浅谈转向架构架侧架焊接变形控制

浅谈转向架构架侧架焊接变形控制

郭嘉明

中车大连机车车辆有限公司       辽宁大连      116022

摘要：采用 SYSWELD有限元分析软件，对转向架构架侧架在不同焊接顺序和方向上的焊接顺序进行了仿真计算，得出了不同焊接工艺下的梁体焊接变形结果。同时，考虑到侧架焊接的多工艺特征，采用工艺放量、装配反变形、模具定位预留变形量等手段，采用自动焊接技术，对侧架制造中的变形进行导向，使前期的焊接变形和后续的焊接变形能够相互抵消，从而达到对转向架构架侧架焊接变形的控制。

关键词：焊接变形；数值模拟；自动化焊接；焊接反变形

由于受到传统人工焊接工艺一致性和焊接一致性等限制，各种转向架构架焊接后发生了很大的焊接变形，尤其是转向架构架侧架，由于焊接造成侧架的弯曲和扭转，往往要通过力学矫正，甚至采用火焰矫正，才能使其在焊接过程中形成大的安装缝隙，进而降低焊接质量。梁体调梁虽能满足随后拼装的需要，但对组焊的品质有许多负面的影响，例如：多次调整梁式会导致梁的疲劳强度下降；若机械调整构架侧架，侧架受到压力后，则有焊接或母料开裂的危险；侧架调整将极大地限制企业的生产率。目前，由于自动焊技术的发展，对其进行研究是很有实际意义的。

1.转向架构架侧架工艺分析

1.1构架侧架结构

由于受到车辆整体结构的限制，车架的侧架一般都是伸长的箱形，是车架的重要组成部分。其基本部件包括：下盖板，内侧竖板，外侧竖板，内侧加强筋，上部盖板和外侧组合件，它们之间以焊接方式相连。

1.2构架侧架组焊流程

转向架侧架是一种多片钢板组合而成的箱形结构，其制作工艺复杂，包括：预制竖板、架体拼接、架体内焊、架体盖面、架体主焊缝焊合、侧架配件装配、侧架配件焊接等。在组装和焊接之前，需要对构件之间进行定点焊接，以提高构架的刚性并方便控制其焊接变形。

2.SYSWELD软件介绍

SYSWELD是一款以焊接工艺模拟和工艺优化为核心的计算机辅助系统，它包含了焊接向导和热处理向导，可以让使用者快速地了解该系统的使用方法，同时还可以优化焊接的热输入、速度、方向、顺序等。本项目针对目前国际上少数集成多种焊接方式的大型焊接仿真平台，从前端可行性评价、几何与工艺优化、工艺验证三个方面进行集成，形成了一套集前端可行性评价、几何与工艺优化、工艺验证于一体的完整的焊接仿真平台。该系统包括四大模块：专用网格剖分工具 VISUALMESH，焊接分析工具 SYSWELD，焊接装配分析工具，SYSWELD-焊接后加工工具。

3.不同工艺焊接变形模拟

3.1焊接方向设置

通过对侧架的设计构造进行详细研究，确定实际的焊缝布置方案，详见图1所示。从图1可以看出，方向1是传统上从工件中部往两侧进行的焊缝，这是一种常见的焊缝方向；方向2是从工件的两个端部往中心进行焊接；方向3将方向1与方向2组合，调节局部的分段焊缝；方向4与方向3相似，但是对应的位置方向相反。

图1 焊接方向假设

3.2焊接顺序方案

侧架的焊接工艺包括以下几个方面。第一， 内肋片的焊接序1是肋片和下盖板的焊接顺序，序2是肋片和内侧竖板的焊接顺序，序3是肋片和外侧竖板的焊接顺序。第二，主焊缝的焊接序4是上部盖体和内侧竖板的连接焊接顺序，序5是上部盖体和外侧竖板的连接焊接序列，序6是下部盖体和内侧竖板的结合焊接序列，序7是下部盖体和外侧竖板的结合焊接。（3）外侧配件的焊接外侧配件，其布置方式是：将侧架（不含连接件）视为一个完整的整体，其焊接次序可分成3种：（1）由左侧向右侧按顺序进行。（2）焊缝由中部往两侧进行。（3）采用由内到外的方式进行焊接。

3.3仿真计算

通过对上述焊接方向和顺序方案的模拟，获得了多个焊接变形的组合。由上述四个方向的内熔焊后的成形分析可知，在四个方向上所形成的熔合最终成形趋向相同。为了便于横向梁件的横向弯曲和纵向弯曲的比较，选取了一些参照点的资料进行了处理，得出了横向弯曲和纵向弯曲的变形。结果表明，在4个不同的焊缝位置，焊缝的垂直弯曲变形量为3.65毫米，3.76毫米，3.72毫米，3.71毫米。竖向弯曲最小的是1，最大的是2；侧弯曲变形量最小的是3，最大的是2。

4.焊接工艺优化

借鉴仿真计算结果，借鉴已有的侧架组焊成形变形规律，采取反向思考的思路：抛弃“尽量减少单道焊缝的变形”的思路，实现对侧架的焊缝沿预定的方向进行变形控制，使形成的侧架不需调整就能达到相关工艺的要求。

4.1立弯控制

对于垂直弯曲，因为在内焊过程中，接头的垂直弯曲与接头的垂直弯曲变形是反向的，但是其变形很大，配件在焊接过程中不能被补偿；另外，因为梁很大，模具本身重量会引起向下的挠曲，所以在装配梁时，先将中心的基准向上提升1.5 mm，然后再用机械手工进行内焊时，再将其调整到1.5 mm。

4.2旁弯控制

考虑到旁弯的影响，考虑到侧附件多位于外侧竖板一侧，故可参照竖向弯曲的方法，采用拼装逆变形及侧向位置参考悬挂量来控制。并结合焊接顺序，调节焊接方向，实现梁侧弯曲的控制。主要是：因为侧壁侧边配件都是分散在外部的，并在焊好后，两边会有一个往外弯曲的倾向，所以装配时要在端面朝里竖板一侧留下3 mm的反向变形，而在焊接的时候，要把中间支架的侧面外面吊起来3mm，然后往里压。该方法是按先焊肋和下盖板的焊缝，肋板和外侧竖板的接头，肋板和内侧竖板的接头，然后是由中心往两端1→3→2的焊接次序对焊缝进行连接。在主焊缝的焊接过程中，模具的位置和内焊腿的位置是一样的。采用预装配逆变形和导向焊相结合的方法，实现对随后配件焊接的变形补偿。上述焊接顺序和方向均由手动程序控制，达到自动焊接的目的，从而改善焊接的稳定性和变形的一致性。

结束语：

综上所述，通过建立有限元分析方法，实现焊缝成形过程的实时仿真和准确预测，为焊缝的优化设计和优化奠定基础，对焊接顺序和焊接方向进行调整，并采取逆变形和刚性固定等方法，能对大型构件的变形进行有效地控制。而对焊缝进行规划，基于其传统变形倾向，采用反向思想，对前期工艺进行反向变形，预留定位悬浮量，以实现对焊缝变形的导向，达到对随后的焊缝变形补偿，从而使得已焊后的零件无需调整。同时，采用全自动焊接的方法，可以确保焊接过程中的稳定性和变形的均匀性。

参考文献

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