转向架构架焊接变形预测与控制工艺研究

在进行焊接操作的过程里，因局部高温热源所产生的作用，构件不可避免地出现焊接变形的情况。而这样的焊接变形，一方面会对转向架构架的尺寸精度带来影响，另一方面还有可能致使其内部残余应力出现分布不均的状况，进而使得结构的疲劳寿命有所降低。随着轨道交通技术持续不断地向前发展，对于转向架构架所提出的轻量化以及高性能的要求变得更高。因此，针对焊接变形展开预测以及控制工艺的相关研究有着十分重要的现实意义。

一、转向架构架焊接变形的原理

焊接是颇为复杂的热与力相互耦合的过程。当焊接所用到的热源作用在焊件之上的时候，焊缝以及其附近区域的金属会快速地被加热到比较高的温度。因为热膨胀的缘故，该区域的材料便会产生热应变的情况。不过，周围处于低温状态的区域材料会对其形成一种约束作用，对热膨胀起到限制效果，使得热应变没办法完全不受约束地自由发展，进而就产生塑性压缩变形。在接下来的冷却环节中，这一部分已经产生的塑性压缩变形就保留下来，最终导致焊件出现残余变形。依照变形出现的时间来划分，焊接变形能够被分成瞬态热形变以及残余变形两种类型。瞬态热形变是在焊接过程当中实时就会发生，而残余变形则是在焊接完成并且焊件冷却到室温之后依然是存在，还会对转向架构架最终的尺寸精度以及性能都产生一定影响。

二、转向架构架焊接变形的预测方法

2.1 解析法

解析法是在 20 世纪 50 年代逐步发展形成的一种焊接变形预测之法，其涵盖转位论、固有应变理论等内容。该方法会针对焊接过程里出现的各种物理现象展开理论剖析以及数学推导，进而构建起用描述焊接变形情形的数学模型。就拿固有应变理论来说，它会把焊接热输入所引发的近缝区收缩状况以应变的形式施加到近焊缝区上，再凭借理论计算的方式去分析焊接残余应力以及变形的具体情况。不过，解析法在构建模型时，会对实际的焊接过程做简化处理，过多考量残余应变，并且还假定固定应变的各个部分都具有弹性特征，把转向架各部件相互间的数学关系给理想化。这使得解析法在应用中受到一定限制，一般仅能用于预测某些特定结构和简单焊接条件下部件的焊接变形。

2.2 数值模拟法

伴随计算机技术快速发展，数值模拟法在焊接变形预测已获得广泛运用。数值模拟法依据转向架构架真实的结构状况以及具体的焊接工艺情形，构建起精准的数学模型，同时挑选适宜的算法，凭借计算机所具备的强大计算效能来展开模拟分析活动。在模拟进行期间，抽取转向架构架关键的模型特征，进而确定与之相对应的控制方程，通过这样的方式去描绘在焊接这一过程里构件内部温度场、应力场以及应变场的动态改变状况。借助数值模拟，能够非常直观地观测到焊接各个阶段当中的变形具体情形，提前知晓焊接变形的趋向以及变形的量值，从而为焊接工艺的优化给予有力的支撑依据。数值模拟法是可以有效应对复杂结构以及多种焊接工艺条件之下的焊接变形预测相关问题的，极大地提升了预测的精准程度与可靠程度，在当代转向架构架焊接变形预测领域占据着十分重要的位置。

三、转向架构架焊接变形的控制工艺

3.1 优化焊接工艺参数

合理选择焊接电流、电压以及焊接速度等各项参数，能够有效地对焊接热输入量加以控制，减小焊接变形的程度。在确保焊接质量能够达标的前提下，应尽可能去采用相对小一些的焊接电流，搭配相对快一些的焊接速度，通过这样的方式来促使单位时间内的热输入得以降低。除此之外，对焊接顺序进行优化。依据转向架构架自身所具备的结构特点，采用如对称焊接、分段焊接等方法，从而使得焊缝所产生的热影响能够相互之间起到抵消的作用，进而让整体的变形情况得以减少。在对焊接侧梁开展焊接时，可以先从中间朝着两端的方向，以对称的方式去焊接内筋焊缝，之后再去焊接外体焊缝，这样做就能够有效地对侧梁所出现的弯曲变形情况加以控制。

3.2 采用合理的焊接工装夹具

焊接工装夹具在焊接这一过程里，能够对焊件给予刚性约束，从而对其变形加以限制。当着手设计专门用于焊接的工装夹具时，务必要周全地考虑转向架构架具体的结构形状以及焊接工艺方面的各项要求，要保证夹具可以给予充足的刚性支撑，并且还不能对焊接操作产生任何影响。在对横梁进行焊接操作之时，借助定制而成的刚性胎具来固定横梁，让横梁在焊接期间没办法自由变形，如此便极为有效地控制住横梁出现的扭曲以及弯曲变形情况。

3.3 运用反变形法

反变形法依据经验或者数值模拟所获结果，事先对焊接变形的规模大小以及具体方向做出预估，在开展焊接装配这一工序时，给焊件施加一种人为变形，该变形在方向上与预估的变形方向恰恰相反，且在大小方面和预估变形是相等。待焊接工作完成以后，焊件实际产生的变形便会和预先施加的反变形彼此相互抵消掉，如此焊件就能达到设计所要求的那种尺寸以及形状。就转向架构架侧梁焊接来讲，经由数值模拟能够知晓侧梁在焊接完成之后会出现一定角度的下挠变形情况，那么在进行装配的时候，就把侧梁预先往上抬起一定的角度，以此来预留出反变形的量。等到实际焊接结束后，侧梁所出现的下挠变形和预先设置的反变形就会相互补偿，进而满足尺寸精度要求。

结论

转向架构架焊接变形的预测以及控制工艺，属于轨道交通车辆制造领域当中极为重要的一项技术。若能对焊接变形产生的原理以及诸多影响因素有充分的了解，并且综合运用解析法、数值模拟法等多种预测方法，能够相对准确地对焊接变形情况予以预估。在此前提之下，采取像优化焊接工艺参数、采用合理的焊接工装夹具、运用反变形法等一系列的控制工艺举措，可以切实有效地降低焊接变形的程度，进而提升转向架构架的制造精度与质量水平。

参考文献：

[1] 崔瑞杰 . 中梁焊接变形数值仿真与焊接疲劳数据库开发 [D]. 大连交通大学 [2025-07-21].DOI:10.7666/d.y1644742.

[2] 刘光洁 . 转向架构架焊接变形数值模拟研究与应用 [D]. 吉林大学[2025-07-21].DOI:CNKI:CDMD:1.1015.591036.