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一种焊接连接板的设计与应用

      来源:《现代焊接》2014.9 作者:崔岩 董世康 樊强 安博??? 时间:2014-09-23 14:04:26

摘要:本文针对角接焊缝在实际生产中容易出现高应力集中区导致的断裂及焊缝影响因素较复杂等多种问题,设计了一种焊接连接板,这种连接板在不影响结构特征的前提下,实现了将角接焊缝转化为对接焊缝,充分发挥了对接焊缝的强度高、焊接质量稳定等一系列优点,为以后此类问题的处理提供了一种解决方法。 关键词:连接板;应力集中;角接焊缝;对接焊缝

?1前言焊接是轨道客车生产中是必不可少的环节,焊接结构件大量应用于轨道客车制造的转向架、车体等部位,焊接结构的安全与否对轨道客车有着不言而喻的作用[1]。其中转向架更是轨道车辆的关键部件,其焊接结构的焊接质量决定了车辆的最终性能。本文旨在设计一种焊接连接板,通过对连接板的使用将原有的焊接结构进行优化,并将其应用于实际生产中,提高焊接质量,保证了客车在快速运行中的安全性。

2铁路客车焊接中出现的问题及原因
目前,轨道客车高速化的发展方向对转向架的焊接结构也提出了新要求,作为列车走行部件的转向架一旦出现断裂现象,会造成重大危害。因此,生产过程中确保转向架的焊接质量有十分重要的意义[2]。图1为209P转向架经过运营一段时间后,在侧梁与横梁连接处角焊缝裂纹的状况。
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图1某型转向架侧横梁连接处失效图
从技术图纸可知,侧梁与横梁连接处的角焊缝属于关键焊缝,构架在焊接完成后对此处进行了100%磁粉及超声波检测,检测结果完全符合要求。然而从图中可以看出,在侧、横梁处的角焊缝却发生了撕裂,在焊趾处出现明显的裂纹。这是由于焊接过程是一种非均匀的热膨胀和收缩过程,被焊工件焊后会产生应力和变形,结构形状的弯曲或不连续,使得在焊缝处失去均匀性后在结构弯曲处产生高应力区[3,4]。而角接接头焊缝恰好处于结构形状的弯曲部位,该部位存在高应力集中区,同时角接接头是一种能使力流偏转的连接焊缝,进而使得内部产生更严重的应力集中,在凹角处会产生强烈的缺口效应,导致在使用中经常在焊趾处出现裂纹,使得构架的强度和韧性下降,抗疲劳性能下降,直接影响了焊接产品的服役性能,因此导致了图1出现的情况[3,5]。除此之外,如果将焊缝设计在两工件的拐角处,在整个制造中也存在较大困难,如对装配要求较高、对焊工焊接水平要求较高等。
为了改善这种情况,设计者们在某些部件连接处的高应力区进行了加强处理,如加强衬套等。图2所示为CW-200K侧梁与横梁管的连接,从图中可以看出,在经过侧梁与横梁管三层三道的焊接后,为了避免在它们的结合处出现由高应力集中引起的裂纹,在焊后需要进一步加强,因此通过加强衬套将侧梁与横梁再次连接去保证它的承载强度。
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图2 CW-200K转向架侧梁与横梁连接处
然而这样焊接难度较大,焊后出现较多问题,焊接中横梁与侧梁、加强衬套与侧横梁之间的焊缝经常出现咬边、未熔合等焊接缺陷,焊后打磨难度增加。同时由于焊缝在这些较小的区域相对集中,焊缝受到强制的束缚后,焊缝相互之间会造成更大的焊接应力,因此可能起到相反的作用。


3连接板的设计及应用
针对上述出现的问题,如果能设计一种方案,既能避免焊缝出现在高应力区,又能实现焊缝的对接形式,发挥对接焊缝焊接容易等较明显的优势,就会使焊接质量更加优异,减少一些不必要的工序,进而显着的提高生产效率,企业会获得更大的经济效益。
为此,本文设计了一种焊接连接板将角焊缝的焊接结构转化为对接焊缝的形式,为以后此类问题的处理提供了一种解决方法,尤其对于企业的实际生产具有重大意义。通过对焊接结构进行优化设计,达到消除角焊缝缺点的目的,提高焊接结构质量和整体品质,从而很大程度上增加焊接结构的强度和抗疲劳性能,使得焊接结构的安全性和经济性有了极大地提高,同时生产效率也有明显提升。
3.1焊接连接板的设计
????图3为本文所设计的优化焊接结构连接板方案,它的目的是将角焊缝通过连接板的形式转化为对接焊缝,避免焊缝出现在高应力集中区。图3为它的具体示意图。


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图3改进型连接板示意图
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方案一:对件A和件B进行优化设计,通过在拐角处新设计出一个件C,件C通过机加工后进行相应的折弯或机加工处理,为了减少应力集中在拐角处加工为圆滑过渡形式,这样将原定的件A与件B的焊接,设计为件A、件B与件C的焊接,如图3所示。通过连接板C的作用,将最初件A与件B的角接转化为件A与件C、件B与件C的对接焊缝。

方案二:将件A和件B结构进行调整,通过机床或折弯机对件A或件B在某一合适位置进行加工或折弯处理,加工或折弯的拐角同样呈圆滑过渡,使件A或件B具备拐角处结构的同时也避免高应力集中,从而使其与件B或件A的焊接位置为距离拐角一定距离的位置,如图4所示。这样同样实现了用对接焊缝替代端头角焊缝的目的。

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图4改进型连接板示意图
3.2焊接连接板的实际应用
图5为CHR350的侧横梁连接处的焊缝实例。从图中可以发现,件3与件1的连接是通过连接座件2来实现的,件2连接座通过机加工而成,这种结构与方案一的结构完全吻合。在实际的生产制造中,通过对连接座件2的使用,件3与件2的焊缝变为对接焊缝,同样件1与件2之间的焊缝也是对接焊缝,这样它们之间的焊接强度更大,焊接应力集中变小,装配质量更加容易控制,同时连接座件2通过机加工后,在弯曲处通过圆滑的形式过渡后,避免了应力的集中,使列车在行驶中力的传递平稳进行,增加了抗疲劳性能,进而增加了转向架的使用寿命。
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图5 CHR350型动车转向架侧横梁连接处
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图6为侧梁与抗蛇形减震器座的结构,它的结构与方案二是完全相同的,即通过将侧梁上盖板进行机加工后与抗蛇形减震器座相连,作用与上述基本相同。

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图6 CHR350型动车转向架侧梁与牵引拉杆座连接处
接焊缝转化为对接焊缝,从一定程度上减少了焊接应力,提高了接头的抗疲劳性能。其次,在焊接过程中,焊接变形是不可避免的,特别是针对一些复杂焊接结构,往往大量的时间要用在矫正其焊接变形上,由于对接焊缝的变形影响因素较少,所以通过这种形式的连接,使焊接变形更容易控制,这样连接后变形量更加容易去计算,只要通过预先的反变形处理,就可得到较理想的焊接质量。最后,通过连接板的使用,可以保证装配的质量,避免了角焊缝的装配质量不易控制等因素。

4结束语
通过分析可知,本文所设计的连接板最大优点就是在不影响结构特征的前提下,通过连接板的使用对焊接结构进行调整,避免了焊缝出现在高应力区,同时避免了角焊缝的出现,从而避免了角焊缝的焊接强度低、应力集中等各种缺点,而出现了更多的对接焊缝,进而充分发挥了对接焊缝焊接结构强度高、焊接应力小、变形易控制、焊接装配难度小等一系列优点,显着提高了焊接产品质量和生产效率,对企业的实际生产具有重大意义。

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