構(gòu)架橫梁J型坡口單面焊雙面成形工藝

何 巖，宮 平，李萬(wàn)君

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

0 前言

澳大利亞雙層客車項(xiàng)目是澳大利亞新南威爾士州政府為更新悉尼市現(xiàn)有車輛而啟動(dòng)的項(xiàng)目，其構(gòu)架組成由鋼板焊接的箱形側(cè)梁和橫梁構(gòu)成，其中橫梁為鑄造結(jié)構(gòu)與鋼板材料進(jìn)行焊接構(gòu)成的腔體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。鑄造結(jié)構(gòu)與鋼板材料的連接采用J型坡口對(duì)接焊縫，焊接要求完全熔透，單面焊雙面成形，所有焊縫均要求100%超聲波探傷，完成焊接的橫梁腔體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，整體焊接要求符合澳大利亞AS 1554標(biāo)準(zhǔn)[1]。

實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的方法很多，如采用TIG焊時(shí)電弧熱量集中，形成的熔池體積小、弧柱柔和，熔池金屬自重力與熔化金屬界面張力有一定平衡，可借助填充金屬熔化的攪拌作用有效控制熔池形狀，使焊接過(guò)程平穩(wěn)，反面成形良好[2]。軌道客車轉(zhuǎn)向架焊接制造中綜合考慮制造成本、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，一般采用MAG焊。由于該項(xiàng)目橫梁自身結(jié)構(gòu)尺寸因素和較高的焊接質(zhì)量要求，在采用MAG進(jìn)行單面焊雙面成形時(shí)略有困難。在此針對(duì)橫梁J型坡口單面焊雙面成形工藝難點(diǎn)進(jìn)行研究，得出解決方案。

圖1 構(gòu)架組成

1 工藝難點(diǎn)

（1）J型坡口單面焊雙面成形。該焊縫要求完全熔透，100%超聲波探傷，水壓氣密性試驗(yàn)，質(zhì)量要求高，操作難度大，如圖2所示。

圖2 橫梁J型坡口對(duì)接接頭

（2）首尾連接長(zhǎng)大周圍焊縫，連續(xù)穩(wěn)定一次性焊接完成。該焊縫路徑為直線段與圓弧段組合方形周圍焊縫，焊縫長(zhǎng)度1 104 mm，要求連續(xù)穩(wěn)定、姿態(tài)一致，一次性焊接完成，如圖3所示。

圖3 橫梁J型坡口對(duì)接接頭

2 解決方案

2.1 J型坡口單面焊雙面成形工藝難點(diǎn)的解決方案

單面焊雙面成形的熔池形狀特殊，正、背面熔池連通。單面焊雙面成形技術(shù)常用擊穿焊法，一般作用在背面熔池的電弧約為焊接電弧的1/3，作用在正面熔池的電弧約為焊接電弧的2/3。而電弧擊穿數(shù)量的分配實(shí)際上也是對(duì)正、背面熔池?zé)崃康姆峙洹蚊婧鸽p面成形的熔池冶金特點(diǎn)就是將電弧作用到背面，形成背面焊縫熔池。焊接化學(xué)冶金過(guò)程的首要任務(wù)是保護(hù)熔化金屬，其次是對(duì)熔化金屬進(jìn)行冶金處理，調(diào)整熔合比等。電弧既是熱源又是保護(hù)氣體，使背面熔池處于與正面熔池相同的氣體保護(hù)條件下。因此背面焊縫能獲得與正面焊縫相等或優(yōu)于正面焊縫（背面焊縫被退火）的機(jī)械性能[3]。

影響單面焊雙面成形熔池平衡的因素主要有焊接電流、接弧位置、燃弧和熄弧時(shí)間、熔池形狀、鈍邊厚度、焊條角度。確定焊接電流后，在保持熔池體積變化盡可能小的前提下調(diào)整電弧溫度和壓力在熔池中的分布，改變?nèi)鄢匦螤詈统叽?，充分發(fā)揮金屬相界面上的吸附力和表面張力的作用，是單面焊雙面成形技術(shù)所需要掌握的技能[4]。根據(jù)本研究中J型坡口對(duì)接焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從以下方面進(jìn)行分析。

（1）焊接方法。綜合考慮焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率因素，采用MAG焊，擊穿焊法，使電弧作用到背面，形成背面焊縫熔池。

（2）焊接位置。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，單面焊雙面成形打底焊只能在PA和PC兩個(gè)位置中選擇。當(dāng)采用PA位置時(shí)，熔池呈懸空狀態(tài)，液態(tài)金屬受重力影響極易產(chǎn)生下墜現(xiàn)象，焊接過(guò)程中必須根據(jù)裝配間隙及熔池溫度變化及時(shí)調(diào)整焊槍角度、擺動(dòng)幅度和焊接速度，以控制熔池尺寸，保證焊件背面形成均勻一致的焊縫。而結(jié)構(gòu)中的J型坡口使得鈍邊處母材金屬總體體積或截面面積偏小，金屬相界面上的吸附力和表面張力偏小，極易引起液態(tài)金屬下墜。當(dāng)采用PC位置時(shí)，熔池下部焊道對(duì)熔池有依托作用，有利于實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，但電流不宜過(guò)大，否則會(huì)產(chǎn)生液態(tài)金屬下淌，使焊縫正面和背面出現(xiàn)焊瘤。因此，打底焊采用PC位置焊接較為有利，如圖4所示；填充和蓋面焊時(shí)，因打底焊具有保護(hù)熔池的作用，可在更加有利的PA位置完成，如圖5所示。

圖4 打底焊PC位置

圖5 填充和蓋面焊PA位置

（3）焊接方向。MAG單面焊雙面成形熔池較小，焊接時(shí)應(yīng)注意控制熔孔尺寸、坡口兩側(cè)根部熔合情況和焊槍傾角，以免焊接過(guò)程中發(fā)生液態(tài)金屬超前流動(dòng)造成的“假焊”現(xiàn)象[5]。當(dāng)焊接方向由右向左推著熔池行進(jìn)時(shí)，一方面電弧穿透力大，背面成形不穩(wěn)定，操作不當(dāng)容易焊穿；另一方面，焊槍傾角、擺動(dòng)、速度不當(dāng)容易造成未焊透的“假焊”現(xiàn)象。當(dāng)焊接方向由左向右拖著熔池行進(jìn)時(shí)，有利于擊穿接頭根部鈍邊打出熔孔，并維持熔池動(dòng)態(tài)平衡，且焊接時(shí)可直接觀察到背透成形好壞，避免出現(xiàn)“假焊”現(xiàn)象。

（4）起弧與收弧。MAG單面焊雙面成形采用擊穿焊法，起弧時(shí)必須擊穿根部鈍邊形成熔孔，然后鋸齒形擺動(dòng)將熔池輕輕向背面擠壓至根部，稍作停留后轉(zhuǎn)入正常焊接。收弧時(shí)采用疊加法和轉(zhuǎn)移法將背面熔池引入正面,防止收弧縮孔。

綜上，采用MAG焊擊穿焊法，打底焊PC位置，由左向右施焊，填充和蓋面焊PA位置。焊接參數(shù)見(jiàn)表1，打底焊表面成形和焊縫背面成形見(jiàn)圖6、圖7。

依據(jù)ISO 15613標(biāo)準(zhǔn)程序評(píng)定焊接工藝，接頭拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能、硬度值各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果合格，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求和設(shè)計(jì)技術(shù)要求，接頭低倍金相照片如圖8所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖6 打底焊正面成形

圖7 打底焊背面成形

圖8 接頭低倍金相照片

2.2 首尾連接長(zhǎng)大周圍焊縫連續(xù)穩(wěn)定一次性焊接工藝難點(diǎn)的解決方案

由于焊縫首尾連接封閉，焊縫路徑中有直線段和圓弧段過(guò)渡，PC位置連續(xù)焊接需借助焊接變位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。橫梁J型坡口單面焊雙面成形打底焊PC位置連續(xù)焊接專門設(shè)計(jì)的變位裝置如圖9所示。

在焊接過(guò)程中的直線段焊接時(shí)，保持變位機(jī)不動(dòng)，圓弧段焊接時(shí)，啟動(dòng)變位機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在熔池達(dá)到下一直線段起點(diǎn)時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，依次操作直至起弧點(diǎn)與收弧點(diǎn)重合，焊接完成。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置很好地解決了橫梁長(zhǎng)大周圍焊縫連續(xù)穩(wěn)定一次性焊接的工藝難點(diǎn)，效果良好。

圖9 PC位置連續(xù)焊接用變位機(jī)

3 結(jié)論

針對(duì)構(gòu)架橫梁結(jié)構(gòu)中的J型坡口單面焊雙面成形焊縫的特殊要求，分析該橫梁產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接工藝難點(diǎn)，最終確定采用MAG焊擊穿焊法，由左向右施焊，借助變位機(jī)保證PC位置連續(xù)一次性完成焊接，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形要求，既保證了焊縫質(zhì)量又提高了生產(chǎn)效率，且不額外增加制造成本，效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文華，吳冬，宋春元.出口澳大利亞雙層動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架研制[J].鐵道車輛，2010，48（5）：17-19，47.

[2]孫景榮.單面焊雙面成形技術(shù)[J].電焊機(jī)，2002，32（12）：34-36.

[3]祝桂松.淺談單面焊雙面成形技術(shù)（一）[J].鐵道機(jī)車車輛工人，1999（1）：9-11.

[4]祝桂松.淺談單面焊雙面成形技術(shù)（二）[J].鐵道機(jī)車車輛工人，1999（2）：5-7.

[5]鄒尚利，馮玉敏，杜冬梅.焊工培訓(xùn)教材單面焊雙面成形技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：293-306.