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汽车车架疲劳断裂损坏的焊接修复
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:7/19/2007 阅读:26069

 

 

 

汽车车架疲劳断裂损坏的焊接修复

 

 

 

 

 

(江门三菱重工空调器有限公司,广东 江门 529100

 

摘要:详细分析了车架疲劳断裂损坏的原因,介绍了车架的焊接修复事项、要点和焊接工艺,并例举了车架裂纹的修复实例。

关键词:汽车车架;断裂损坏;焊接修复

中图分类号:TG455      文献标识码:B

 

 

1  车架疲劳断裂损坏的原因分析

车架是汽车的主要承载件,汽车处于静态时,车架所受载荷为静载荷。它包括车架和车身的自身质量及安装在车架上各总成与附件的质量,有时还包括乘客和行李的质量。汽车处于动态时,车架承受的载荷为动载荷。汽车在平坦的道路上以较高车速行驶时会产生垂直动载荷。这种载荷是在行驶条件和车辆运行状况都良好的情况下产生的。它的大小取决于作用在车架上的静载荷及其在车架上的分布,同时还取决于静载荷作用处的垂直加速度值。受这种载荷作用,车架会产生弯曲变形。汽车在崎岖不平路面上行驶时,前后几个车轮可能不在同一平面上而产生斜对称动载荷。这种载荷主要是汽车在不平道路上行驶时产生的,其大小取决于道路不平整度以及车身、车架和悬架的刚度。受这种载荷作用,车架会产生扭转变形。

汽车的作用工况不是固定不变的,而是受道路条件、气候条件及其他因素影响而产生相当频繁且无规律的变化。因此,除以上两种外,车架还将承受其他一些动载荷的作用。例如,当汽车加速或制动时,会导致车架前、后部分的载荷重新分配;汽车转弯时,离心力将使车架受到侧向力的作用;车架上各总成工作时产生的力;经常行驶于恶劣路面的汽车,还承受冲击载荷的作用等;当前一轮正面撞在路面凸包上时,将使车架产生水平方向的剪切变形;安装在车架上的各总成工作时所产生的力等。这些无规律且不断变化的载荷引起车架变形形式和状况是随机的。因此,车架的基本变形除了纯弯曲、纯扭转变形外,还有弯曲与扭转的复合变形。通常车架承受的是无规律的交变重复载荷,车架的损坏主要是疲劳损坏,其主要形式是断裂,而疲劳裂纹则起源于纵梁或横梁的边缘处。

2  车架的焊接修复事项

发现纵、横梁开裂,应及早修理,避免裂纹扩展,增加修复难度,甚至引起相关零件的损坏。焊修时,裂纹处用锯条开槽,再凿开坡口凹槽,并在裂纹尽头钻小孔,然后进行焊接修复。焊条强度与材料强度要匹配,补焊时,不得有气孔及缺陷;补焊后边缘处应仔细修磨光滑,必要时可再添一块加强板贴焊或铆上。车架铆钉松动时,先用扁铲和锤子将铆钉除掉,然后将铆钉加温后重新铆合。无铆合条件的,可用M12细牙螺栓装上(涂厌氧胶)拧紧,以防松动。

车架的修复通常是通过对有关部位的模型区域进行加热来实现的(使用乙炔焊炬)。加热后,此区域温度约为600680。已经加热的部位,不可再加热。经过加热的部位应任其缓慢地自然冷却,不能用水、压缩空气等加速冷却。对车架纵梁弯曲处上、下表面上的模型区域进行加热,可矫正车架的侧向弯曲。位于两个模型区域之间的车架纵梁侧面,也应予以加热,但应在最后进行。对车架梁侧面上的模型区域进行加热,可以矫正车架垂直方向的变形。如果车架向下弯曲,模型加热面应在下部,反之则应在上部。在车架纵梁上与该加热面相连的矩形区域也应予以加热,但应在最后进行。在对车架进行焊接修复前,应先拆下蓄电池负极的接线,并将焊机的地线直接连接在待焊接的零件上。对焊接部位附近的非金属件应拆去或施以保护。焊接只能由受过专业培训的焊工进行,以确保焊接质量。

焊接时,先去除焊接部位的油漆和氧化层,沿着整个损坏长度在纵梁的内表面切割出60ºV形坡口;焊接前应加热待焊部位,然后用干燥的碱性焊条分几次进行电弧焊,或用适当的材料施行MIGMAG焊。应避免超负荷焊接,焊缝上不应有毛边和焊渣;按照上述作法,焊接切口的另一面;让焊接部位缓慢而均匀地冷却,不可用压缩空气、水等加速冷却;用砂轮磨去多余的焊肉;内加强板要用与车架材料性能相同的角钢。角钢只能固定在纵梁的两个垂直面上。固定的方法可以是焊接,也可以使用骑马钉、螺钉或铆钉进行连接。焊缝的长度和个数,以及骑马钉、螺钉或铆钉的数量和分布,应足以传递这一区域的弯矩和扭矩。在纵梁外形有变化的区域,或在应力集中的地方,严禁切割。在对车架进行焊接、钻孔、磨削和切割时,如果附近装有制动管路(尤其是软管)或线束时,则应采取必要的保护措施,或者将它们拆除。对所有修复后的零部件,均应采取防氧化或防腐蚀的措施。在对有关零部件实行油漆等防护措施时,应严格遵守油漆制造商的规定。

3  车架的焊接修复要点

车架变形较大时,可用专用工具设备冷矫。车架裂损可用扁铲在其裂痕处铲出V形凹槽坡口,并在裂纹尽头钻小孔,然后再用焊条焊好。焊条强度要与材料强度相匹配,焊修不得有气孔及缺陷,边缘处应修磨光滑,焊后再添1块加强板贴焊或铆上。发现车架裂损应及早焊修,避免因其扩展而增加修理难度,甚至引起相关零件损坏。可用加强板贴焊或铆上;如铆钉松脱可将铆钉加温重新铆合。轿车车架的矫正可借助一些车体矫正装置,其可在轿车车体不解体的情况下,通过测量车体上规定点的三维坐标值并与标准值进行比较,找出车体的变形,然后用附带的拉、压装置进行矫正。汽车车架的纵、横梁在检测过程中若发现裂纹或断裂,连接纵、横梁和装置件的铆钉错位、松动或断裂等,应予以修补或铆接。就车架纵、横梁的修理方法而言,有挖补、对接补焊与帮补等。如铆钉出现问题,一般应清除失效的旧铆钉并重新铆接。

1)挖补修理

车架挖补修理是将纵、横梁裂纹部分挖掉,然后用对接焊的形式焊补一块材质及厚度与原来车架相同的嵌接钢板。采用挖补修理时,首先要清除车架上的旧漆层及锈蚀,检查出裂纹的长度和方位。然后根据裂纹的性质和部位,确定挖补的形式与大小,并采用手工气割的方法切割出挖补孔。修理中常采用的挖补形状有椭圆形、三角形、菱形、矩形等。一般情况下,挖补孔应能将裂纹全部除去。对车架纵、横梁上、下平面和侧面上出现的横向裂纹,纵梁侧面上的纵向裂纹或纵梁断裂,都可采用椭圆形或三角形挖补进行修理。车架纵、横梁侧面上出现横向、纵向裂纹时,可以考虑用菱形或矩形挖补进行修理。

2)对接补焊

车架纵梁上的某一段,尤其是纵梁前、后端1.5mm范围内出现完全断裂或裂纹比较集中时,可将失效段(端)截去,采用对接形式焊接一段与截去段(端)完全相同的新梁(端)。对接补焊,可分为斜口对接和平口对接2种。一般不允许对接修补时的焊缝方向与车架纵梁的棱线垂直。采用对接补焊时,车架的切割、焊口处理、焊接参数与要求等,均与车架的挖补修理相同。但应注意的一点是,对接段与原纵梁点焊连接后,应检查纵梁上平面及侧面的纵向直线度误差,焊接完毕再进行检查。若某种车型的特定车架部位出现规律性的裂纹或断裂,则表明该车架设计或汽车的使用有问题。

3)帮补修理

若系车架设计缺陷,则除对裂纹处正常修理外,还应在此部位焊接加强板,即帮补修理。采用帮补修理时,选用的加强板材质应与原车架相同,厚度可略小于而绝不可大于原车架钢板。加强板形状可为三角形,也可为其他形状,其长度一般应大于纵梁高度的2倍。为使修理后车架纵、横梁的局部刚度过渡平缓,避免加强处与原车架其他处刚度相差悬殊而出现应力集中,造成新的断裂危险,一般加强板两端的尺寸应逐渐减小。加强板的焊接参数和工艺与车架采用挖补修理法时相同,为防止刚度增加过多,可采用分段间断焊。

4)铆接修理

汽车车架焊接修理时发现铆钉大部分失效,或车架因肇事、运行条件恶劣而存在严重变形,在不解体条件下纵梁矫正困难时,可考虑采用车架解体的方法进行修理。这时,车架的铆钉均需清除后重新铆接。去除旧铆钉的方法较多,有气割法、钻除法、剪除法、錾除法等。无论采用哪种方法,都应注意不能损坏车架和铆钉孔。旧铆钉孔磨损0.5mm时,可不必修整;若超出此尺寸但>2mm,可酌情扩孔并采用大一级的铆钉铆接。一旦旧孔的磨损大于基本尺寸2mm后,应填焊旧孔后重新钻孔。

4  车架的焊接工艺

4.1  车架的焊接方法

车架纵梁断裂的修补与加固,应视其裂纹的长短及所在的部位,采取不同的修理方法。

1)当裂纹较短,且在受力不大的部位时,可直接焊修。焊修时,需在裂纹的末端钻ф5mm的止裂孔,以消除应力,防止裂纹扩展(如图1a所示,虚线为砂纸打磨范围),并沿裂纹开焊修坡口,坡口角度为90º,钝边为纵梁厚度δ的2/3(如图1b所示)。堆焊高度应超出平面12mm,焊后用砂轮或锉刀打磨平整,保证焊缝刚度基本一致,以减少焊修表面的应力集中。

2)当裂纹较长,但未扩展至整个横断面,且在受力不大部位或已达受力较大部位时(车架中部),均可采用三角形腹板加焊于裂纹处(图2);或将纵梁损坏处按三角形(菱形、椭圆形、矩形)腹板形状切除掉,然后以同形腹板嵌入焊接。后一种焊修方法刚度变化比补焊小,应优先采用椭圆形挖补,嵌入钢材的厚度、材质应与纵梁材质相同。

3)当裂纹已扩展到整个横断面时,或虽未达整个横断面,但在受力最大的部位时,可以采用角状及槽状加强腹板,并对翼面和腹面同时加强。加强板的厚度应不大于原车架钢板的厚度,且材质应相同。加强板的长度,应根据焊缝大小及部位而定,受力较小处其长度不得小于390mm;裂纹大同时又处于受力较大处,则应增加加强板的面积和长度,其长度不少于660mm。为了减小应力集中,加强板的端部应做成逐渐减小的斜角形。加强板的弯角圆弧半径应不大于纵梁圆弧半径。加强腹板可铆接或焊接。如铆接,应尽量利用原来的铆钉孔;如焊接,为减小焊接部位的应力集中,并具有一定的挠度,应注意下列事项:若在受力大的部位焊加强腹板,要注意焊接应力对纵梁的影响,可采用图3的方法。加强板比纵梁边缘宽出2.5t ( t 为车架纵梁厚度 ),焊缝需焊成凹形。

4)车架上焊缝较长时,应采用断续分段焊法(如图4所示);加强角钢与纵梁翼面边缘相重合时,在重合处及弯角圆弧处不要施焊,焊缝距边缘不焊处约20mm,如图5所示;加强板高度如不大于纵梁高度时,在两板搭接处不施焊,并使焊缝边缘有一定距离,如图6所示。

 

 

 

5)又焊又铆时,应先焊后铆。焊缝不能搭接交叉,坡口处应为凸焊缝,搭接处为凹焊缝。

6)寒冷季节,应将焊接部位预热到2050,以防焊裂;焊后缓慢冷却,清除焊渣,用砂轮、锉刀等工具修整焊缝。

4.2  焊修工艺

1)焊前准备  先将车架裂缝周围的污物、杂质用钢刷清除干净,使其露出金属光泽。然后检验矫正车架,使其保持固有直线度并暂固定。再选用直径为3.24mm的低碳钢焊条及弧焊变压器交流电焊机(最好用弧焊整流器直流电焊机)。

2)补焊工艺  将断裂车架水平固定在反转架上,对11.5mm的断裂缝隙,无须在车架断裂处开槽修补,应用尽可能短的电弧进行双面成形焊接。焊条直径为3.2mm,焊接电流为110130A。如果汽车运行过程中出现断裂现象,则应采用“就车复位弧焊工艺”。当横向断裂为纵梁厚度的1/3左右时,在裂口处用凿子修出V形焊道坡口,其深度为纵梁厚度的2/3。施焊时,先将开槽处填平,然后将加固板焊接在车架上。施焊方向为顺时针方向,只焊接加固板的顺缝位置,焊条直径为3.2mm,焊接电流为110130A。腹板材料及厚度与原车相同,长度不小于120mm,宽度为75mm。腹板与纵梁焊接时,焊缝周围亦应预先打磨。实践表明,用这种方法补焊不影响汽车的正常运行,断裂部位的布置不受限制。但就车施焊时,要采取除去油箱燃油等一些防护措施。

当梁的断裂深度为纵梁厚度的2/3左右时,同样修切出V形坡口,采用三角形修焊工艺。V形板材料用旧大梁(最好用车型相同的大梁)。焊接三角形腹板时,先将腹板放在裂纹对称位置矫正,点焊34处,然后沿周围焊牢,焊条直径为3.2mm,焊接电流为90120A。梁断裂深度达纵梁厚度的3/4或者更严重时,采用X形补焊工艺。施焊时,先将原裂纹点焊,然后将车架裂纹处也相应开成三角形切口。采用一面开V形坡口,两面焊接的方法,要求焊透。焊好1/2,再焊另1/2,焊接方法如上所述。

3)弯、扭曲变形处理  如果发现车架有较大的弯曲或扭曲变形,可卸下车架,用细钢丝绷在车架前后,横梁中心作为基准线,把细钢丝交叉绷在左右纵梁的对应铆钉或铆钉孔上,检查交叉点是否落在车架中心基准线上。如交叉点与中心基准线相差不超过3mm,可认为达到技术要求;否则,可用夹具进行矫正。

5  车架裂纹的修复实例

汽车起重机的底盘(有时也称车架)起着运载上车的作用。我国生产的汽车起重机的底盘有专用、通用2种。QY8型汽车起重机多采用东风牌载重汽车的底盘。比起专用底盘来,采用通用底盘可节省钢材,缩短生产时间,降低成本,容易形成标准化,还可使QY8型汽车起重机和其他载重机动车辆编组运行,提高劳动生产率。

对于采用通用汽车底盘的汽车起重机,整个上车部分与通用汽车底盘的连接方式是:将上车部分放在一个钢板焊成的方厢上(图7),再将方厢与汽车底盘的车架用螺栓和挡板固定住。一般都用U形螺栓(骑马螺栓)和压板来连接。在汽车起重机运行时,汽车底盘(车架)承担整机的质量;但在起重机进行载荷作业时,原汽车车架就不再承重了,支腿的底座焊接在方厢上,汽车起重机上车的全部质量和所承载的重物的质量都由支腿来承担。原汽车底盘及轮胎都可以离开地面,不起承重的作用。当采用通用底盘的汽车起重机在崎岖不平的道路上行驶时,车架在载荷的作用下可能产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形,当一边车轮遇到障碍物时,还可能使整个车架扭曲变形,甚至在方厢和车架用U形螺栓固定的部位产生裂纹,给安全生产埋下隐患。

车架产生裂纹的主要原因:一是整机质量分布不均,QY8型汽车起重机的整个上车部分都安装在方厢上,方厢的前部两边各通过一个耳板(图8)与车架上原有的耳板用3个螺栓固定在一起,但因为这个部位受力最大,所以这2个耳板使用不长时间就会被折断而改用U形螺栓;同时,方厢的最前部分约位于车架前后轴距的中间位置,正是车架梁应力最集中的位置。二是汽车起重机在不良的路面上运行,频繁颠簸所致。三是与起重机在运行中的吊钩和起重臂的固定方式有关(图7)。由图可知,QY8型汽车起重机在运行时,臂架的主要质量都落在起重机支撑架上,臂架前端的吊钩和滑轮组通过吊钩、钢丝绳与车架前端保险杠上的牵引钩相连接,用拉紧起升钢丝绳的方式使其固定,以免使起重机在运行中吊钩和滑轮组发生晃动。这种固定吊钩的方法简便,比将吊钩放在驾驶室后面的方厢上要省事,因此大多数驾驶员都愿这样做。这样,整个车的轮廓形状就以吊臂支架为中心形成了2个封闭的图形,前面的为ABDC,后面的为CDFE。在起重机的运行过程中,整个臂架的大部分质量就通过支撑架落在车架上。由于道路情况不好,运行中车体频繁颠簸,使车架承受交变应力的作用,因此车架易产生裂纹。同时,由于驾驶员的操作经验不同,在固定吊钩时用起升钢丝绳拉紧吊钩的力量有大有小,力量过小时运行中吊钩和滑轮组的晃动会大些,力量过大时会促使车架因固定得太紧,不易消除路面通过车轮传过来的振动而产生疲劳裂纹。

检查车架的裂纹时可以将车架上U形螺栓部位的漆层刮掉、擦干净,观察时用锤子轻击车架,必要时可以用放大镜,或者用小刷子在车架表面上刷些柴油,擦去表面上的油污,残留油迹处就是裂纹。处理车架上产生这种裂纹的方法,可视具体情况而定。一是在裂纹的两端钻孔以阻断裂纹的扩展,或用型钢加固,当裂纹严重时须更换新车架;二是用减振的方法减轻或消除由于路面不良而给起重机带来的过分振动,使其保持完好。具体如下:若裂纹的长度小于车架内槽最大宽度的1/4时,可用ф4mm的小钻头在裂纹的两端打止裂孔;如果裂纹的长度接近于车架内槽最大宽度的2/3时,可采用型钢加固的方法进行加固。这类方法有两种形式:一是“整体”加固法,加固所用的槽钢左右对称共用两件。这种方法在条件较好、设备较全的维修厂常被采用。型钢和车架可采用铆接或焊接的连接方式。铆接时,要使型钢紧密地贴在车架上,型钢正对车架上原有铆钉头部凸出的部位要加工出孔,以利于贴严。但铆接与焊接相比较,铆接比较好。因为在焊接时,环境温度、焊机、焊条、电流和清洁等诸多方面如果有一样处理不好,就容易在车架的焊缝处引起新的裂纹。另一种是“分开式”加固法,这种加固方法所采用的型钢多为角钢,当上下两块角钢分别与车架铆接或焊接后,再用810mm厚的钢板条将上下两块角钢焊接在一起。这种加固方法多被条件较差的维修厂所采用,工艺简单,成本较低。当车架的裂纹大于车架内槽最大宽度的2/3时,很少采用加固的办法,一般是更换车架。

参考文献:

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2〕黄天泽,黄金陵. 汽车车身结构与设计〔M〕。北京:机械工业出版社,1996

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4〕中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册(第1册)〔M〕。北京:机械工业出版社,1991

5〕宇永福,张德生. 金属材料焊接〔M〕。北京:机械工业出版社,1995

6〕曾乐. 现代焊接手册〔M〕。上海:上海科学技术出版社,1993

 
 
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