微焦點棒陽極射線檢測技術(shù)在轉(zhuǎn)向架激光電弧復(fù)合焊焊縫檢測中的應(yīng)用

田勐 張勇 王麗萍 李凱 郭立明 孫明輝 孟慶順 呂健瑋

摘要：激光電弧復(fù)合焊工藝具有熔透性好、焊接熱輸入小、變形易控制等優(yōu)點，其在軌道客車轉(zhuǎn)向架中厚板焊接中的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)MAG焊接存在的一些不足。結(jié)合軌道客車轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，分析轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊焊縫射線檢測工藝難點，采用微焦點棒陽極技術(shù)對轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊環(huán)焊縫進(jìn)行周向曝光檢測并在試驗中得到了驗證。結(jié)果表明，該技術(shù)可以準(zhǔn)確地檢測出焊縫內(nèi)部各種缺陷，并找出影響激光電弧復(fù)合焊焊接質(zhì)量的主要因素是離焦量，研究了微焦點棒陽極射線檢測自動化檢測技術(shù)在轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管中厚板焊縫檢測方面的應(yīng)用，實現(xiàn)了該焊縫的全覆蓋，保證了焊縫質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：激光電弧復(fù)合焊;微焦點棒陽極;橫梁鋼管;環(huán)焊縫;射線檢測

中圖分類號：TG441.7 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0068-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.12

0 ? ?前言

激光電弧復(fù)合焊是高效焊接技術(shù)的主流，軌道車輛各大主機(jī)廠均以復(fù)合焊技術(shù)作為高效焊接技術(shù)研究與應(yīng)用的重點之一。激光電弧復(fù)合焊具有熔透性高、熱輸入低、變形小的特點，其接頭疲勞性能優(yōu)于MAG焊[1]。轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管連接環(huán)焊縫為中厚板焊接結(jié)構(gòu)，其焊接質(zhì)量對軌道客車的運營安全有著重要影響，傳統(tǒng)MAG焊接方法存在熱輸入高、熔透性不佳、焊接變形大等問題，采用激光電弧復(fù)合焊能夠解決以上問題并實現(xiàn)典型部件的試制。文中針對轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊環(huán)焊縫，研究了微焦點棒陽極射線檢測技術(shù)對其進(jìn)行內(nèi)部檢測的可行性，并對其在橫梁管環(huán)焊縫激光電弧復(fù)合焊檢測中的應(yīng)用進(jìn)行試驗驗證[2]，驗證了工藝的可行性，可保證缺陷不漏探。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗材料

轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管焊接采用中車長春軌道客車股份有限公司的激光電弧復(fù)合焊系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備15 kW光纖激光器、6軸工業(yè)機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、福尼斯TPS5000弧焊電源，如圖1所示。軌道客車轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管壁厚20 mm，是轉(zhuǎn)向架用關(guān)鍵部件，如圖2所示。檢測部位為轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊單面5層焊接全焊透環(huán)焊縫，熔深20 mm。轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊金相組織如圖3所示，經(jīng)對復(fù)合焊試件缺陷進(jìn)行統(tǒng)計，內(nèi)部氣孔、背部焊瘤為主要缺陷，正面塌陷與背部縮溝為次要缺陷，且這兩種缺陷經(jīng)常同時出現(xiàn)，需要對環(huán)焊縫進(jìn)行內(nèi)部檢測以保證焊縫質(zhì)量。常規(guī)人工射線檢測方式需要人工進(jìn)入鉛房多次才能完成檢測，時間過長，無法按時完成檢測任務(wù)。射線機(jī)焦點尺寸會影響照相圖像的清晰度和分辨率[3]，普通粗焦點周向X光機(jī)因轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管內(nèi)徑小不具備最小透照距離的要求，膠片圖像無法達(dá)到ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級標(biāo)準(zhǔn)要求，底片幾何清晰度很差，因此無法采用常規(guī)的射線檢測方法[4]。而微焦點棒陽極射線檢測技術(shù)對轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管環(huán)焊縫檢測具有顯著優(yōu)勢[5]，對一個環(huán)焊縫進(jìn)行一次周向射線曝光即可完成檢測，采用棒陽極X射線機(jī)進(jìn)行檢測[6]不但能夠及時完成檢測任務(wù)而且底片質(zhì)量更好。

1.2 試驗設(shè)備

采用中車長春軌道客車股份有限公司微焦點棒陽極射線自動化檢測設(shè)備（見圖4），型號XWT-240-

RAC，參數(shù)為極限能量240 kV、管電流50～3 000 μA，陽極棒有效長度300 mm，周向錐靶初始焦點200 μm。設(shè)計了合理的轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管自動化系統(tǒng)，采用激光對中裝置實現(xiàn)自動對中，采用棒陽極工作臺與電氣控制系統(tǒng)配合微焦點棒陽極技術(shù)使用實現(xiàn)了自動化檢測模式，每20 min可自動化檢測3根橫梁鋼管，而原人工射線檢測方式檢測3根橫梁鋼管需要120 min，微焦點棒陽極自動化檢測技術(shù)顯著提高了檢測效率。

1.3 試驗方法

轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊微焦點棒陽極射線檢測技術(shù)工作原理如圖5所示。微焦點棒陽極數(shù)字成像自動化檢測系統(tǒng)焦點尺寸200 μm，對于轉(zhuǎn)向架橫向鋼管其最小焦距只需小于10 mm即可，陽極棒能夠輕易地伸入轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管內(nèi)部到達(dá)被檢測位置對環(huán)焊縫進(jìn)行周向曝光，曝光條件為：電壓165 kV、電流0.5 mA、焦距77 mm、曝光時間2 min，檢測標(biāo)準(zhǔn)為ISO17636，焊縫缺陷驗收標(biāo)準(zhǔn)為ISO5817中B級，采用80 mm×720 mm特制卷式射線膠片、10FeEN線型像質(zhì)計。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 微焦點棒陽極技術(shù)系統(tǒng)自動化對中及檢測

該微焦點棒陽極射線自動化檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵點在于自動對中，如果陽極棒的對中效果不好會無法得到合格的射線底片，從而導(dǎo)致焊接缺陷無法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在超標(biāo)焊接缺陷時，容易破壞焊接接頭性能[6]。

采用激光對中裝置解決了該技術(shù)難題，如圖6所示，當(dāng)檢測系統(tǒng)軌道運行至指定位置，陽極棒伸入到轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管內(nèi)部，自動運行指示燈閃爍，通過監(jiān)控觀察激光燈位置是否處于工件內(nèi)徑圓面相切位置，當(dāng)圓面處于激光燈照射位置內(nèi)，按下程序啟停按鈕運行自動化檢測程序，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管自動化檢測模式。

2.2 驗證焊接工藝參數(shù)對激光電弧復(fù)合焊焊縫質(zhì)量的影響

2.2.1 不同焊接電壓對激光電弧復(fù)合焊焊縫質(zhì)量的影響

采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術(shù)對轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同焊接電壓的焊縫進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如下。

（1）焊接電壓為21 V時，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級標(biāo)準(zhǔn)，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)焊縫氣孔，較常規(guī)射線檢測方法不但提高了檢測效率而且靈敏度更高，如圖7所示。

（2）焊接電壓為25 V時，射線底片符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)焊縫氣孔，如圖8所示。

由以上試驗結(jié)果可知，微焦點棒陽極射線自動化檢測技術(shù)不但實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同電壓焊縫的檢測，也驗證了激光電弧復(fù)合焊不同焊接電壓對焊縫內(nèi)部質(zhì)量無明顯影響。

2.2.2 不同離焦量對激光電弧復(fù)合焊焊縫質(zhì)量的影響

采用微焦點棒陽極數(shù)字射線自動化檢測技術(shù)對轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同離焦量焊接的焊縫進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如下。

（1）離焦量為-2 mm時，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級標(biāo)準(zhǔn)，可準(zhǔn)確檢測出焊縫氣孔，如圖9所示。

（2）離焦量為0 mm時，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級標(biāo)準(zhǔn)，焊縫質(zhì)量良好，如圖10所示。

（3）離焦量為2 mm時，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級標(biāo)準(zhǔn)，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)焊縫氣孔，如圖11所示。

由以上試驗結(jié)果可知，微焦點棒陽極射線自動化檢測技術(shù)不但實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同離焦量焊縫的檢測，而且通過圖9～圖11對比發(fā)現(xiàn)，離焦量為0 mm時焊縫質(zhì)量好，離焦量為-2 mm和2 mm時焊縫有氣孔缺陷，驗證了離焦量是影響激光電弧復(fù)合焊焊接質(zhì)量的主要因素之一。

2.2.3 不同坡口狀態(tài)對激光電弧復(fù)合焊焊縫質(zhì)量的影響

采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術(shù)對轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同坡口狀態(tài)下的焊縫進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如下。

（1）采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術(shù)對熱切割坡口激光電弧復(fù)合焊焊縫進(jìn)行檢測，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級標(biāo)準(zhǔn)，如圖12所示。

（2）采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術(shù)對機(jī)加坡口激光電弧復(fù)合焊焊縫進(jìn)行了檢測，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級標(biāo)準(zhǔn)，如圖13所示。

由以上試驗結(jié)果可知，微焦點棒陽極射線自動化檢測技術(shù)不但實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同坡口狀態(tài)焊縫的檢測，而且驗證了采用熱切割坡口與機(jī)加坡口對激光電弧復(fù)合焊質(zhì)量無明顯影響。

3 結(jié)論

激光電弧復(fù)合焊技術(shù)在軌道客車轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管中厚板焊接中的應(yīng)用，獲得了行業(yè)內(nèi)首個主機(jī)廠獨立開發(fā)的復(fù)合焊轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)件，實現(xiàn)了高質(zhì)量、高效率的單面焊雙面成形關(guān)鍵技術(shù)的突破。為確保轉(zhuǎn)向架焊接質(zhì)量[7]，針對軌道客車轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊環(huán)焊縫的結(jié)構(gòu)特點和檢測工藝難點，采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術(shù)實驗驗證了影響激光電弧復(fù)合焊焊接質(zhì)量的主要因素，也驗證了該技術(shù)適用于轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊環(huán)焊縫質(zhì)量檢測，底片圖像滿足ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級標(biāo)準(zhǔn)，微焦點棒陽極射線自動化檢測技術(shù)既保證了焊縫質(zhì)量又提高了生產(chǎn)效率，檢測成本明顯降低[8]，達(dá)到了比較滿意的結(jié)果。

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