大轴重矿石车组焊式箱焊接工艺研究

摘要：BHPB大轴重矿石车采用组焊式箱型中梁，焊接过程中易出现扭曲和变形。分析箱型中梁结构特点，确定焊接工艺难点，计算纵向收缩量和挠度。通过采取设置组对间隙、加大坡口角度、板材焊缝采用拼接方案、使用药芯焊丝、C级钢焊前预热、调整工艺尺寸等焊接工艺措施，控制组焊式箱型中梁焊接变形，以保证中梁制造质量。

关键词：大轴重矿石车；箱型中梁；焊接工艺；控制措施

重载运输因运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国的广泛重视，成为当今世界铁路货运的发展趋势。中车齐齐哈尔车辆有限公司根据澳洲客户要求生产的载重为160t的BHPB大轴重矿石车，得到客户青睐［1］。中梁组成作为铁路货车车体的脊梁，负责传递牵引力、冲击力和垂直载荷，是车辆最主要的承重部件。由于箱型结构强度较高，因此BHPB大轴重矿石车采用组焊式箱形中梁（以下简称“箱形中梁”）。箱形中梁因其结构特点，易出现焊接变形。通过分析箱形中梁结构特点，确定焊接工艺难点，制定焊接工艺措施，控制箱型中梁焊接变形，以保证中梁制造质量。

1组焊式箱型中梁结构特点

BHPB大轴重矿石车箱形中梁为等截面封闭箱型结构，与我国铁路通用敞车、棚车中梁由2根乙型钢组焊而成的半封闭结构不同，主要由中梁腹板、中梁下盖板、中梁上盖板、隔板、心盘座、前从板座等组焊而成。为适应万吨重载牵引要求，提高集载能力，板材采用屈服极限为450MPa的高强度耐大气腐蚀钢。心盘座、冲击座、前从板座采用美国铁路协会AARM-201：2017《铸钢件》中的C级铸钢［2-3］。箱型中梁组成如图1所示。

2焊接工艺难点箱形中梁焊缝位置如图2所示。

2.1箱形中梁焊接变形

箱形中梁长为9590mm，焊脚尺寸为8mm×8mm，焊缝长，焊接热输入量大。在距离箱型中梁两端各2600mm范围内，箱形中梁下盖板焊缝为双面坡口焊缝，焊缝填充量大，在箱形中梁焊接过程中，易产生扭曲和变形［4］。2.2中梁下盖板与腹板坡口焊接由于BHPB大轴重矿石车具有大轴重、大容积的特点，满载后总重为160t。为保证箱形中梁的承载能力，中梁下盖板与腹板焊缝熔深要求达到16mm。中梁下盖板与腹板较厚，分别为20mm和16mm，组装刚度大。中梁下盖板与腹板坡口焊接按澳大利亚/新西兰标准ASAS/NZS1554.1：2014《结构钢焊接》中结构用途（SP）执行，要求全熔透焊接。因此，控制根部未熔合或未焊透现象，以及气孔、夹渣是焊接工艺的重点。2.3C级钢铸件与耐大气腐蚀钢板材焊接心盘座、冲击座等部件均为C级钢。C级钢铸件可焊性较差，焊缝具有一定的淬硬倾向。在焊接热量的循环作用下，焊缝极易产生脆硬的马氏体组织，在定位焊缝、长直焊缝，以及焊缝拐角处出现冷裂纹、毛细裂纹以及未熔合等缺陷。

3计算纵向收缩量和挠度

3.1纵向收缩

箱型中梁纵向焊缝长，焊角大，焊后纵向收缩量ΔL直接影响中梁全长及心盘距尺寸。因此，中梁腹板、中梁上盖板、中梁下盖板下料长度是需要控制的重要工艺参数。纵向收缩量ΔL［5］为ΔL=kAhL/A。（1）式（1）中，k为比例系数，与焊接方法和材料有关，金属极气体保护焊k取0.041，埋弧焊k取0.072；Ah为焊缝截面积，mm2；L为构件长度，mm；A为构件截面积，mm2。对于双面有角焊缝的T形接头，由于塑性变形区相互重叠，缩短变形区总面积，仅比单侧焊缝时大15%左右，故纵向收缩量ΔLT为ΔLT=(1.15~1.40)kAhL/A。（2）根据箱型中梁结构特点及焊接接头形式，计算中梁纵向收缩量ΔLT=7.56mm。

3.2焊后挠曲、扭曲、旁弯

中梁上盖板与腹板焊角为8mm×8mm的单侧焊缝，中梁下盖板与腹板焊角为8mm×8mm的双侧焊缝。由于焊角大，焊接热输入量大，对中梁焊接变形影响大。从中梁截面形状与焊缝对称分布特性来看，通过在腹板间焊装工艺撑管，以及采用必要的工艺装备、合理的焊接顺序、适宜的焊接方法及焊接参数，控制中梁的扭曲及旁弯。焊缝引起的挠度f为f=kAheL2/8I。（3）式（3）中，e为偏心距，即焊缝中心到断面中心轴的距离，mm；I为构件的几何惯性矩，mm4。计算得出：①中梁上盖板与腹板间2条外侧角焊缝焊接收缩引起的下挠度为12.21mm；②中梁下盖板与腹板间角焊缝焊接收缩引起的上挠度为12.54mm；③隔板与下盖板间焊缝横向收缩引起的上挠度为2.98mm。

4焊接工艺控制措施

4.1设置组对间隙并加大坡口角度

为了满足关键焊缝熔深和全熔透要求，中梁腹板与中梁下盖板接触处坡口尖点上移2mm，腹板钝边调整为0。在箱型中梁两端各2600mm长度范围内，在原有K型坡口的基础上，在中梁下盖板处加工30°坡口，将中梁腹板与中梁下盖板的坡口由50°调整为80°。通过设置组对间隙、加大坡口角度，提高焊缝熔透深度。中梁腹板与下盖板两端坡口焊缝如图3所示。中梁腹板中梁下盖板250°80°单位：mm图3中梁腹板与下盖板两端坡口焊缝焊接时，将中梁吊至翻转机上，翻转90°至平焊位置，先焊接腹板内侧焊缝（坡口角度80°），采用2层3道焊缝。然后将中梁吊至下一工位，翻平，用电砂轮打磨清根后，焊接腹板外侧坡口焊缝（坡口角度50°），采用3层3道焊缝。焊接电流为207A~253A，焊接电压为28.8V~33.2V，控制层间温度不大于210℃。

4.2板材焊缝采用拼接方案

中梁腹板与中梁下盖板采用3段拼接方案，在专用组对平台上组焊。组焊时，在拼接缝两侧采用压紧装置压紧，各板横向错牙量不大于1mm。为了减小焊接变形，各板件应在压紧状态下，同方向焊接。拼接焊缝焊接前，加装引弧板，引弧板坡口角度和材质与焊接母材一致。完成焊接后，引弧板预留1mm，其余部分切除，并将切口打磨圆滑。拼接焊缝为双面焊，预留2mm～3mm组对间隙。打底焊采用较小焊接参数，焊接电流为99A~121A，焊接电压为23.3V~26.8V。填充和盖面采用多层多道焊。背面焊接前应先清根处理，保证焊缝熔合性。焊后采用超声波或磁粉探伤检查焊缝。

4.3使用药芯焊丝

中梁腹板组成和中梁下盖板组成拼接焊缝，中梁腹板与下盖板坡口填充焊缝等部位，使用符合AWSA5.29E81T1-W2C的药芯焊丝［6］，避免通过摆动实芯焊丝调整焊接位置，改变电流大小的操作工艺，降低操作难度。药芯焊丝具有较好的焊接工艺性，焊接操作简单、焊接过程电弧稳定、焊缝化学成分均匀，并且成型美观，焊接飞溅少。

4.4C级钢焊前预热

为了控制C级钢焊接缺陷，焊接C级钢和耐大气腐蚀钢前先预热。预热温度为200℃～250℃，预热区域为焊缝两侧75mm。采用点温计测量，测温位置位于焊缝50mm处。预热时采用分段预热方法，不允许一次性预热整条焊缝，以防止预热焊缝过长导致温度下降。焊接时，层间温度控制在200℃~250℃。多层焊缝每层厚度不大于4mm。焊脚尺寸大于6mm的角焊缝严禁1次焊接完成。心盘座、冲击座与中梁焊缝的起弧、收弧应避开焊缝拐角处30mm~50mm。焊后修磨接头处焊缝，使其圆滑过渡。4.5调整工艺尺寸考虑中梁隔板内部焊缝焊接产生的横向收缩，结合纵向收缩计算值，将中梁腹板长度加长10mm。其中，中梁腹板（1）加长6mm，并预制8mm～11mm工艺上挠度；中梁腹板（2）和（3）各加长2mm。将中梁下盖板长度加长10mm。其中，2块中梁下盖板（1）均加长2mm，中梁下盖板（2）加长6mm。在中梁下盖板（2）沿中梁腹板外侧焊缝位置预制3mm～6mm焊接反变形；在中梁上盖板距端部2600mm范围内，沿中梁腹板外侧焊缝位置预制2mm～4mm焊接反变形。

5结语

采用以上工艺方法，2019年生产BHPB大轴重矿石车526辆。交检验结果显示，箱型中梁全长9590mm±10mm，中梁交验枕心距6250mm±4mm，中梁挠度11mm～15mm，牵引梁甩头小于或等于5mm，中梁全长旁弯小于或等于5mm，焊接质量符合AS/NZS1554.1：2014要求。BHPB大轴重矿石车目前已在澳洲运行，得到客户一致好评。

参考文献

［1］田葆栓．在变化的世界中推进重载铁路技术与运营——第11届国际重载运输大会综述［J］．国外铁道车辆，2019（2）：1-5．

［2］聂友明，王丽，陈增有，等．大轴重铁路货车组焊式箱型中梁的焊接工艺［J］．大连交通大学学报，2015（1）：76-79．

［3］曹岩．C级钢锁座焊缝裂纹原因分析及对策［J］．机车车辆工艺，2006（2）：42-44．

［4］李书楷．40t轴重不锈钢铁路矿石车中梁组成组焊工艺［J］．机车车辆工艺，2011（5）：24-26．

［5］方洪渊．焊接结构学［M］．北京：机械工业出版社，2008：79-86．

［6］马凯夫．系列药芯焊丝制备及其焊接工艺研究［D］．长沙：中南大学，2014．

作者：司洪涛 李雪梅 单位：中车齐齐哈尔车辆有限公司 齐齐哈尔大学机电工程学院