

[3] 李向伟.基于质量模糊评判模型的焊缝疲劳寿命评估[J].焊接学报，2010，31（8）：49-52.

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2020-04-28