时速250公里标准动车组转向架构架自动焊接技术研究

时速250公里标准动车组转向架构架自动焊接技术研究

王凯南，吴坡，高德佳

（中车唐山公司机车车辆有限公司，河北 唐山066035）

摘要：针对时速250公里复兴号标准动车组转向架构架，分析了构架的结构特点，给出并分析了在实现构架机械手自动焊接过程中所遇到的工艺瓶颈，提供了突破转向架构架自动焊接技术的具体解决方案，保障了250标动转向架构架的焊缝质量，有效提高了焊接自动化率，对类似结构的构架自动焊接工艺具有较好的参考借鉴意义。

关键词：250标动;自动焊接;自动化率;制造工艺

0 引言

近年来，自动焊接技术开始在轨道列车制造领域普及，并在转向架构架的制造中发挥至关重要的作用。相比传统手工焊接，自动焊接具有焊接质量高、生产效率高、劳动强度低等优势，可明显降低人为因素对焊接质量的影响，但在某些应用场景，受制于工装、产品结构等因素，构架无法实现完全自动焊接。作为动车组主要承载部件，转向架在动车组运行过程不仅需要承载车体重量，还需承受来自轨道的激扰。而构架作为转向架的关键部件，需要将其它部件连接在一起形成转向架整体，尤其在复杂的服役环境下，构架焊接区域可能存在的几何形状突变以及气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷都将成为应力集中区域影响构架的结构安全进而关系到列车的安全性和稳定性。

以250标动构架侧、横梁连接处焊缝为例，其焊缝形式为S14V型对接焊缝，填充量大，半自动手工焊接的劳动强度高且后道工序的打磨量巨大，浪费人力物力的同时也不利于控制焊接变形和焊接残余应力。此外，产品不合格造成的返修也会影响生产周期和进度。若实现自动焊接技术的突破提升自动化率，那么其在保证产品质量的同时也可大幅提升生产效率，从而创造较高的效益。因此，本文基于中车唐山公司生产的250标动转向架构架，对其关键焊缝无法实现机械手自动焊接的原因进行了分析并逐一给出了具体的解决方案，实现了构架焊接自动化率的提升。

1. 构架基本结构

时速250公里复兴号标准动车组转向架构架为无摇枕、转臂式的轴箱定位结构，构架横、侧梁采用箱型焊接结构，两根侧梁、两根横梁组成H型结构，分为动车构架和拖车构架，如图1中所示。鉴于动、拖车转向架在功能上有所不同，动、拖车转向架构架在结构上也有些许差别。例如，动车转向架需配备电机、齿轮箱等驱动系统，所以动车构架设计有电机吊座，齿轮箱吊座等。而拖车转向架每个车轴上装有3片轴装制动盘，在构架上体现在制动横梁及夹钳吊臂等结构。其余结构动、拖车大致相同，不再赘述。

（a）动车构架               （b）拖车构架

图1 时速250公里复兴号标准动车组转向架构架

2. 自动焊接工艺难点及其解决方案

2.1拐角焊缝不停弧连续自动焊

目前，行业内普遍采用机械手焊接长直焊缝，而在焊缝拐角位置则需要频繁的起弧收弧，并无拐角连续自动焊接应用先例，如图2中所示。此时，在焊缝的拐角位置极易出现焊接缺陷，应力集中等问题，另外在焊接完成后还需要手工打磨起收弧位置、手工焊接后再修磨。显然，该过程工序流转多，劳动强度大，耗时费力，同时机械手焊接量小，焊接自动化率低。

图2 拐角处多次起收弧焊接

为攻克上述问题，实现拐角焊缝的不停弧连续自动焊接，从以下三个方面入手进行了分析。首先，在焊枪精确控制方面，制作了细分网格作为辅助，通过精确控制试验变量，增强了焊枪的控制精度，为连续不停弧提供可行性，如图3中所示。

图3 细分网格控制

在焊接接头方面，将不可避免的焊缝接头设置在平直位置，最大程度降低应力集中，且方便打磨、探伤。在焊接接头处采用“盖面层--填充层--打底层”焊缝依次错开15-25mm的焊接方法，可有效降低打磨量，具体如图4中所示。

图4 接头位置焊接方式

在焊接工装方面，通过改变焊接工装的压卡位置，避免压紧装置阻挡机械手焊接空间，使机械手可顺利完成整条焊缝的自动焊接。

图5 工装压卡方式

如下图6中所示，通过上述三种解决方案，实现了侧梁端部下盖板与帽筒连接焊缝一次自动焊接成型，避免了机械手焊接后手工打磨、焊接再修磨，每条侧梁节省工时2小时。另外，拐角焊缝交汇处无接头，避免了应力集中，有效减少了焊接残余应力，最大焊接残余应力仅为193MPa，焊接接头数量由16个减少为4个，一次探伤合格率达到100%。

图6 效果对比

2.2动车构架锻件自动焊接

限于设备、场地、工装以及编程等各方面因素，动车构架三次组装件采用手工焊接的方式，但存在较为明显的缺点。首先，由于构架三次组装件数量较多，仅横梁上盖板上需要点固焊的位置就多达36，焊接过程中容易出现丢焊的情况；其次，焊缝多为L型和T型焊缝，双HV型坡口，衔接部位容易出现熔合不良，焊缝不饱满等缺陷，在加上焊接人员变数较大，焊接过程容易出现焊接顺序不一致等问题，进而出现焊接变形大、焊缝未融合等缺陷。

为此，借助离线编程，通过编制大量程序实现了自动焊接，总步数多达2200步左右，约为整个侧梁外焊缝焊接程序的5

倍。同时，对点固焊加以控制，使点固焊的长度均控制在25~30 mm范围内，点固焊的深度不大于4 mm。具体实施过程及焊缝改善效果如图7中所示。

图7 点固焊控制过程及效果

2.3变截面焊缝自动焊接

250标动侧、横梁连接处焊缝形式为S14V型对接焊缝，质量等级为CP B，焊后需100%MT+100%RT。以往通过焊接工作试件培训的方式挑选技能较高的焊工焊接此焊缝。由于是曲面结构，一道焊缝需分成三段，每段焊缝至少有两处接头，接头位置易产生未熔合和气孔缺陷。为此，充分利用现有自动焊接设备及工装，通过编制程序实现枪机联动，使焊接位置始终保持最佳，一次成型后焊接接头数量降至0，一次交验合格率达到100%，有效减少了打磨时间，具体如图8中所示。

图8 变截面焊缝自动焊接

3.构架焊接自动化率提升

焊接自动化率的统计方法如图9中所示。以节拍13-250侧梁左四次机械手焊接为例，焊接部位为转臂定位座，填满坡口的层道数量为三层三道，每层焊缝的长度为3904mm，总长即为11712mm。其中，机械手焊接的总长度11712mm，则此部位的焊接自动化率为100%。

图9 构架焊接自动化率统计方法

通过采用上述自主开创的“枪机联动、摆幅渐变、编程辅助网格”等方法，攻克变截面焊缝、拐角焊缝连续不停弧自动焊接难题，在提高焊接自动化率的同时，将关键焊缝一次探伤合格率提升至99%。图10中所示为按照上述统计方法统计的动、拖车焊接自动化率。其中，两构架的侧梁组成结构无明显差异，其焊接自动化率均为92.22%；拖车横梁受制于结构形式的原因，大部分焊缝无法进行机械手焊接，其焊接自动化率仅为31.04%；动、拖车构架组成的自动化率区别不大，均在93%左右；与横梁组成相同，动车构架总体的自动化率明显大于拖车构架总体。

图10 动、拖车构架焊接自动化率统计

4 小结

本文介绍了时速250公里复兴号标准动车转向架构架在实现自动焊接过程中所遇到的工艺难点，对提高自动焊接过程中遇到的工艺瓶颈进行了具体分析，并针对其工艺问题给出了解决方案。通过生产实践证明了上述工艺方案的有效性，提高了焊接自动化率和焊缝质量，同时，为相似车型构架自动焊接工艺的制定提供了有益的借鉴和经验。

5参考文献

【1】姜斌，宋学毅，臧宗波,等.250kmh动车组转向架构架制造技术[J].城市轨道交通研究，2015.06.016

【2】郑栩.中国时速250公里标准动车组转向架构架可靠性研究[D].北京交通大学，2020