TSG14型受电弓上框架结构改造工艺分析及实施方案

2016-03-21齐晓明成红蕾刘家栋

轨道交通装备与技术 2016年2期

关键词：电弓加强筋直管

齐晓明成红蕾刘家栋

(1.中车株洲电力机车有限公司技术中心湖南株洲 412001；2.株洲联诚集团有限责任公司工艺研发部湖南株洲 412001)

TSG14型受电弓上框架结构改造工艺分析及实施方案

齐晓明1成红蕾2刘家栋1

(1.中车株洲电力机车有限公司技术中心湖南株洲 412001；2.株洲联诚集团有限责任公司工艺研发部湖南株洲 412001)

TSG14型受电弓在使用过程中，其上框架连接管与阶梯管连接处焊缝出现了表面裂纹，为此须对受电弓上框架结构进行优化改造。通过分析结构改进过程中的工艺难点，制定具体工艺措施，完善生产工艺，提高产品质量，最终使TSG14型受电弓满足了客户要求。

TSG14型受电弓；上框架；开裂；改造

1 背景

广州地铁三号线于2005年底开通运营，采用刚性悬挂供电网线，车辆最高运行速度120 km/h，列车编组型式为：-A+B+A-，每列车配置2架受电弓。三号线车辆采用国外引进技术的TSG14型受电弓，现场共装有80架受电弓，其中进口8架。2009年10月开始，在受电弓例行检查过程中陆续发现有8个上框架在连接管与阶梯管连接处的焊缝出现开裂现象，其中5个为国外进口，3个为国产化产品。开裂位置具体如图1所示。

图1 受电弓开裂位置图

2 开裂原因及改造方案

受电弓在运行过程中，弓头受弓网动态接触压力、动态冲击载荷及摩擦力等复杂力学作用。通过测量三号线车辆受电弓运行过程中的弓网动态接触力及弓头所受的垂直与水平冲击力，最终确认运行环境恶劣导致网线对受电弓的冲击力过大，原受电弓结构无法满足该路况的使用要求，最终引起了上框架焊缝开裂。

为保证受电弓动态运行的稳定性及可靠性，决定对已运营的80架受电弓上框架结构陆续进行改造，改造方案如图2所示。

图2 结构改造方案图

3 工艺分析

3.1 焊缝形式

改造后焊缝为3V(坡口形式详见图3)对接焊缝，焊接位置为环焊(PA+PF)[1]，改造后焊缝由原结构的1条分散为2条，不再存在环焊尖端死角。同时，运行过程中单条焊缝的承受载荷变小。由于角度变大，焊接过程较原结构更易操作。

t1—管件1；t2—管件2。图3 焊缝形式

3.2 工艺难点

受电弓上框架由无缝拉拔铝合金分段管制成，受电弓焊接件在生产制造过程中的工艺难点主要有：(1)铝合金框架为7系列材料，焊接性能较差；(2)受电弓焊接件多数为管件且形成封闭焊缝(单面双面成型)，焊接不易操作；(3)焊后难以满足尺寸要求。

结构改造后焊缝较多，且有交叉焊缝出现，焊后内应力较大。EN 15085—3标准设计要求提出，焊缝的位置应保持一定的距离，以使热影响区不相互重叠。因此焊后对上框架进行整体去应力退火。

4 实施过程

4.1 焊前准备

切除原焊缝结构：将上框架整体置于焊接平台，利用辅助工装及工具切除、修磨左右变径管被切除处的坡口。

4.2 实施过程

为控制焊接变形，保证产品质量，确定合理的焊接顺序如下：

(1)直管焊接。使用工装将叉头分焊件与上框架切割件连接，插入销子紧固；配装直管(见图4)，可将其进行适当打磨以满足装配间隙要求，保证4条3V焊缝处的装配间隙为0～2 mm；验证焊接尺寸(连接管与顶管外侧间距)；验证尺寸合格后，分别点焊直管、叉头分焊件与变径管连接处；用钢丝刷清理焊点，满焊半圈；翻边，对另外一侧施满焊。再转到机加工车铣开槽。

1—变径管；2—辅助工装；3—直管。图4 加直管后产品焊接图示

(2)加强筋板焊接。按图5所示尺寸装左右加强筋板；分别点焊定位筋板与管子连接处(每个筋板至少2处点焊)；清理点焊焊点；按图示焊缝要求，对筋板施满焊；精整焊缝，交尺寸专检和渗透检测(PT)。以上工作完成后，上框架进行整体去应力退火。

4.3 焊接缺陷控制

焊接缺陷的控制主要在以下3个方面[2]：

(1)控制环境温、湿度。作业区要求温度在5 ℃以上，湿度小于70%。

(2)控制焊缝气孔。①减少氢的来源：使用的焊接材料(包括保护气体、焊丝、焊条等)要严格限制含水量，使用前进行干燥处理，焊前清除焊丝及母材表面的氧化膜和污染物；②控制焊接工艺：焊接工艺参数的影响主要可归结为对熔池在高温存在时间的影响，也就是对氢的溶入时间和析出时间的影响；③TIG焊参数的选择：一方面采用小的热输入以减少熔池存在时间，须适当提高焊接速度；另一方面为保证根部熔合，以利根部氧化膜中的气泡浮出，又须适当增大焊接电流(见图6)。

图5 装加强筋板后产品焊接图示

图6 焊接工艺参数对气孔倾向的影响(TIG)

(3)防止热裂纹的产生。7020系列铝合金热裂纹主要为焊缝金属的结晶裂纹[3]，焊缝金属的结晶裂纹主要是通过合理选定焊丝并配合适当的焊接工艺来进行控制。通过对焊接试件进行工艺评定，最终选定的焊接工艺参数如表1所示。

表1 上框架焊接工艺参数

5 改造后结构优点

原结构焊接过程不易操作，对接焊缝的根部焊不透，顶部易烧穿。改造后焊接过程相对容易操作，由于对接角度的变化解决了顶部易烧穿、根部不易焊透问题。

改造中切掉原焊缝及全部热影响区，避免了二次焊接。焊缝由原结构的1条焊缝分散为2条，受电弓运行过程中单条焊缝的承受载荷变小，减小了焊缝产生裂纹的几率。焊完直管后进行开槽，加强筋板处考虑到了起弧与收弧点避开焊接直管2条焊缝的热影响区，插加强筋板使上框架结构强度增加，改造后的上框架结构能够适应广州地铁三号线的运营条件。