機(jī)車車體蒙皮藥芯立焊系統(tǒng)及工藝研究

焦金明，岳 娟，呂純潔，高 瑩

1.中車大同電力機(jī)車有限公司，山西 大同 037038

2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222

0 前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展，機(jī)車車輛工業(yè)必須迅速與世界水平接軌，面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前而言，國(guó)內(nèi)機(jī)車車輛制造水平與世界先進(jìn)水平存在較大差距，一方面車輛耐久可靠性差，另一方面外觀質(zhì)量較差，尤其是內(nèi)燃機(jī)車車體側(cè)墻蒙皮不平更為突出[1]。以大連機(jī)車車輛廠制造的內(nèi)燃機(jī)車為例，側(cè)墻蒙皮每側(cè)采用26塊鋼板拼接，鋼板數(shù)量多，焊縫長(zhǎng)且縱橫交錯(cuò)，焊后應(yīng)力變形復(fù)雜，機(jī)車車體鋼結(jié)構(gòu)側(cè)墻蒙皮漲拉板的組焊工藝直接影響蒙皮質(zhì)量，進(jìn)而影響車體的外觀成形和總裝質(zhì)量。由于車身較高（約5 m），其垂直立焊焊縫的焊接質(zhì)量對(duì)后序的大直縫橫焊有很大影響，故保證其質(zhì)量非常重要。高鐵蒙皮立焊示意如圖1所示。

圖1 高鐵蒙皮立焊示意Fig.1 Vertical welding beam of Locomotive body

目前主機(jī)制造廠的車體、轉(zhuǎn)向架、車頂以及關(guān)鍵構(gòu)架等主要受力部件的焊接仍以混合氣體保護(hù)焊為主，自動(dòng)化焊接設(shè)備應(yīng)用較少[2-3]。機(jī)車?yán)瓭q板組焊多采用實(shí)心焊絲、人工焊接的方式，由于車身高度較高，立焊工藝中熔融金屬的重力對(duì)成形起到負(fù)面作用，同時(shí)焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以實(shí)心焊絲在立焊位置控制熔池成形難度較大，難以保證焊接質(zhì)量和效率，因此需進(jìn)行改進(jìn)。

焊接生產(chǎn)效率主要由熔敷速度來(lái)衡量，而傳統(tǒng)模式下的手工焊接由于受到焊接環(huán)境、人類視覺(jué)的先天局限，已無(wú)法滿足現(xiàn)代工藝要求[4]。對(duì)于普通CO2焊接工藝而言，提高效率就意味著增加電流，實(shí)心焊絲因其冶金調(diào)節(jié)能力較差，無(wú)法使用大電流施焊，極易造成焊縫過(guò)熱，出現(xiàn)熔融金屬流淌的現(xiàn)象，影響焊縫質(zhì)量。藥芯焊絲作為一種高效焊材已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，其焊道成形美觀、電弧穩(wěn)定、焊接飛濺小、全位置焊接工藝性能好，焊接熔敷速度快，生產(chǎn)效率高[5]。

本文開(kāi)發(fā)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)蒙皮立焊系統(tǒng)，同時(shí)研制了脫氫性能良好的TME711V藥芯焊絲，運(yùn)用該系統(tǒng)和TME711V藥芯焊絲進(jìn)行了實(shí)車焊接，并通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)得出較優(yōu)的工藝參數(shù)。

1 立焊系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 立焊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，設(shè)計(jì)的立焊系統(tǒng)采用焊接小車與軌道組成的機(jī)械機(jī)構(gòu)，軌道為齒條結(jié)構(gòu)，為方便軌道布置采用磁性感應(yīng)開(kāi)關(guān)固定，小車的行走機(jī)構(gòu)采用配離合器的齒輪機(jī)構(gòu)，方便拆裝。焊槍夾具配合擺動(dòng)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)立焊過(guò)程中焊槍擺動(dòng)，以增加側(cè)板的熔化，避免咬邊等焊接缺陷。

圖2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意Fig.2 Schematic Diagram of Motion Mechanism

1.2 立焊小車控制器

為方便焊接操作，系統(tǒng)采用8位單片機(jī)為核心控制部件，配合8位8段動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示焊接參數(shù)，調(diào)節(jié)旋鈕、按鍵等I/O設(shè)備，以增加系統(tǒng)交互性，具體功能原理如圖3所示。

圖3 控制器功能原理Fig.3 Functional schematic diagram of controller

控制原理為：以單片機(jī)為控制核心，采用無(wú)刷電機(jī)為運(yùn)動(dòng)器件，通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕與開(kāi)關(guān)控制小車行走速度與行走方向，同時(shí)開(kāi)啟擺動(dòng)模式。對(duì)于立焊工藝焊槍擺動(dòng)比較重要，從工藝角度對(duì)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括擺動(dòng)模式、擺動(dòng)速度、擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)左位置停留時(shí)間、擺動(dòng)右位置停留時(shí)間、擺動(dòng)中間位置停留時(shí)間。擺動(dòng)模式如圖4所示。

圖4 焊槍擺動(dòng)模式Fig.4 Swing mode of welding gun

立焊小車控制器針對(duì)在實(shí)驗(yàn)中靈活應(yīng)用的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以下主要功能：

（1）立焊行走恒定速度控制輸出。該控制器可以始終向運(yùn)動(dòng)電機(jī)送出恒定速度控制信號(hào)。

（2）立焊行走變速控制輸出。對(duì)于長(zhǎng)焊縫由于熱輸入的持續(xù)性，焊接后期焊縫熱量增大，需要相應(yīng)降低熱輸入以便控制變形，該控制器可以進(jìn)行階段式變速，實(shí)現(xiàn)前期緩慢行走，后期快速行走的功能，以實(shí)現(xiàn)焊縫熱輸入的控制，避免焊接變形。

（3）立焊擺動(dòng)控制輸出。對(duì)于較厚側(cè)板搭接焊縫，由于焊縫較寬，焊槍保持不變不能實(shí)現(xiàn)一次成形，需要焊槍橫向擺動(dòng)，控制器可以實(shí)現(xiàn)立焊過(guò)程中焊槍擺動(dòng)，其擺動(dòng)角度、擺動(dòng)幅度可以通過(guò)面板進(jìn)行設(shè)置。

（4）焊接電源遠(yuǎn)程啟動(dòng)?？刂破骺梢詫?shí)現(xiàn)與焊接電源的簡(jiǎn)單通信，以便實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)啟動(dòng)、停止。

1.3 焊接試驗(yàn)設(shè)備

通過(guò)將松下YD-500FR焊接電源、立焊小車控制器、工裝相連接，構(gòu)建了完整的機(jī)車車體鋼結(jié)構(gòu)蒙皮漲拉板立焊焊接系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體連接Fig.5 Overall diagram of experimental equipment

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)覆?/h3>

HXD系列機(jī)車車體鋼結(jié)構(gòu)蒙皮漲拉板采用S355J2型低合金高強(qiáng)鋼，板厚6 mm，其屈服強(qiáng)度大于355 MPa，抗拉強(qiáng)度450 ～680 MPa。同時(shí)含硫量低，冶金質(zhì)量高，可以滿足鐵路機(jī)車運(yùn)輸中距離長(zhǎng)、應(yīng)力復(fù)雜、冷熱跨度大的工作環(huán)境，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 母材合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）[6]Table 1 Composition of base metal alloy（wt.%）

2.2 藥芯焊絲設(shè)計(jì)

本文為了實(shí)現(xiàn)漲拉板高效立焊，需要使用高粘度渣系的藥芯焊絲，中車大同電力機(jī)車有限公司與天津中興盛達(dá)鋼業(yè)公司合作聯(lián)合開(kāi)發(fā)了適應(yīng)立焊工藝的TME711V型無(wú)縫藥芯焊絲。利用線填粉后高頻焊合無(wú)縫藥芯焊絲制造技術(shù)，TME711V型無(wú)縫藥芯焊絲封閉了焊絲上鋼帶的接口，清除了焊絲表面接口處殘留的拉絲潤(rùn)滑劑對(duì)焊絲質(zhì)量的不利影響，降低了環(huán)境因素對(duì)焊絲質(zhì)量的影響。

TME711V藥芯焊絲采用金紅石、剛玉粉、石英粉，鎂砂粉為主要造渣成分，形成鈦鎂鋁渣系，有利于焊縫脫氫[7]。同時(shí)采用Mn-Si-Ni-Ti作為合金系，適當(dāng)加入鋁、鎂粉末與鈦鐵粉等強(qiáng)脫氧固氮元素[8-11]，對(duì)焊縫進(jìn)行進(jìn)一步冶金脫氧，提高焊縫韌性，藥芯成分見(jiàn)表2，熔敷金屬合金成分見(jiàn)表3。

表2 藥芯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）[7]Table 2 Chemical composition of drug core（wt.%）

表3 熔敷金屬合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Alloy content of welding materials（wt.%）

2.3 試驗(yàn)方法

采用松下YD-500FR進(jìn)行傳統(tǒng)手工CO2焊接工藝施焊，并對(duì)其焊接效率、焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)；然后再以立焊系統(tǒng)結(jié)合TME711V型藥芯焊絲進(jìn)行工藝試驗(yàn)，對(duì)比分析其試驗(yàn)結(jié)果。母材均為6 mm厚S355J2鋼板，手工CO2實(shí)心焊絲焊接采用ER50-6焊絲，藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊采用TME711V焊絲，直徑均為1.2 mm，焊絲干伸長(zhǎng)20 mm，焊縫長(zhǎng)度1 843 mm，保護(hù)氣體為CO2，氣體純度>99.5%，流量25 L/min，接頭形式均為搭接，焊接位置由下向上。

傳統(tǒng)CO2實(shí)心焊絲半自動(dòng)焊接試驗(yàn)采用傳統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行兩組試驗(yàn)，具體參數(shù)見(jiàn)表4。藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

表4 傳統(tǒng)CO2實(shí)心焊絲半自動(dòng)焊接參數(shù)Table 4 Parameters of traditional semi-automatic CO2welding with solid welding wire

表5 藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊參數(shù)Table 5 Parameters of automatic CO2welding with flux-cored wire

圖6 拉伸試樣Fig.6 Tensile specimen

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 宏觀形貌

選取外觀形貌較好的編號(hào)2、編號(hào)3進(jìn)行比較，如圖7所示。可以看出，采用手工CO2實(shí)心焊絲焊接的焊縫外觀形貌較差，表面輕度氧化。采用藥芯焊絲+CO2保護(hù)焊獲得的焊縫表面非常光滑，氧化極小，焊道平整，焊接質(zhì)量有較大提高。

圖7 自動(dòng)焊焊縫照片F(xiàn)ig.7 Photo of automatic welding seam

實(shí)心CO2焊為短路過(guò)渡，其電流增加會(huì)使短路過(guò)渡時(shí)熔滴顆粒變大，短路爆短時(shí)飛濺增加，同時(shí)立焊位置實(shí)心CO2焊由于鐵水含氧量高較為稀薄，容易向下流淌，所以傳統(tǒng)半自動(dòng)實(shí)心CO2焊無(wú)法通過(guò)提升電流與焊速的方式提升焊接效率。本文開(kāi)發(fā)的藥芯焊絲TME711V，焊藥中大量采用TiO2，起到了穩(wěn)弧劑的作用，配合其他藥粉其電弧穩(wěn)定，熔滴過(guò)渡形式也呈現(xiàn)多樣化，同時(shí)藥芯中加入了大量鎂、鋁、錳、硅、鈦等脫氧元素，使得藥芯焊熔池的含氧量低于實(shí)心焊，進(jìn)一步提升了熔池鐵水的粘稠度，同時(shí)藥皮具有一定強(qiáng)制成形作用，也保證了藥芯焊在大電流、高焊速的情況下的焊縫質(zhì)量。

3.2 金相組織

對(duì)2號(hào)和3號(hào)試樣進(jìn)行金相觀察，發(fā)現(xiàn)采用藥芯立焊系統(tǒng)焊接的試樣，其焊縫及其熱影響區(qū)組織細(xì)化，如圖8所示。

圖8 焊縫金相照片F(xiàn)ig.8 Metallographic photos of welds

由圖8可知，兩種焊縫都是由珠光體、鐵素體等常規(guī)組織組成，2號(hào)試樣的焊縫組織相比于3號(hào)試樣明顯粗大很多，焊縫組織之間明顯有粗大的碳化物，其熱影響區(qū)也明顯比3號(hào)試樣寬大。由于實(shí)心焊電流與焊速有一定限制，32號(hào)試樣線能量相比于3號(hào)試樣要大，這是實(shí)心焊相比于藥芯焊晶粒粗大的部分原因。此外，由于藥粉中加入了鎂、鋁等脫氧變質(zhì)元素，與鈦、硅、錳脫氧后容易形成不同焊渣，鎂、鋁脫氧后形成的氧化物更為細(xì)小，易分散在熔池鐵水中形成結(jié)晶核心，增加形核率，細(xì)化晶粒。

3.3 力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，藥芯焊絲自動(dòng)焊試樣的力學(xué)性能要明顯強(qiáng)于手動(dòng)實(shí)心焊絲試樣，其中3號(hào)試樣的力學(xué)性能最佳，其沖擊吸收能量與抗拉強(qiáng)度指標(biāo)分別達(dá)到108 J和580 MPa，相比于2號(hào)試樣分別提升23%和13%，效果明顯。

表6 試樣力學(xué)性能Table 6 Mechanical properties of samples

分析認(rèn)為，除了晶粒細(xì)化帶來(lái)的影響以外，由于所采用的藥芯焊絲中大量存在鎂、鋁、鈦、錳、硅等脫氧元素，進(jìn)一步降低了焊縫的含氧量，凈化熔池，同時(shí)在藥粉中加入了3%Ni粉可以有效地對(duì)焊縫進(jìn)行合金化，Ni本身為強(qiáng)韌化元素，高鎳的焊縫力學(xué)性能提升明顯，同時(shí)由于本文中藥芯焊絲采用無(wú)縫制造技術(shù)相比于其他藥芯焊絲制造技術(shù)，不易吸潮，焊絲含氫量低，造成了焊縫力學(xué)性能提升。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，分析了機(jī)車車體結(jié)構(gòu)漲拉板S355J2搭接焊縫效率與質(zhì)量的問(wèn)題，提出使用藥芯焊絲配合自動(dòng)小車進(jìn)行自動(dòng)化改造的思路。

（2）開(kāi)發(fā)了以單片機(jī)為控制核心的立焊控制器，同時(shí)設(shè)計(jì)了立焊小車及其行走擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車車體鋼結(jié)構(gòu)外蒙皮漲拉板組焊立焊的自動(dòng)化。

（3）設(shè)計(jì)了TME711V型藥芯焊絲，配合自動(dòng)焊接系統(tǒng)，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果證明，藥芯焊絲自動(dòng)立焊工藝所得到的焊縫焊接質(zhì)量與焊接效率遠(yuǎn)高于實(shí)心焊絲手工立焊。機(jī)車車體結(jié)構(gòu)垂直焊縫自動(dòng)焊藥芯焊絲較優(yōu)焊接參數(shù)為：電流180 A，電壓26.2 V，焊接速度30 cm/min。