窄間隙焊接技術(shù)在機(jī)車轉(zhuǎn)向架空心軸自動化焊接上的應(yīng)用研究

張祥，渠源，張虎

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000）

隨著軌道車輛向重載和高速方向發(fā)展，厚板焊接（板厚≥25mm）在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)中應(yīng)用越來越普遍，比如空心軸（板厚最大達(dá)35mm）、HXD1F型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架下蓋板（板厚25mm）等結(jié)構(gòu)都已應(yīng)用至構(gòu)架焊接生產(chǎn)。以機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動關(guān)鍵部件空心軸焊接機(jī)器人焊接為例，坡口深度達(dá)到35mm，坡口角度過大，焊接填充量大，生產(chǎn)效率低，容易出現(xiàn)缺陷；坡口角度過小，焊槍干伸長太長，打底層容易出現(xiàn)氣孔，且打底焊不易擺動，易出現(xiàn)未熔合等缺陷。目前采用25°坡口，空心軸焊接打底層焊槍干伸長為22mm，打底層容易出現(xiàn)氣孔，且打底焊不易擺動，易出現(xiàn)未熔合等缺陷，需要采用多層多道方式焊接，焊接1件II型動車組空心軸需要6～7h，生產(chǎn)效率低，一次性合格率難以保證。

1 窄間隙焊接技術(shù)

本項目使用卡爾克魯斯焊接技術(shù)（北京）有限公司提供窄間隙焊接設(shè)備、對現(xiàn)有CLOOS焊接機(jī)器人設(shè)備改造，應(yīng)用與空心軸焊接。通過引進(jìn)窄間隙焊接技術(shù)驗(yàn)證窄間隙焊接技術(shù)在厚板焊接中的可行性，包括對設(shè)備、焊接輔料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素的要求以及窄間隙焊接缺陷種類、焊縫性能、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性等，同時為后續(xù)厚板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及焊接工藝設(shè)計提供依據(jù)和方法。

2 母材材料、設(shè)備及焊接工藝介紹

2.1 材料介紹

空心軸軸端、軸身材料均為35鋼，壁厚34.5mm，采用焊絲為ER50-3實(shí)心焊絲，為限制熱輸入量，采用細(xì)絲氣體保護(hù)焊，焊絲直徑為1.2mm，母材與焊絲化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。

表1 母材與焊絲化學(xué)成分和力學(xué)性能

2.2 設(shè)備介紹

采用熔化極CO2氣體保護(hù)焊，焊接設(shè)備為CLOOS-QRC 350 焊接機(jī)器人，焊機(jī)為CLOOS窄間隙焊槍。

2.3 工件坡口設(shè)計

空心軸設(shè)計采用的坡口表2中序號1，為了驗(yàn)證宅間隙焊接技術(shù)，對坡口進(jìn)行優(yōu)化，同時考慮坡口寬度對焊接質(zhì)量的影響，具體坡口見表2中序號2至序號4。

表2 不同坡口形式的試驗(yàn)接頭

3 試驗(yàn)過程

1#、2#采用普通MAG焊，3#～8#采用窄間隙焊接。組裝工件定位焊固定后，上工裝夾具，焊接前先對工件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在150～200℃。將工件完成窄間隙焊接后放入珍珠巖保溫，冷卻至常溫后對工件進(jìn)行X射線探傷。X射線探傷結(jié)束后對工件進(jìn)行宏觀金相、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、硬度檢測等試驗(yàn)。

4 焊接工藝試驗(yàn)

（1）焊縫外觀檢測。焊后對焊縫外觀進(jìn)行目視檢測，焊縫表面質(zhì)量參照ISO 5817標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試樣1#、5#、6#（垂直坡口空心軸模擬工件，寬度分別是23mm、24mm）采用單道焊，表面存在熔合不良情況，其它工件的焊縫均成型良好，未存在表面缺陷，坡口寬度大于23mm采用單道焊會造成表面熔合不良情況，坡口寬度需要盡量控制在22mm以內(nèi)。（2）對焊接完成的8件工件進(jìn)行射線探傷，7#、8#工件（坡口寬度24mm）出現(xiàn)氣孔及未熔合現(xiàn)象。其中，未熔合缺陷主要是由于工件尺寸限制和坡口寬度較寬造成。氣孔的產(chǎn)生可能是在焊接過程中干伸長不合理導(dǎo)致，其余工件均未發(fā)現(xiàn)缺陷。（3）取樣32件對宏觀金相進(jìn)行觀察，29件不存在缺陷，成型良好；試樣7-2根部未焊透，原因可能是定位焊或者該位置擺動速度過快，熔池在該位置停留時間過短；試樣8-3、8-4均存在單邊未熔合現(xiàn)象。（4）對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的CHW-50C3焊絲，其抗拉強(qiáng)度為480～600MPa，實(shí)測值538Pa，母材35號鋼抗拉強(qiáng)度≥530MPa。結(jié)果表明抗拉強(qiáng)度均在要求規(guī)范內(nèi)，抵抗斷裂能力符合要求。大部分工件斷裂位置均在焊縫區(qū)域，而工件LS7-3斷裂在母材位置，工件LS8-2、LS8-3斷裂在熱影響區(qū)熔合線上，LS8-2工件的抗拉強(qiáng)度比其他工件低，對斷口進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫存在未熔合，氣孔缺陷。

彎曲試驗(yàn)是測定材料承受彎曲載荷時的力學(xué)特性試驗(yàn)。本次彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。能夠彎曲180°且焊縫表面無裂紋的試樣數(shù)量為26件，即彎曲試樣合格率為81%。不合格工件對斷口形貌觀察，發(fā)現(xiàn)大部分開裂在熔合線上，證明該位置熔合情況較差，是焊縫彎曲性能較薄弱區(qū)域；小部分開裂在焊縫位置，可能是該位置存在缺陷。

硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能。代表了其對其它物體的抵抗能力。硬度值越高，則表示耐磨性能越好，強(qiáng)度越高，但韌性、塑性就越差。根據(jù)焊接接頭硬度曲線分布可以看出，同一試樣中熱影響區(qū)的硬度最高，母材次之，焊縫略低于母材；不同試樣中，3#試樣的硬度曲線值較高，7#、8#試樣的硬度曲線值較低。焊縫中硬度值較低，減少了焊縫發(fā)生脆斷的可能性，同時在拉伸試驗(yàn)中證明了焊縫的強(qiáng)度在要求規(guī)范內(nèi)，保證焊縫各性能符合工藝要求。

5 試驗(yàn)結(jié)論

通過對模擬空心軸工件進(jìn)行窄間隙自動焊，及進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)性能試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

（1）采用窄間隙自動焊焊接技術(shù)焊接空心軸等厚板工件在實(shí)踐具有可行性，為后續(xù)中厚板焊接提供途徑。（2）窄間隙自動焊焊接空心軸可以減小設(shè)計時焊縫坡口角度，減小焊縫金屬填充量，板厚越厚，生產(chǎn)效率提升越明顯，該空心軸采用窄間隙生產(chǎn)效率相對普通手工焊提升約16.7%，節(jié)省約1h，板料越厚，對應(yīng)的生產(chǎn)效率提升越明顯。（3）窄間隙自動焊焊接空心軸外觀成形良好，但是對坡口的寬度要求較高，寬度22mm最優(yōu)，23mm和24mm易于出現(xiàn)為熔合。（4）對工件進(jìn)行基礎(chǔ)力學(xué)性能驗(yàn)證，試樣的抗拉強(qiáng)度均能達(dá)到工藝要求，部分試樣的韌性較差，在彎曲試驗(yàn)時發(fā)生斷裂；對試樣進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，焊縫區(qū)域硬度值最低，韌性塑性較好，母材次之，熱影響區(qū)最高，韌性較差，但強(qiáng)度高，耐磨性能好。