張文勝，邱濤，龍梅，林飛，李斌，管洪嚴(yán)

中車長江車輛有限公司 湖北武漢 430212

1 序言

2021年6月29日，山東省港口集團(tuán)有限公司與中車長江集團(tuán)共同打造的全球首創(chuàng)智能空軌集疏運系統(tǒng)（示范線）在山東青島正式竣工。智能空軌集疏運系統(tǒng)中，集運動車的中梁部件為板材焊接式箱形結(jié)構(gòu)梁。但由于結(jié)構(gòu)尺寸較大，需要分段拼接制作，所以中梁在制作中存在著焊接量大、焊接變形嚴(yán)重和成形后矯正困難等技術(shù)難題。本文主要介紹了中梁各配件的拼接、組裝、焊接變形控制工藝及裝置設(shè)計等內(nèi)容。

2 產(chǎn)品簡介

集運動車的主要功用是對集裝箱進(jìn)行提升后，通過空軌進(jìn)行轉(zhuǎn)運。集運動車的設(shè)計要求是自重輕、剛度大、承載大。車架由中梁、側(cè)梁、端梁、枕梁、提升卷揚橫梁及防搖卷揚支座等部件組成，如圖1所示。

圖1 集運動車

3 中梁制作工藝及裝置

集運動車車架中梁為板材焊接式箱形結(jié)構(gòu)，由上下蓋板、中梁腹板、中梁隔板等組成，要求自重輕、承載大。根據(jù)承載分析，相應(yīng)部位采用不同厚度的板料進(jìn)行拼接，并形成15mm的撓度，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸較長，焊接量大，成形后變形不易矯正，因此各類變形需在制作過程中進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3.1 中梁蓋板的制作

（1）上下蓋板拼接 中梁長度尺寸為14464mm，上下蓋板均由兩塊工藝件拼接而成。拼接后必須嚴(yán)格控制焊后產(chǎn)生的平面和旁彎變形，保證拼接后的尺寸及形狀誤差符合工藝要求[1]。

拼接時，以工藝件長度方向中心線為拼接基準(zhǔn)。由于上下蓋板均由兩塊工藝件拼接而成，所以為保證拼接蓋板長度尺寸，需在工藝要求尺寸基礎(chǔ)上預(yù)留3mm焊接收縮量。點焊時，先對焊縫兩端進(jìn)行點焊，復(fù)查點焊收縮對直線度的影響后，再順序完成整條焊縫的點焊。

（2）焊接工藝及變形控制 材料板厚為12mm，對接焊縫兩邊加工雙面45°X形坡口，留2mm鈍邊，拼接時留1.5mm拼接間隙，保證焊縫的熔透性。焊接方式采用手工CO2氣體保護(hù)焊。焊接前，先在焊縫兩端加裝引弧板，以保證有效焊縫的焊接質(zhì)量。除了采用螺旋壓緊裝置對焊縫兩側(cè)進(jìn)行剛性固定外[1]，還需在焊縫部位預(yù)制8mm反變形量，然后再進(jìn)行焊接操作，以保證焊接后的平面度。變形控制裝置如圖2所示。

圖2 變形控制裝置

正面坡口焊縫的焊接，采用打底焊加蓋面焊兩次成形的方式，打底焊需保證焊縫的熔透性，層間焊縫需利用角磨機(jī)進(jìn)行雜質(zhì)清理，以保證焊縫質(zhì)量[2]。利用碳弧氣刨對反面焊縫進(jìn)行清根處理，并使用角磨機(jī)打磨干凈，確保清除焊縫雜質(zhì)及缺陷。同時，利用工裝壓緊，并預(yù)制4mm反變形量后再進(jìn)行焊接，確保焊后板料的平面度。

3.2 中梁腹板制作拼接及焊接變形控制

（1）腹板拼接 腹板由5塊工藝件及加強(qiáng)圈組成，為減輕結(jié)構(gòu)重量，兩端工藝件的厚度為12mm，中間工藝件的厚度為16mm，焊縫為雙面45°X形坡口，并留2mm鈍邊。拼接時，以腹板內(nèi)側(cè)為平面基準(zhǔn)，下邊為撓度基準(zhǔn)。

拼接前，在拼接平臺上通過放樣，劃出定距15m m撓度和兩端下沉4m m曲線作為腹板拼接基準(zhǔn)。在對應(yīng)各工藝件兩端下方，設(shè)置兩點定位裝置，保證拼接曲線撓度（見圖3）。

圖3 腹板拼接及定位

拼接時，先調(diào)整各工藝件間的拼接間隙為2mm，保證配件長度尺寸后，預(yù)留焊接收縮余量。由于焊縫數(shù)量多，所以根據(jù)實踐經(jīng)驗，總長度預(yù)留10mm收縮余量。定位焊方式與蓋板相同。

（2）焊接工藝及變形控制 因為工藝件厚度分別為12mm和16mm，所以焊縫焊接量大，焊接變形嚴(yán)重。為此，兩端焊縫預(yù)制8mm反變形量，中間焊縫預(yù)制10mm反變形量，以保證焊接后平面度。采用打底焊、填充焊和蓋面焊三次成形的方式進(jìn)行正面焊接。反面焊工藝與蓋板拼接反面焊工藝相同[3]。

3.3 蓋板和腹板焊縫質(zhì)量檢測

蓋板和腹板的各拼接焊縫為整個產(chǎn)品的關(guān)鍵位置焊縫。焊縫焊接完成后，切除兩端引弧板，并打磨光滑，避免影響焊縫整體質(zhì)量。焊縫質(zhì)量除了利用焊縫檢測尺進(jìn)行外觀質(zhì)量和尺寸檢測外，還需采用超聲波B級無損檢測進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測。

3.4 中梁組裝工藝及裝置

（1）裝置主體 裝置主體采用兩件510H型鋼對接成箱形結(jié)構(gòu)，保證其具有足夠剛度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而保證組裝時定位準(zhǔn)確可靠。兩端采用圓盤并與工裝翻轉(zhuǎn)電動機(jī)相連，通過插銷與圓盤上柱孔配合控制翻轉(zhuǎn)角度。在左右內(nèi)側(cè)對應(yīng)中梁內(nèi)隔板位置設(shè)置多個螺旋夾緊裝置，如圖4所示。

圖4 中梁組裝與翻轉(zhuǎn)裝置

（2）中梁下蓋板定位與支撐 以工裝平面為基準(zhǔn)，分別設(shè)置高4mm的定距支撐和高15mm的撓度支撐，以控制中梁組裝時的曲線參數(shù)。在其中縱向和端部一側(cè)，分別設(shè)置中梁下蓋板橫向定位和端部定位，并分別在各定位對應(yīng)部位設(shè)置螺旋夾緊裝置。組裝時，先定位下蓋板，利用以上各支撐、定位和夾緊裝置對下蓋板實施定位、夾緊，并以此作為整個中梁組裝的基準(zhǔn)。

（3）腹板組焊 中梁下蓋板定位后，先組裝中梁內(nèi)隔板，再分別組裝左右腹板。組裝腹板時，縱向以其中心線與下蓋板縱向中心線為基準(zhǔn)，橫向以中梁內(nèi)隔板為定位，分別在其上方和兩側(cè)施加夾緊力。組裝定位焊采用從中間對稱依次向兩端進(jìn)行的方式[3]。

兩側(cè)腹板組裝完成后，再進(jìn)行內(nèi)部各部件的組焊。為控制沿中梁高度方向和水平方向的焊接變形，必須利用工裝兩側(cè)和上方的各壓緊裝置對中梁進(jìn)行夾緊固定，采用分段、對稱焊接的方式進(jìn)行，待所有焊縫冷卻后，拆除上方壓緊裝置，組裝中梁上蓋板。待中梁上蓋板組裝完成，整體形成箱形結(jié)構(gòu)后再進(jìn)行所有外部焊縫的焊接，以便于控制中梁整體焊接變形。

（4）中梁上蓋板組裝 組裝中梁上蓋板時，其橫向、縱向中心線均應(yīng)以下蓋板為基準(zhǔn)。由于上蓋板呈階梯形，兩側(cè)均有兩次折彎，因此為保證折彎部位與腹板轉(zhuǎn)角的配合，更應(yīng)嚴(yán)格按照從縱向中心開始依次向兩端連接的定位焊順序。

（5）中梁焊接及變形控制 中梁組裝完成后，首先利用所有的夾緊裝置對中梁整體進(jìn)行剛性固定，再進(jìn)行所有外部焊接作業(yè)，如圖5所示。

圖5 中梁組焊

由于中梁的長度較長，剛性相對較差，焊接量大，整個中梁易產(chǎn)生沿水平方向的橫向彎曲變形和沿垂直方向的撓度變形。

為控制中梁橫向的彎曲變形，焊接時應(yīng)采用橫向?qū)ΨQ、分段、同步焊接的方式。嚴(yán)格控制兩側(cè)的焊接電流、電弧電壓、焊接速度等參數(shù)，使兩側(cè)產(chǎn)生的焊接應(yīng)力相對抵消，以控制中梁水平方向彎曲變形。

為控制中梁垂直方向的撓度變形，可采用下蓋板與腹板焊接一定長度后，翻轉(zhuǎn)中梁，再進(jìn)行上蓋板與腹板同等長度的焊接，使上下蓋板與腹板焊接產(chǎn)生的焊接應(yīng)力相抵消，以控制垂直方向的焊接變形。待中梁所有焊縫徹底冷卻后，輔助振動、敲打等方式削除焊接應(yīng)力后，方能拆除夾緊裝置[4]。

（6）中梁檢測與交驗 尺寸檢測：利用組裝裝置上各檢測基準(zhǔn)檢測撓度值15mm、下沉4mm等工藝參數(shù)。

焊接質(zhì)量檢測：利用焊縫檢驗尺檢測外部角焊縫高度10mm是否達(dá)到焊接工藝要求；再利用磁粉檢測，確認(rèn)焊縫是否存在裂紋等焊接缺陷。

4 結(jié)束語

在后續(xù)的生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)將拼板焊縫由雙面45°X形坡口改為單面60°V形坡口，更易于反面焊操作，進(jìn)一步提高了焊縫質(zhì)量；剛性固定法配合反變形的方式控制焊接變形效果較好。但研究中也存在有待探索之處，如拼板焊縫埋弧焊的應(yīng)用等，未來將通過生產(chǎn)實踐作進(jìn)一步的研究探索。