智能空轨集运动车中梁组焊工艺研究

张文胜，邱涛，龙梅，林飞，李斌，管洪严

中车长江车辆有限公司 湖北武汉 430212

1 序言

2021年6月29日，山东省港口集团有限公司与中车长江集团共同打造的全球首创智能空轨集疏运系统（示范线）在山东青岛正式竣工。智能空轨集疏运系统中，集运动车的中梁部件为板材焊接式箱形结构梁。但由于结构尺寸较大，需要分段拼接制作，所以中梁在制作中存在着焊接量大、焊接变形严重和成形后矫正困难等技术难题。本文主要介绍了中梁各配件的拼接、组装、焊接变形控制工艺及装置设计等内容。

2 产品简介

集运动车的主要功用是对集装箱进行提升后，通过空轨进行转运。集运动车的设计要求是自重轻、刚度大、承载大。车架由中梁、侧梁、端梁、枕梁、提升卷扬横梁及防摇卷扬支座等部件组成，如图1所示。

图1 集运动车

3 中梁制作工艺及装置

集运动车车架中梁为板材焊接式箱形结构，由上下盖板、中梁腹板、中梁隔板等组成，要求自重轻、承载大。根据承载分析，相应部位采用不同厚度的板料进行拼接，并形成15mm的挠度，由于产品结构尺寸较长，焊接量大，成形后变形不易矫正，因此各类变形需在制作过程中进行严格控制。

3.1 中梁盖板的制作

（1）上下盖板拼接 中梁长度尺寸为14464mm，上下盖板均由两块工艺件拼接而成。拼接后必须严格控制焊后产生的平面和旁弯变形，保证拼接后的尺寸及形状误差符合工艺要求[1]。

拼接时，以工艺件长度方向中心线为拼接基准。由于上下盖板均由两块工艺件拼接而成，所以为保证拼接盖板长度尺寸，需在工艺要求尺寸基础上预留3mm焊接收缩量。点焊时，先对焊缝两端进行点焊，复查点焊收缩对直线度的影响后，再顺序完成整条焊缝的点焊。

（2）焊接工艺及变形控制 材料板厚为12mm，对接焊缝两边加工双面45°X形坡口，留2mm钝边，拼接时留1.5mm拼接间隙，保证焊缝的熔透性。焊接方式采用手工CO2气体保护焊。焊接前，先在焊缝两端加装引弧板，以保证有效焊缝的焊接质量。除了采用螺旋压紧装置对焊缝两侧进行刚性固定外[1]，还需在焊缝部位预制8mm反变形量，然后再进行焊接操作，以保证焊接后的平面度。变形控制装置如图2所示。

图2 变形控制装置

正面坡口焊缝的焊接，采用打底焊加盖面焊两次成形的方式，打底焊需保证焊缝的熔透性，层间焊缝需利用角磨机进行杂质清理，以保证焊缝质量[2]。利用碳弧气刨对反面焊缝进行清根处理，并使用角磨机打磨干净，确保清除焊缝杂质及缺陷。同时，利用工装压紧，并预制4mm反变形量后再进行焊接，确保焊后板料的平面度。

3.2 中梁腹板制作拼接及焊接变形控制

（1）腹板拼接 腹板由5块工艺件及加强圈组成，为减轻结构重量，两端工艺件的厚度为12mm，中间工艺件的厚度为16mm，焊缝为双面45°X形坡口，并留2mm钝边。拼接时，以腹板内侧为平面基准，下边为挠度基准。

拼接前，在拼接平台上通过放样，划出定距15m m挠度和两端下沉4m m曲线作为腹板拼接基准。在对应各工艺件两端下方，设置两点定位装置，保证拼接曲线挠度（见图3）。

图3 腹板拼接及定位

拼接时，先调整各工艺件间的拼接间隙为2mm，保证配件长度尺寸后，预留焊接收缩余量。由于焊缝数量多，所以根据实践经验，总长度预留10mm收缩余量。定位焊方式与盖板相同。

（2）焊接工艺及变形控制 因为工艺件厚度分别为12mm和16mm，所以焊缝焊接量大，焊接变形严重。为此，两端焊缝预制8mm反变形量，中间焊缝预制10mm反变形量，以保证焊接后平面度。采用打底焊、填充焊和盖面焊三次成形的方式进行正面焊接。反面焊工艺与盖板拼接反面焊工艺相同[3]。

3.3 盖板和腹板焊缝质量检测

盖板和腹板的各拼接焊缝为整个产品的关键位置焊缝。焊缝焊接完成后，切除两端引弧板，并打磨光滑，避免影响焊缝整体质量。焊缝质量除了利用焊缝检测尺进行外观质量和尺寸检测外，还需采用超声波B级无损检测进行内部质量检测。

3.4 中梁组装工艺及装置

（1）装置主体 装置主体采用两件510H型钢对接成箱形结构，保证其具有足够刚度和结构的稳定性，从而保证组装时定位准确可靠。两端采用圆盘并与工装翻转电动机相连，通过插销与圆盘上柱孔配合控制翻转角度。在左右内侧对应中梁内隔板位置设置多个螺旋夹紧装置，如图4所示。

图4 中梁组装与翻转装置

（2）中梁下盖板定位与支撑 以工装平面为基准，分别设置高4mm的定距支撑和高15mm的挠度支撑，以控制中梁组装时的曲线参数。在其中纵向和端部一侧，分别设置中梁下盖板横向定位和端部定位，并分别在各定位对应部位设置螺旋夹紧装置。组装时，先定位下盖板，利用以上各支撑、定位和夹紧装置对下盖板实施定位、夹紧，并以此作为整个中梁组装的基准。

（3）腹板组焊 中梁下盖板定位后，先组装中梁内隔板，再分别组装左右腹板。组装腹板时，纵向以其中心线与下盖板纵向中心线为基准，横向以中梁内隔板为定位，分别在其上方和两侧施加夹紧力。组装定位焊采用从中间对称依次向两端进行的方式[3]。

两侧腹板组装完成后，再进行内部各部件的组焊。为控制沿中梁高度方向和水平方向的焊接变形，必须利用工装两侧和上方的各压紧装置对中梁进行夹紧固定，采用分段、对称焊接的方式进行，待所有焊缝冷却后，拆除上方压紧装置，组装中梁上盖板。待中梁上盖板组装完成，整体形成箱形结构后再进行所有外部焊缝的焊接，以便于控制中梁整体焊接变形。

（4）中梁上盖板组装 组装中梁上盖板时，其横向、纵向中心线均应以下盖板为基准。由于上盖板呈阶梯形，两侧均有两次折弯，因此为保证折弯部位与腹板转角的配合，更应严格按照从纵向中心开始依次向两端连接的定位焊顺序。

（5）中梁焊接及变形控制 中梁组装完成后，首先利用所有的夹紧装置对中梁整体进行刚性固定，再进行所有外部焊接作业，如图5所示。

图5 中梁组焊

由于中梁的长度较长，刚性相对较差，焊接量大，整个中梁易产生沿水平方向的横向弯曲变形和沿垂直方向的挠度变形。

为控制中梁横向的弯曲变形，焊接时应采用横向对称、分段、同步焊接的方式。严格控制两侧的焊接电流、电弧电压、焊接速度等参数，使两侧产生的焊接应力相对抵消，以控制中梁水平方向弯曲变形。

为控制中梁垂直方向的挠度变形，可采用下盖板与腹板焊接一定长度后，翻转中梁，再进行上盖板与腹板同等长度的焊接，使上下盖板与腹板焊接产生的焊接应力相抵消，以控制垂直方向的焊接变形。待中梁所有焊缝彻底冷却后，辅助振动、敲打等方式削除焊接应力后，方能拆除夹紧装置[4]。

（6）中梁检测与交验 尺寸检测：利用组装装置上各检测基准检测挠度值15mm、下沉4mm等工艺参数。

焊接质量检测：利用焊缝检验尺检测外部角焊缝高度10mm是否达到焊接工艺要求；再利用磁粉检测，确认焊缝是否存在裂纹等焊接缺陷。

4 结束语

在后续的生产过程中，发现将拼板焊缝由双面45°X形坡口改为单面60°V形坡口，更易于反面焊操作，进一步提高了焊缝质量；刚性固定法配合反变形的方式控制焊接变形效果较好。但研究中也存在有待探索之处，如拼板焊缝埋弧焊的应用等，未来将通过生产实践作进一步的研究探索。