铁路货车心盘焊接缺欠及对策

荀少宝、 王海、郭玉宇、谢怀臣、墨祥

中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002

摘要：在实际生产中曾遇到过因预热不规范，造成定焊缝开裂的问题，后通过加强预热过程控制等措施，使得该问题得以有效解决。整体式心盘座在铁路货车的应用越来越广泛，通过有效的工艺措施及合理的操作方法来保证其焊接质量，对提升铁路货车的运行寿命具有非常重要的意义。本文主要分析铁路货车心盘焊接缺欠及对策。

关键词：整体心盘座；局部预热；焊接顺序；焊枪角度

引言

火焰预热时，采用中性焰对铸钢件侧进行往复移动预热，有助于均匀受热，降低焊接时结构件的温度梯度。调节合理的焊接分数及焊枪角度，对保证焊缝的根部熔合非常重要。采用合理的焊接顺序，有助于降低整体的焊缝拘束，有效控制焊接变形。根据结构特点，采取合适的操作方式能有效保证采用整体式心盘座的结构的焊接质量。

1、结构及焊接性分析

整体式心盘座结构，整体式心盘座为铸造腔体结构，整体刚度较高，整体式心盘座与中梁或牵引梁腹板通过焊接实现连接，图2为某铁路敞车箱型中梁结构。整体式心盘座通过焊接组成铁路货车重要的承载结构（中梁结构、牵引梁结构），腹板材质为Q450NQR1高强耐候钢，板厚一般为12~14mm，焊接接头为异种钢接头，其连接焊缝设计为坡口复合焊缝，需多层多道完成焊接，且接头两侧的母材厚度、结构刚度具有较大差异，其焊接热传导具有很大的不均匀性，对焊缝具有较大的拘束作用。

焊接性分析，钢中的碳及其合金元素对焊接性都会产生影响，但碳的影响相对最明显。在研究合金钢时需要把钢中的碳和合金元素的含量换算成碳的相当含量来初略预测中碳钢的焊接性。通过对钢的碳当量进行估算，可以初步衡量出低合金高强度钢冷裂敏感性的高低，这对焊接工艺条件及过程控制的确定具有重要的指导作用。目前铁路所采用的整体式心盘座材质主要为符合AARM201标准要求的B+级（ZG25MnCrNi）、C级钢（ZG25MnCrNiMo），其化学成分如附表所示。根据国际焊接学会IIW推荐的碳当量计算公式计算B+级钢、C级钢的碳当量分别为0.45%≤CEB+级钢≤0.6%，0.56%≤CEC级钢≤0.76%。其碳当量大于0.45%，表明该类材料在焊接时具有较大的淬硬倾向。为了降低焊接时的冷裂倾向，需严格对铸钢侧进行局部焊前预热。

2、焊接难点及常见缺陷

整体式心盘座与中梁或牵引梁组成的焊接接头为角接接头，心盘座靠近冲击座侧与腹板连接焊缝为坡口对接焊缝与角焊缝组成的复合焊缝W3，心盘座下侧与下盖板、靠近底架中心侧与腹板连接焊缝为角焊缝W4、W2，心盘座上侧与腹板连接焊缝坡口对接焊缝W1，某敞车中梁整体式心盘座焊接结构如图3所示。整体心盘座结构设计焊缝厚度较大，需要进行多层多道焊接。通过对整体心盘座结构及焊接性进行分析，该类焊接结构不仅整体刚度大，而且铸钢件本身的焊接性也相对较差，具有较强的焊接淬硬倾向。在实际生产中，极易受预热参数、操作技能、焊接顺序、层（道）间温度控制等的影响，每个环节均有可能导致质量的波动，造成无谓的返工。整体式心盘座与中梁或牵引梁组成的异种钢焊接接头，采用气体保护焊工艺在实际焊接过程中常见的焊接缺陷有定位焊开裂、层（道）未熔合、咬边及角变形等。

3、焊接技巧及工艺要点

3.1工艺要点

第一，焊前清理。检查定位焊缝及焊缝周围≥20mm范围内的表面质量，确保检查区域无锈蚀、油漆、水份及油污等杂物，且定位焊无裂纹、凸起、咬边等缺陷，必要时采用砂轮机打磨清除。第二，焊前预热。通过对整体式心盘座的结构及焊缝性分析，其焊接淬硬倾向较大，整体刚度较高，焊前需严格按要求对心盘座侧进行局部预热处理，尽量使热量均匀传递，预热过程采用点温计进行监控。第三，层（道）间控制。多层多道焊时，需控制层（道）间温度小于200℃。除打底层及盖面层外，每层焊接完成后应采用小榔头轻轻敲击焊缝，以释放应力。第四，焊接顺序。考虑到采用整体式心盘座的中梁或牵引梁结构具有较大焊接拘束及焊接量，焊接时必须严格控制焊接顺序，降低焊缝拘束的同时，控制焊接变形问题。该类结构焊接时，需按以下顺序及要求施焊：①在平焊位焊接整体式心盘座上侧与腹板的两条坡口连接焊缝W1，需两名焊工对称同时施焊，焊接方向由内侧端向外侧端。②通过翻转使腹板面朝上，先焊接靠近底架中心侧与腹板连接角焊缝W2，再焊接靠近冲击座侧与腹板连接复合焊缝W3。③压装心盘后在平角焊位焊接整体式心盘座下侧与下盖板连接角焊缝W4。第五，角焊缝。焊接角焊缝时，需将焊枪略偏向耐候钢侧，控制焊枪与心盘座侧夹角为60°左右，以保证根部铸钢件的熔合。焊接电流及电压不宜过小，焊接电流控制230~260A，焊接电压控制26~30V。（2）工艺要点第一，焊前清理。检查定位焊缝及焊缝周围≥20mm范围内的表面质量，确保检查区域无锈蚀、油漆、水份及油污等杂物，且定位焊无裂纹、凸起、咬边等缺陷，必要时采用砂轮机打磨清除。

3.2优点分析

（１）对目前常用铁路货车心盘尺寸进行统计分析，采用通用化、模块化设计，平衡板装置适合多型号的产品。（２）采用轻量化、简易化设计，去除了原试验装置中的中枕梁结点部件、支撑架，大幅简化基座部件。（３）直接将基座上表面与水平面夹角设计为１．６°，与通过垫板调整为１．６°的方式相比，试件安装更加便捷，加载稳定性更好。平衡板、直线轴承、导柱可保证试验过程中下心盘处于水平状态，稳定性更好。（４）加载频率可满足相关标准规定的３～８Ｈｚ的要求。（５）列出的目前常用的８种规格上心盘，以每年各型号规格仅试验１件为例，如果使用原心盘试验装置进行心盘试验，需设计多套支撑架、平衡架，试验周期为１８４天。而使用改进型心盘试验装置只需设计１套平衡板装置、垂向导柱，按照标准中要求的最高加载频率８Ｈｚ计算，试验周期最短只需７０天，大幅降低了工装制造费用，提高了试验效率。

3.3焊缝起弧处操作方法

特别注意焊缝起弧处的操作，起弧时温度较低且有一个“挡板”阻挡，焊缝起头要熔合良好，必须达到一定温度，多层焊时焊道温度较高，而起弧处温度相对偏低。操作中，我们采取从距离焊缝起始部位15-20ｍｍ处起弧，然后回焊至起始处，再正常焊接，利用电弧热将起弧处预热，如此就能将端部母材熔合良好。填充层焊接时，起弧处因液态熔池堆积，容易流淌，形成冷焊，电弧需要在起弧处停留更长时间，以保证良好熔合。

3.4运条手法

心盘组焊为多层多道焊接，第一层焊接采用小幅度直线往返运条，主要是把焊缝根部燦合好，使熔池结晶速度减慢，非金属夹杂物有足够的时间从液态金属中上浮排出。填充层、盖面层焊接时注意对前层焊道进行清理，防止残留的溶淹在焊接后一道焊缝时形成夹淹，焊枪摆动幅度稍大于前一道焊缝，压低电弧，使其能稳定燃烧。

3.5强化设计方案

针对原试验装置存在的问题，本着通用化、模块化、精益化的试验工装设计理念，以改善不良状况为目标，设计制造了改进型心盘试验装置。与原试验装置相比，改进型试验装置去除了中枕梁结点部件，将上心盘试样直接与基座相连，基座上表面直接机加工出１．６°角的斜面。下心盘与平衡板连接，平衡板开多个连接孔，可适用目前所有型号下心盘。将原有支撑架、平衡架的模式改成垂向导柱加直线轴承的配合模式，使试验过程中施加载荷时下心盘保持水平。

结束语

通过焊接试验和实际批量生产检验，采用上述方法进行焊接，能够有效保证心盘焊接质量达到该产品技术要求，经检验焊缝合格率达到100％，降低了生产制造成本，取得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

1. 徐五一，等.B+级（ZG25MnCrNi）铸钢转向架副构架的焊接[J].电焊机.2008.3（38）：74-77.

2. 周振丰.焊接冶金学［M］.北京：机械工业出版社，1994.

[3]沈惠塘.焊接技术与高招［M］.北京：机械工业出版社，2002.