上海地铁钢轨探伤车司机室焊接工艺及其平面度控制

上海地铁钢轨探伤车司机室焊接工艺及其平面度控制

刘学志

刘学志

中车洛阳机车有限公司河南省洛阳市471002

摘要：分析探伤车司机室部件组焊、司机室骨架总成组焊、蒙皮组焊工艺过程，提出影响机车司机室平面度的因素，阐述了控制机车司机室平面度的措施。

关键词：钢轨探伤车；司机室；蒙皮组焊；平面度控制

前言：从上海地铁钢轨探伤车车体总成的设计结构可以看出，司机室与牵引梁通过司机室左、右侧墙蒙皮、司机室尾部与侧墙及司机室前部下方钢管与缓冲梁组成之间的对接焊缝焊接，焊后磨平，形成平滑过渡的外轮廓。在车体总成组焊工序中，司机室底面落在牵引梁上平面之上。如果司机室平面度达不到要求，加上边梁、侧墙、缓冲梁组成平面也有平面度误差，则二者的平面度误差累加之后会造成司机室各接口处焊缝间隙不均匀。有些地方间隙过大（有时达到8mm），只有加焊接垫板或采用堆焊才能完成焊接，增加了焊接工作量和工序时间，同时也增加了焊接变形，焊接质量难以保证。因此必须将司机室钢结构的平面度控制在3mm之内，以保证司机室总装时的焊接的质量和效率。

一、司机室钢结构焊接工艺及其影响

钢轨探伤车司机室的焊接结构，司机室焊接结构司机室左侧墙、司机室前墙下部、司机室前墙上部、司机室顶盖等组焊而成。影响司机室底面平面度的主要因素为司机室各部件组焊工序，左、右侧墙下端面的直线度和平面度控制，司机室前墙下端面的平面度控制以及司机室总成组焊工序底面平面度的控制。司机室钢结构焊接的母材为Q235B的50*50*2方钢管，焊接性较好，热影响区组织与性能的变化对焊接热输入较敏感，热影响区淬硬倾向大，对氢致裂纹敏感性较大。焊接时不宜采用过大的热输入，焊缝冷却速度也不应过快，如果在焊接时不能注意以上两个方面的问题将会出现淬硬马氏体组织，使近逢区的硬度提高，塑性下降，导致焊后冷裂倾向增大。

采用二氧化碳气体保护焊。按照EN15085焊接要求焊接，H08Mn2SiA、H10MnSiA两种焊丝的化学成分对比如下表：

这两种焊丝相比较，H08Mn2SiA合金元素Mn，Si含量较高，P，S有害元素含量较低，可有效提高焊缝的力学性能，它们的脱氧反应式如下:

[Mn]+[FeO]=[Fe]+[MnO][Si]+2[FeO]=[Fe]+（MnO2）

上式反应产物MnO、MnO2熔点较高，通常认为处于固态，不易聚合为大的质点；同时MnO2与钢液的界面张力小，润湿性好，MnO2不易从钢液中分离，所以易造成夹渣。但是，当锰硅联合脱氧时，锰硅的比的为3/7时，脱氧产物可形成硅酸盐MnO·MnO2，它的密度小，熔点低，在钢液中处于液态。因此容易聚合为半径大的质点，浮到渣中去，减少焊缝中的夹渣物，从而降低焊缝中的含氧量。因此在实际生产中选用H08Mn2SiA牌号焊丝。组焊过程应尽可能分部件焊接，各部件分别采取在平台放样的办法，划出各部件的轮廓尺寸，并采用变换位置将焊缝尽可能采用PA或PB位置焊接。在焊接司机室部件和司机室钢结构总成时，根据具体的焊接位置确定合适的焊接规范和保护气体流量。

二、司机室侧墙组焊工艺及其影响

司机室左侧墙焊接结构。工艺上要求先组焊司机室左侧墙骨架，再将司机室左侧窗板及左侧窗板上的安装座与骨架组焊。在组焊过程中，采用门框加装工艺梁，为了保证门框设计的高度尺寸1885mm、宽度尺寸755mm，在组对时，调整了门框横梁的下料尺寸至759mm，两横梁的间距放量至1889mm，用以消除焊接收缩的变形量。然后将司机室左侧墙，整体点焊固定到焊接平台，增加刚度，来保证司机室左侧墙下端面的直线度和平面度不大于2mm。

组装过程中，采用平尺检查司机室左侧墙的直线度和平面度，保证直线度和平面度不大于2mm，合格后完成定位焊。焊接时采用带梯形螺纹压紧螺杆的F型夹钳压紧，形成刚性固定，预防焊接变形。各方钢管之间的焊接顺序为先立焊缝，由中心向周围辐射，立焊缝保证了左侧墙的整个平面，完成了平面的确定，再进行平焊缝的焊接，通过焊接变位装置，将左端墙的背面焊缝旋转到PA或PB位置完成焊接，焊接电流为140～150A，电压20～22V，保护气体流量以10～15L/min。

组装过程中，在工装正常的情况下，如果难以保证司机室左侧墙的直线度和平面度，则需检查配件（包括司机室左入口门内门框、司机室左入口门外板、司机室左侧窗板等）的形位尺寸（包括直线度、垂直度等）是否满足设计要求，必要时向上工序提出信息反馈。

司机室右侧墙焊接结构与左侧墙对称，组装和焊接过程与左侧墙类似，控制下端面直线度和平面度的措施与左侧墙相同。

司机室的左、右侧墙的焊接设计结构为平面框架结构，通过工装比较容易保证其焊后尺寸符合设计要求。对司机室平面度有影响的主要是框架的对角线尺寸和下端面的直线度偏差。

三、司机室前墙组焊工艺及其影响

在司机室前墙中，司机室前窗和底部梁焊接设计结构的焊缝在截面上分布很不对称，不宜将司机室前窗和底部梁分别单独作为一个部件进行组装和焊接。经过工艺分析，对司机室前墙进行焊接结构重组，将司机室前窗及其以上的零部件一起组焊。

司机室前窗组合中前窗和底部梁焊接均采用焊脚a2满焊缝，在其最大截面处加工艺梁，底部使用F型卡钳进行固定，增加整体刚度，通过这些方法来组对司机室前墙，完成焊接。图3中的标志灯嵌入到司机室前墙平面，为了保证司机室前墙焊接强度和平面度，在完成司机室焊接之后再组焊这两个标志灯。

图3司机室前墙结构

司机室前墙下部组对过程中，采用平尺检查司机室前墙下部的直线度和平面度，为了保证图中圈起的立柱不内凹或者外凸，焊接前需在两立柱之间点焊工艺梁，焊接完成后去除工艺梁，保证各立柱的间距保持不变。焊接时采用带梯形螺纹压紧螺杆的F型夹钳压紧，形成刚性固定，预防焊接变形。焊后保证直线度和平面度不大于2mm，合格后完成定位焊。

图4司机室前墙组对图

下部焊接完成后，将司机室前墙上部平放到焊接平台上，为了保证司机室前窗的尺寸，对其长度和宽度方向分别放量4mm，用以消除焊接收缩量，保证前窗尺寸。同时，为了保证前窗焊接后平面度，焊接前窗框内的角钢时，采取了小电流，断续跳焊的方法，很大程度上减少了焊接变形。各方钢管之间的焊接顺序同左侧墙的一致，即焊接顺序为先立焊缝，由中心向周围，再进行平焊缝的焊接，通过焊接变位装置，将前墙的背面焊缝在PA或PB位置完成焊接，焊接电流为140～150A，电压20～22V，保护气体流量以10～15L/min。

按照以上组焊工艺要求控制组装和焊接过程，可保证司机室前墙上、下部在焊接之后平面度不大于2mm。

四、司机室总成组焊工艺及其影响

对司机室总成组焊时应保持平台上平面水平，四个角水平高度差不大于1mm。在平台上将司机室前墙、左右侧墙、顶盖等组焊成司机室。

组装时，左右侧墙吊铅垂线，保证前墙、左右侧墙完全落在平台平面上，采用自制的F型夹钳压紧，并在司机室体对角线上点焊上自制的可收放的丝杠，用以调节司机室的宽度和对角线的尺寸，必要时点固在平台上。

每组焊完成一个司机室之后，应将工装上平面的飞溅、焊渣、铁屑等清扫干净，以免影响下一个司机室组焊。

为了减少焊接收缩变形对司机室平面度的影响，在司机室焊接过程中应严格控制焊接规范，并采用图5所示的焊接顺序。

图5焊接顺序

焊缝在实施焊接时遵循先立焊再橫焊、先中间再两边的焊接顺序，同类焊缝对称焊接。

最后司机室外部蒙皮的焊接，蒙皮板厚为2.5mm的耐候钢，蒙皮铺在司机室钢结构外表面，各部件之间的蒙皮连接方式为对接，焊接时遵循蒙皮与骨架搭接处进行满焊，窗口和门框处的焊缝采用跳焊法，防止框架的严重变形。图6红色

图6司机室蒙皮焊接

椭圆标记处，整块蒙皮为司机室的三维结构，为了能够拼接处该处蒙皮结构，工艺上将此处蒙皮放在最后工序，拆分成三部分，采用现场实物测量尺寸，拼接而成；同时为了保证拼接后的蒙皮刚度，避免发生局部塌陷或凸起，工艺上在图8红线位置加工艺板条，为了保证工艺板条刚度并节约所占的空间，采用30*30的角钢来进行加固，实践证明该方法具有良好的效果。

内部蒙皮与骨架的焊接时，由于方钢管本身并不是“方方正正”的，直角处是通过圆弧过度的，这就导致方钢管与蒙皮接触的边缘处会有3～5mm的缝隙，如果采用满焊缝或较长的断续焊，会导致焊接部位蒙皮紧缩、塌陷，蒙皮形成波浪变形，从而导致司机室平面度超差，达不到平面度要求，为了解决该问题，蒙皮与骨架内部的焊接采用对称密点焊，焊点长度25mm，即保证足够的焊接强度，同时减小了焊接变形。

对处于平焊、平角焊位置的焊缝，焊接电流可为140～150A，电压20～22V，保护气体流量以10～15L/min为宜。对处于仰焊、仰角焊位置的焊缝，应采用较小的焊接电流和短弧焊，保证焊接过程稳定，焊接电流一般不超过150A，气体流量比平焊、立焊时稍大些，以15～20L/min为宜。对处于立焊位置和倾斜焊位置的焊缝，必要时采用立向上或斜向上焊接，要注意控制熔池温度不要过高，焊接电流比平焊时小10%左右，采用短弧焊，可采用跳弧法控制熔池温度。对处于横焊位置的焊缝焊接电流可为120～130A，电压19～21V，保护气体流量取10～15L/min。对于立向下焊角焊缝，采用短弧焊，电流110～120A，电压18～20V，保护气体流量取10～15L/min。

六、平面度检测

在司机室总成组焊完成后，将司机室钢结构总成吊到检测平台上检查司机室平面度。司机室平面度在整个范围内不大于3mm为合格，如果发现有司机室平面度大于3mm，则需对上述司机室部件和司机室总成的组焊过程进行审查分析，找出失控的项点，进行纠正、预防。

七、总结

通过对钢轨探伤车司机室钢结构分析，选择了合理的分部件组焊方案，确认了合理可行的组焊工艺。采用合理的组装、焊接顺序和焊接工艺规范，在司机室部件和司机室总成组焊过程中分别控制影响司机室平面度的因素。通过实践，证明能够将司机室平面度控制在3mm之内，从而为后工序车体总成的组焊提供良好的基础。

参考文献：

[1]《焊接技术手册》、安旬钱在中（日）、山西科学技术出版社

[2]《焊接结构分析》、增源与一（日）、机械工业出版社

[3]《电焊工》、李继三、中国劳动出版社

[4]《焊接技术手册》、安旬钱在中（日）、山西科学技术出版社

[5]《焊接结构分析》、增源与一（日）、机械工业出版社

[6]《焊接冶金学》、张文钺、机械工业出版社