吳向陽，陶傳琦，齊維闖，楊蔚，饒清鵬，史春元，金成

(1.中國(guó)南車集團(tuán) 青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111;2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

列車高速行駛過程中，轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架承受著強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊載荷作用，而焊接接頭往往是焊接構(gòu)架的薄弱環(huán)節(jié)，接頭質(zhì)量與性能的優(yōu)劣直接影響列車的安全運(yùn)行壽命.在傳統(tǒng)MAG電弧焊接過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些焊接接頭，尤其是T型接頭、管板接頭等要求單面焊雙面成型的接頭在焊縫根部存在未焊透缺陷.顯然，這種焊縫根部缺陷將成為疲勞裂紋萌生的起裂源.因此研究新型焊接工藝在構(gòu)架制造中的應(yīng)用技術(shù)，從工藝上解決單面焊雙面成型問題是十分必要的.

激光-MAG復(fù)合焊是將激光焊和MAG電弧焊結(jié)合起來的一種優(yōu)質(zhì)高效節(jié)能的焊接新技術(shù).它是將激光與電弧這兩種物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的熱源復(fù)合在一起，共同作用于工件表面，通過兩熱源的相互作用及復(fù)合熱源與工件的作用完成焊接過程.與常規(guī)MAG焊接工藝相比，激光MAG復(fù)合焊具有焊接速度快、焊縫熔深大、焊接變形小以及焊接工藝穩(wěn)定、接頭性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前已在造船、管道、汽車等制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用.為此，本試驗(yàn)將結(jié)合高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和典型接頭型式，系統(tǒng)研究激光-MAG復(fù)合熱源焊接及其在構(gòu)架焊接中應(yīng)用的可行性，重點(diǎn)研究激光-MAG復(fù)合焊工藝參數(shù)(包括激光功率、離焦量、焊接電流、電弧電壓、焊接速度)以及坡口角度、鈍邊尺寸、組焊間隙等對(duì)焊縫成型、焊接質(zhì)量和接頭性能的影響規(guī)律，為激光-MAG復(fù)合焊工藝在轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架中的應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼為SMA490BW耐候鋼，其中板材厚度12 mm，管材規(guī)格Φ203 mm×11 mm.SMA490BW鋼的化學(xué)成分和機(jī)械性能列于表1.焊絲選用CHW-55CNH(Φ1.2 mm)實(shí)芯焊絲，其化學(xué)成分和熔敷金屬機(jī)械性能見表2.

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分和試驗(yàn)用鋼機(jī)械性能

表2 焊絲化學(xué)成分和焊絲熔敷金屬機(jī)械性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

激光-電弧復(fù)合焊接工藝試驗(yàn)采用6 kW激光-MAG復(fù)合機(jī)器人焊接加工系統(tǒng)，其中激光器為TRUDISK 6002型6 kW蝶形激光器，MAG焊接電源選用FRONIUS的TPS 5000數(shù)字化逆變焊機(jī).

圖1 激光-MAG復(fù)合焊接接頭型式

焊接接頭型式分別采用對(duì)接接頭、T型接頭和管板焊接接頭，如圖1所示.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 平板對(duì)接焊接工藝參數(shù)

在坡口角度均選為60°的條件下，對(duì)接試板激光-MAG復(fù)合焊接工藝參數(shù)及鈍邊尺寸和組焊間隙列于表3.各接頭的焊縫宏觀斷面形貌如圖2所示.

表3 對(duì)接焊工藝參數(shù)

圖2 對(duì)接接頭宏觀形貌

由圖2可知，當(dāng)鈍邊尺寸選取2 mm時(shí)，無論組焊間隙為零還是1 mm，在激光功率不高的條件下焊縫根部都完全熔透，焊縫正面和背面也具有良好成型，焊縫表面也沒有發(fā)現(xiàn)咬邊、焊穿、裂紋、氣孔等缺陷.但是，蓋面焊縫需要焊接兩道才能完全填滿，且總共需要五道焊才能全部完成焊接，沒有體現(xiàn)出激光-電弧復(fù)合焊高效率的焊接特性.當(dāng)鈍邊選為4 mm時(shí)，組焊間隙分別為零和1 mm，焊縫根部也都完全熔透，焊縫正面和背面都具有良好成型.與當(dāng)鈍邊為2 mm時(shí)相比，盡管激光功率較高，但蓋面焊只需焊接一道即可完全填滿，且整個(gè)焊縫也只需焊接三道，因此大大提高了焊接效率并節(jié)省焊接填充材料.至于組焊間隙，由于激光束斑直徑一般在1.0～1.5 mm左右，因此底層焊道的組焊間隙應(yīng)不超過1 mm.因此對(duì)接試板激光-電弧復(fù)合焊時(shí)，坡口角度60°、鈍邊尺寸4 mm、不留組焊間隙為宜.

2.2 T型角接焊接工藝參數(shù)

在坡口角度均選為50°的條件下，T型試板激光-MAG復(fù)合焊接工藝參數(shù)及鈍邊尺寸和組焊間隙列于表4.各接頭的焊縫宏觀斷面形貌如圖3所示.

表4 T型角接焊工藝參數(shù)

圖3 T型接頭宏觀形貌

當(dāng)坡口角度取為50°時(shí)，無論鈍邊為2 mm或4 mm，還是間隙為零或1 mm，都獲得較好的焊縫背面成型.當(dāng)鈍邊為4 mm時(shí)，需要較高的激光功率才能保證焊縫根部熔透，而當(dāng)鈍邊為2 mm時(shí)，激光功率較低時(shí)既可使根部焊縫完全熔透，但仔細(xì)觀察焊縫表面，發(fā)現(xiàn)焊縫與母材之間的過渡區(qū)域存在咬邊現(xiàn)象.這是由于當(dāng)鈍邊尺寸為2 mm時(shí)填充及蓋面仍采用三道焊接，且激光復(fù)合焊接速度較快，導(dǎo)致填充金屬量相對(duì)不足使得焊縫邊緣液態(tài)金屬未能及時(shí)補(bǔ)充而形成一定程度的咬邊.此外，組焊間隙選取零或1 mm對(duì)焊縫背面成型的影響并不明顯.可見，綜合考慮發(fā)揮激光-電弧復(fù)合焊高效率、大熔深和節(jié)省焊材等工藝特點(diǎn)，T型接頭單面坡口角度取50°、鈍邊尺寸4 mm、組焊間隙為零較為合適.

2.3 管板搭接焊接工藝參數(shù)

管板搭接激光-MAG復(fù)合焊接工藝參數(shù)及坡口角度、鈍邊尺寸和組焊間隙列于表5.各接頭的焊縫宏觀斷面形貌如圖4所示.

圖4 管板搭接接頭宏觀形貌

由圖4可以看出，當(dāng)坡口角度分別選取0°、15°、30°時(shí)，無論鈍邊尺寸還是組焊間隙取零還是1 mm，都獲得良好的焊縫正面和背面成型.相比之下，當(dāng)坡口角度取為30°、鈍邊和間隙均取1 mm時(shí)，焊縫正面和背面的成型最為美觀，焊縫表面規(guī)則，焊縫寬度均勻.由此確定管板搭接激光-電弧復(fù)合焊時(shí)坡口角度取30°、鈍邊和間隙均取1 mm為宜.

表5 管板搭接焊工藝參數(shù)

3 結(jié)論

(1)采用激光-MAG復(fù)合熱源焊接板厚12 mm的SMA490BW構(gòu)架用鋼時(shí)，對(duì)于平板對(duì)接接頭，合適的焊接工藝參數(shù)為:坡口角度60°、鈍邊尺寸4 mm、組焊間隙為零.底層焊道的激光功率2.2 kW、焊接電流185 A、電弧電壓23.5 V、焊接速度40 cm/min;其它焊道的激光功率0.8 kW、焊接電流252 A、電弧電壓27.8 V、焊接速度70 cm/min;

(2)對(duì)于T型角接接頭，合適的焊接工藝參數(shù)為:單邊坡口角度50°、鈍邊尺寸4 mm、組焊間隙為零.底層焊道的激光功率4.0 kW、焊接電流210 A、電弧電壓26.2 V、焊接速度45 cm/min;其它焊道的激光功率0.8 kW、焊接電流252 A、電弧電壓27.8 V、焊接速度70 cm/min;

(3)對(duì)于管板搭接接頭，合適的焊接工藝參數(shù)為:坡口角度30°、鈍邊尺寸和組焊間隙均為1 mm.底層焊道的激光功率1.7 kW、焊接電流185 A、電弧電壓23.5 V、焊接速度50 cm/min;其它焊道的激光功率0.8 kW、焊接電流252 A、電弧電壓27.8 V、焊接速度70 cm/min.

［1］傅小日.我國(guó)鐵路客車轉(zhuǎn)向架技術(shù)發(fā)展的概述［J］.鐵道車輛，2005(11):43-50.

［2］馬立.日本鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的研究與發(fā)展歷程［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，30(6):41-45.

［3］袁小川.激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.焊接技術(shù)，2010，39(5):2-7.

［4］王威，王緒友.激光-MAG復(fù)合熱源焊接過程的影響因素［J］.焊接學(xué)報(bào)，2006，27(2):6-10.

［5］秦國(guó)梁，雷振，王旭友，等.Nd:YAG激光+脈沖 MAG電弧復(fù)合熱源焊接參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(1):97-100，130.