枢轴型道岔梁的焊接变形控制

摘 要：随着我国城市轨道交通的不断发展，单轨交通作为一种短距离、适应中小客流的轨道交通系统，具有建设费用低、噪声小、适应性强等方面的优点。而道岔作为轨道交通系统的重点设备，制造精度要求极高，因此研究道岔关键部件制造工艺特别是主梁控制焊接变形具有重要意义。本文重点研究了如何控制一种枢轴型道岔梁焊接变形。

关键词：道岔;焊接变形;控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.001

1 背景及工程概况

道岔作为线路转换的连接设备，是一种使机车车辆从一股道转入另一股道线路的过渡装置，通常在车站及编组站大量使用。单轨道岔可以分为关节型道岔和关节可挠型道岔两种。下面介绍一种枢轴型三开道岔。

该道岔主要由一根道岔梁组成，通过驱动装置的动作可使道岔梁整体转辙，实现与相邻线路的PC梁连接，从而改变车辆行驶线路。道岔梁设计为箱形钢结构，长20.92m，宽0.69m，高1.24m。其顶面钢板为走行板，板厚20mm;梁的两侧为腹板，腹板板厚为14mm;梁体内部设有中隔板、短隔板和腹板加劲板;梁底为开放结构不设底板，底部台车、驱动装置、连杆安装位置局部加设厚度为16mm的连接板。如图1、图2所示。

由于装配需要，道岔梁的基本尺寸如高度、宽度、长度、对角线差、旁弯、上拱和扭曲等值要求非常精确，具体要求见表1。

2 道岔梁焊接变形控制

2.1 道岔梁焊接变形

根据以往箱形杆件焊接变形经验，大型杆件焊接发生变形主要有收缩变形、弯曲变形和旁弯变形三种变形。

2.1.1 收缩变形

收缩变形作为焊接变形的一种形式，是指焊件尺寸比焊前缩短的现象。焊缝的冷却过程是焊缝由液态转化为固态的过程，转化过程中将产生焊接应力和焊缝体积缩小的现象，从而导致焊后焊接件外形尺寸减小。收缩变形主要发生在简单结构的焊接中，由于焊缝数量少、焊缝的方向基本一致，使得各条焊缝收缩的方向一致，焊后仅出现收缩变形。

2.1.2 弯曲变形

弯曲变形是由多条焊缝的内应力和收缩变形结合的最终结果，多发生在焊接件外形细长且横截面的上下尺寸相差较大或者焊缝分布不对称，以及焊接次序不合理的焊接件中。

2.1.3 旁弯变形

旁弯变形是大型结构件焊接中最突出的焊接变形，由于大型结构件多数是框架结构，焊缝布置不对称、板件尺寸不均匀、焊缝布置不规律，致使焊缝内应力的方向不一致、大小不均匀，焊接件变形的位置与方向难以预测，最终呈现扭曲变形。

2.2 焊接变形控制

针对道岔梁的变形特点和焊后基本尺寸要求，制定一系列措施控制变形。

2.2.1 设计工装固定

设计焊接胎架，如图3，箱体内部增设工艺隔板，端部设置封板，将结构件处于约束的状态下进行装配、焊接，进而控制焊接变形。

将预拱调平块的间距设置为1个/米，增加调平块的布置密度，以直代曲以提高胎具起拱度的精度。

2.2.2 确定焊接工艺参数

采用合理的焊接工艺参数，如焊接电流，电弧电压，焊接速度等等都可以一定程度地减少焊接变形。根据工厂及现场焊接实验数据确定，通过采用较小的线能量输入，小电流、快速焊，多层多道焊等措施严格控制层间温度，以达到减小熱输入产生的内部拘束应力和焊接变形。本工程具体焊接参数设置为：焊接电流260～280A，电弧电压 30～32V，焊接速度24～27m/h，热输入10.4～13.4KJ/cm（不能超过15.8KJ/cm），层间温度80～200℃。焊接时分层对称焊接，每层焊缝必须连续完成，层间焊缝必须打磨见金属光泽，冬期施焊时边加热边焊接，不能中断。

2.2.3 设置反变形参数

由于焊缝在冷却过程中收缩，导致焊接后工件外形尺寸减小，为了弥补焊接中产生的收缩量，在大型结构件的生产中常采用此方法。反变形法是在生产中预先制造一个反变形量，使得这个变形量与焊后发生的变形方向相反而变形量基本相等。

同时根据钢箱梁焊接收缩的实验数据推导出箱梁焊接收缩经验公式，并通过公司多座整体节点钢箱梁测量数据验证。其收缩量与箱梁截面大小成反比，与焊缝熔敷量、线能量大小、梁长等成正比。经验公式已在公司的整体节点钢梁制造中大量应用。

箱形杆件旁弯经验公式并确定经验系数：

f：构件旁弯（mm）;

a：埋弧焊变形经验系数，a=6.5×10-3;

e：焊缝塑性变形区中心与截面中心轴的距离（mm）;

Aw：熔敷金属截面积（mm2）;

L：构件长度（mm）;

I：构件惯性矩（mm4）。

因此，为了保证焊后尺寸在公差范围内，我们采用反变形法，基于上述经验公式，我们在下料时将主梁腹板在高度方向进行预拱，其预拱值确定为1/1000mm;长度方向预留1/1000mm的焊接收缩余量，如图4所示。

2.2.4 确定装配焊接顺序

选择合理的装配焊接顺序，可以纠正焊接变形，焊接的时候受应力作用焊件会变形，采用不同焊接方法、改变焊接顺序和方向，可以使应力相互抵消。总的原则：一般先焊接变形较大的焊缝，再焊接变形较小的焊缝。对于较长的焊缝可以采用分段焊接，对称焊接等。埋弧焊一般采用逆向法、退步法;CO2气体保护焊及手工焊采用对称法、分散均匀法;编制合理的装配焊接顺序的方针是“分散、对称、均匀、减小拘束度”，合理的采用跳焊。

对构件整体而言，在焊接每一阶段内取得焊接热量的均匀分布。减小焊缝在焊接时的拘束度是指在焊接较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝;先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝以达到减小焊接应力的目的。

2.2.5 焊前、焊后处理

冬季厂内环境温度低于20℃时，焊前需对焊件进行预热处理，将主焊缝周边区域的焊件加热到200℃以减小焊接接头的淬硬倾向。

焊接完成后：一是对焊件进行保温处理，将主焊缝区域逐步加热至200℃，并保温一段时间，再采用棉布进行覆盖自然冷却至常温。

二是将梁整体进行振动时效处理，减小焊接应力，从而减小焊接变形。

2.2.6 自动焊注意事项

a. 层间温度不大于200度。（在焊接过程中需要频繁测量）。如果温度超过200℃必须停止焊接作业，待在预热温度及层间温度达到规定后再进行焊接。

b. 预热人员应注意结构件加热过程中温度的变化，采用不断停电、通电的方式方法控制预热温度。

c. 在热状态下如果发生节段旁弯，目测约为5mm时，应停掉弯曲构件的内侧焊机，外侧焊机继续焊接以校正旁弯，待旁弯在5mm以内时再启动焊接机，停机与旁弯的关系如下图所示：

d. 在焊接热状态下如果发生节段下挠，下挠偏离不得超过5mm，可通过提高节段下部预热板的加热温度纠正构件，（如果发生上拱，则需降低节段下部预热板的加热温度），如下图所示：

e. 箱体在整个焊接过程中，利用焊接的热量及预热板热量的不断调整使箱体上下垂直扰度及旁弯始终控制在约为5mm范围之内，以确保箱体的完工公差达到要求。

3 结语

焊接变形本身就是很复杂的课题，由于道岔梁的尺寸和自身质量大、焊缝分布复杂，控制焊接变形更加困难。针对道岔梁主要容易产生收缩变形、弯曲变形和扭曲变形的特点，通过采用工装固定、工艺参数选定、焊接顺序选定、反变形法和焊前焊后处理等一系列方法，综合解决了焊接变形控制难题。这些方法在其他大型结构件的焊接变形问题上具有借鉴意义。

参考文献：

[1]GB 50017-2003钢结构设计规范[S].

[2]GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[S].

[3]左延红，王双平.大型结构件焊接变形控制方法[J].焊接技术，

2008.

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