铁路货车整体式心盘座焊接工艺分析

焊接王洪涛 张文甲 2018-11-30 08:55:13
    1 概述
    目前用于铁路货车的整体心盘座材质主要为AARM201B+级、C级钢,属于高强度低合金铸钢,以嵌入的方式置于中梁或牵引梁两腹板间,通过焊接实现连接。整体心盘座为车体重要受力部件,为了保证熔深,实现可靠性连接,整体式心盘座与腹板多设计为坡口连接焊缝,需采用多层多道完成焊接。
    整体式心盘座为铸造腔体结构,最小壁厚一般大于15mm,图1为用于某敞车箱形中梁的C级钢整体心盘座结构,其最小壁厚为16mm。整体式心盘座结构相对于板材焊接结构具有较高的刚度,且其碳当量大于0.45%,焊接淬硬倾向较大,若焊前预热、焊枪角度、层(道)间温度、焊接顺序控制不当,均会引起焊接结构拘束增大,造成焊缝开裂,进而降低整体结构的承载能力。
    在实际生产中曾遇到过因预热不规范,造成定焊缝开裂的问题,后通过加强预热过程控制等措施,使得该问题得以有效解决。整体式心盘座在铁路货车的应用越来越广泛,通过有效的工艺措施及合理的操作方法来保证其焊接质量,对提升铁路货车的运行寿命具有非常重要的意义。
    2 结构及焊接性分析
    2.1 整体式心盘座结构
    整体式心盘座为铸造腔体结构,整体刚度较高,整体式心盘座与中梁或牵引梁腹板通過焊接实现连接。整体式心盘座通过焊接组成铁路货车重要的承载结构(中梁结构、牵引梁结构),腹板材质为Q450NQR1高强耐候钢,板厚一般为12-14mm,焊接接头为异种钢接头,其连接焊缝设计为坡口复合焊缝,需多层多道完成焊接,且接头两侧的母材厚度、结构刚度具有较大差异,其焊接热传导具有很大的不均匀性,对焊缝具有较大的拘束作用。
    2.2 焊接性分析
    钢中的碳及其合金元素对焊接性都会产生影响,但碳的影响相对最明显。在研究合金钢时需要把钢中的碳和合金元素的含量换算成碳的相当含量来初略预测中碳钢的焊接性。通过对钢的碳当量进行估算,可以初步衡量出低合金高强度钢冷裂敏感性的高低,这对焊接工艺条件及过程控制的确定具有重要的指导作用。目前铁路所采用的整体式心盘座材质主要为符合AARM201标准要求的B+级(ZG25MnCrNi)、C级钢(ZG25MnCrNiMo)。
    根据国际焊接学会IIW推荐的碳当量计算公式计算B+级钢、C级钢的碳当量分别为0.45%≤CEB+级钢≤0.6%,0.56%≤CEC级钢≤0.76%。其碳当量大于0.45%,表明该类材料在焊接时具有较大的淬硬倾向。为了降低焊接时的冷裂倾向,需严格对铸钢侧进行局部焊前预热。
    3 焊接难点及常见缺陷
    整体式心盘座与中梁或牵引梁组成的焊接接头为角接接头,心盘座靠近冲击座侧与腹板连接焊缝为坡口对接焊缝与角焊缝组成的复合焊缝W3,心盘座下侧与下盖板、靠近底架中心侧与腹板连接焊缝为角焊缝W4、W2,心盘座上侧与腹板连接焊缝坡口对接焊缝W1。整体心盘座结构设计焊缝厚度较大,需要进行多层多道焊接。通过对整体心盘座结构及焊接性进行分析,该类焊接结构不仅整体刚度大,而且铸钢件本身的焊接性也相对较差,具有较强的焊接淬硬倾向。
    在实际生产中,极易受预热参数、操作技能、焊接顺序、层(道)间温度控制等的影响,每个环节均有可能导致质量的波动,造成无谓的返工。
    整体式心盘座与中梁或牵引梁组成的异种钢焊接接头,采用气体保护焊工艺在实际焊接过程中常见的焊接缺陷有定位焊开裂、层(道)未熔合、咬边及角变形等。
    4 焊接技巧及工艺要点
    针对整体式心盘座的焊接结构特点,结合实际生产过程的经验总结及验证,主要从焊接技巧及工艺要点两个方面对该类结构的焊接质量控制进行探讨。
    (1)焊接技巧针对整体式心盘座与中梁或牵引梁组成的连接焊缝,尤其是保证坡口连接焊缝焊接质量具有更高的难度,需特别注意焊前预热火焰的调节及各层(道)焊接时的焊枪角度控制。
    首先,预热控制:施焊前必须按要求对心盘座侧进行局部预热,预热区域不得小于距焊缝中心75mm的范围,预热必须将火焰调节成中性焰,切忌定点预热,需要不断移动火焰,以使母体均匀受热。
    其次,焊枪角度控制及规范:第一,坡口焊缝。焊打底层时,焊枪与腹板夹角应控制为近似0.5倍的坡口角度,有助于使焊丝伸达根部,保证根部熔合;焊枪后倾角控制80°~90°,以保证根部足够的热输入;焊接电流不宜过小,控制220-240A;焊接电压不宜过大,控制23-26V。焊中间层及盖面层时,应减小焊枪与腹板夹角,控制在15°左右,焊接过程中可以进行小幅快频锯齿摆动,以保证前道焊缝两侧的熔合;焊接电流及电压可适当加大,焊接电流控制230-260A,焊接电压控制26-30V。
    第二,角焊缝。焊接角焊缝时,需将焊枪略偏向耐候钢侧,控制焊枪与心盘座侧夹角为60°左右,以保证根部铸钢件的熔合。焊接电流及电压不宜过小,焊接电流控制230-260A,焊接电压控制26-30V。
    (2)工艺要点第一,焊前清理。检查定位焊缝及焊缝周围≥20mm范围内的表面质量,确保检查区域无锈蚀、油漆、水份及油污等杂物,且定位焊无裂纹、凸起、咬边等缺陷,必要时采用砂轮机打磨清除。
    第二,焊前预热。通过对整体式心盘座的结构及焊缝性分析,其焊接淬硬倾向较大,整体刚度较高,焊前需严格按要求对心盘座侧进行局部预热处理,尽量使热量均匀传递,预热过程采用点温计进行监控。
    第三,层(道)间控制。多层多道焊时,需控制层(道)间温度小于200℃。除打底层及盖面层外,每层焊接完成后应采用小榔头轻轻敲击焊缝,以释放应力。
    第四,焊接顺序。考虑到采用整体式心盘座的中梁或牵引梁结构具有较大焊接拘束及焊接量,焊接时必须严格控制焊接顺序,降低焊缝拘束的同时,控制焊接变形问题。
    该类结构焊接时,需按以下顺序及要求施焊:①在平焊位焊接整体式心盘座上侧与腹板的两条坡口连接焊缝W1,需两名焊工对称同时施焊,焊接方向由内侧端向外侧端。②通过翻转使腹板面朝上,先焊接靠近底架中心侧与腹板连接角焊缝W2,再焊接靠近冲击座侧与腹板连接复合焊缝W3。③压装心盘后在平角焊位焊接整体式心盘座下侧与下盖板连接角焊缝W4。
    火焰预热时,采用中性焰对铸钢件侧进行往复移动预热,有助于均匀受热,降低焊接时结构件的温度梯度。调节合理的焊接分数及焊枪角度,对保证焊缝的根部熔合非常重要。采用合理的焊接顺序,有助于降低整体的焊缝拘束,有效控制焊接变形。根据结构特点,采取合适的操作方式能有效保证采用整体式心盘座的结构的焊接质量。
    5 结语
    综上所述,加强对铁路货车整体式心盘座焊接工艺的研究分析,对于其良好焊接效果的取得有着十分重要的意义,因此在今后的整体式心盘座焊接工作过程中,应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度,并注重其具体实施措施与方法的科学性。
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