特定形狀焊縫MAG焊成形工藝 在轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)中的應(yīng)用

安博 姜斌 王立云 郝曉衛(wèi) 祁建偉 高德佳 王明峰

摘要：針對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜特點(diǎn)，分析焊縫成形的工藝難點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出一種特定形狀或尺寸焊縫的成形工藝，通過(guò)采用與特定形狀焊縫外形相同的陶瓷墊板，實(shí)現(xiàn)了特定形狀焊縫的MAG焊直接成形，既減少了焊接填充量，顯著減少焊后打磨工作量，又避免了堆焊特定形狀焊縫時(shí)頻繁的起弧、收弧作業(yè)，從而提高了焊縫質(zhì)量，顯著提升轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)效率。此項(xiàng)技術(shù)已在部分轉(zhuǎn)向架構(gòu)架生產(chǎn)中得到了應(yīng)用和推廣，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架;MAG焊;陶瓷墊板;成形工藝

中圖分類號(hào)：TG441.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）01-0089-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.14

0? ? 前言

轉(zhuǎn)向架是軌道車(chē)輛的重要組成部件之一，其中，構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架傳遞牽引力和承載載荷的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是整個(gè)轉(zhuǎn)向架的骨架，目前高鐵、城軌、普通干線客車(chē)的構(gòu)架多采用焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜[1-3]。為了保證構(gòu)架受力的有效傳導(dǎo)，避免應(yīng)力集中，提高疲勞壽命，構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)工件連接的平滑過(guò)渡，造成構(gòu)架中存在大量的特定外形尺寸的端部焊縫，如封頭或燕尾。在軌道車(chē)輛行業(yè)內(nèi)，由于設(shè)計(jì)理念的不同，歐洲企業(yè)轉(zhuǎn)向架端部焊縫常采用封頭焊縫形式，典型代表如西門(mén)子;而日系企業(yè)常采用燕尾焊縫形式，典型代表如川崎重工。目前這些焊縫主要通過(guò)斷弧堆焊的方式焊接，焊后通過(guò)人工打磨整形來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的焊縫外形尺寸。

文中介紹了一種焊縫焊接直接成形方法，特別適用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中特定形狀、尺寸的端部焊縫的MAG焊焊接作業(yè)，其主要特點(diǎn)是根據(jù)轉(zhuǎn)向架所需焊縫尺寸，設(shè)計(jì)出特定形狀的陶瓷墊板，并研究相應(yīng)焊接工藝，制定合理的焊接作業(yè)順序，通過(guò)焊接試驗(yàn)和焊縫金相分析，驗(yàn)證并確定了特定形狀焊縫焊接直接成形的最優(yōu)工藝方案。

1 轉(zhuǎn)向架特定形狀焊縫介紹

特定形狀焊縫一般指形狀不規(guī)則，常規(guī)焊縫標(biāo)注方法無(wú)法表達(dá)出所要求的焊縫外形或尺寸，進(jìn)而無(wú)法通過(guò)常規(guī)的MAG焊方法直接焊接成形的焊縫，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中的特定形狀焊縫主要有不規(guī)則尺寸封頭焊縫、燕尾焊縫等。封頭焊縫是轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中最為常見(jiàn)的一種焊縫形式，如圖1所示，一般位于工件端部，沿工件板厚方向焊接，根據(jù)EN15085-3標(biāo)準(zhǔn)，封頭焊縫應(yīng)環(huán)繞工件端部，如果條件允許，端部應(yīng)該實(shí)現(xiàn)不間斷焊接[4]。轉(zhuǎn)向架焊接生產(chǎn)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)需要，有時(shí)會(huì)要求焊接出焊腳不對(duì)稱的角焊縫。燕尾焊縫端部與兩側(cè)角焊縫熔合，平滑過(guò)渡，因形似燕尾而得名[5]。在構(gòu)架處于高應(yīng)力區(qū)的結(jié)構(gòu)突變位置，主要采用燕尾焊縫形式，如圖2所示，圖中黑色部分為打磨整形后的燕尾焊縫形式。燕尾焊縫能夠?qū)崿F(xiàn)工件與母材的平滑過(guò)渡，顯著減少應(yīng)力集中，從而提高構(gòu)架的疲勞壽命[6]。

特殊形狀焊縫的主要作用有：（1）降低焊縫與母材間的應(yīng)力集中，提高構(gòu)架的疲勞壽命;（2）傳導(dǎo)應(yīng)力，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架運(yùn)行過(guò)程中承受疲勞載荷，避免造成工件失效開(kāi)裂;（3）密封作用，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)口，產(chǎn)生工件腐蝕。

2 常規(guī)焊接方法

2.1 常規(guī)方法介紹

目前轉(zhuǎn)向架特定形狀端部焊縫焊接過(guò)程如下：首先焊接焊縫的主要承載部分，端部焊縫先不焊接，待主要承載部分完成后，再進(jìn)行端部特定形狀焊縫的堆焊工作，堆焊出足夠的焊腳尺寸，如圖3所示，保證焊縫打磨之后仍滿足圖紙中焊縫最小尺寸要求;現(xiàn)有技術(shù)方案實(shí)施焊接時(shí)，由于熔池金屬受到重力作用，每次焊接填充量不能太大，否則會(huì)造成熔敷金屬向下流淌，只能采用小參數(shù)、多道數(shù)、小填充量的工藝進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)按照表1中序號(hào)1常規(guī)堆焊方法執(zhí)行。

2.2 常規(guī)方法的缺點(diǎn)

雖然常規(guī)制造工藝基本能滿足現(xiàn)有要求，但其缺點(diǎn)也十分明顯。首先，焊接作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，每堆焊一定厚度后必須等待焊縫冷卻，否則焊縫溫度高，熔池金屬下墜，為達(dá)到圖紙規(guī)定的焊縫高度尺寸需多層多道焊接，同時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間的等待，而頻繁起弧、收弧增加了焊縫出現(xiàn)未熔合、夾雜等缺陷的概率，影響焊接質(zhì)量;其次，焊接填充量大，特定形狀端部焊縫需要焊接出足夠尺寸，以保證焊縫打磨后滿足圖紙規(guī)定的最小尺寸，而焊接過(guò)程中，端部焊縫熔敷金屬由于沒(méi)有工件坡口面的阻擋而自由流淌，當(dāng)焊接出圖紙規(guī)定的焊縫高度尺寸時(shí)，焊縫的橫向已產(chǎn)生很大的焊縫填充量，通過(guò)多次測(cè)量打磨前后焊縫尺寸的方式粗略測(cè)算，采用此堆焊方式至少多焊接30%的填充金屬;最后，也是最致命的缺點(diǎn)，就是打磨量大，生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)焊工為減少打磨工作，盡量將焊縫尺寸控制在最小，但是由于焊接時(shí)缺乏參照，堆焊量難以掌握，經(jīng)常出現(xiàn)焊縫打磨完成后小于圖紙規(guī)定尺寸的情況，需再次堆焊、重新打磨，導(dǎo)致工作量成倍增加，因此焊工焊接時(shí)一般都多堆焊出一定尺寸，保證足夠的打磨余量，轉(zhuǎn)向架采用的低合金鋼材料硬度高，打磨難度極大，打磨作業(yè)時(shí)間很長(zhǎng)，嚴(yán)重制約生產(chǎn)進(jìn)度，增加生產(chǎn)成本。

3 特定形狀的焊縫成形方法

3.1 新方法介紹

針對(duì)轉(zhuǎn)向架特定形狀焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用一種MAG焊焊接端部特定形狀焊縫直接焊接成形方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。采用與焊腳尺寸相同或相近輪廓尺寸的陶瓷墊板約束焊縫直接焊接成形，基本原理如圖4所示，同時(shí)根據(jù)不同焊縫外形及焊接位置，優(yōu)化焊接層道數(shù)、焊接順序等方法，提高焊縫質(zhì)量，減少堆焊工作量，進(jìn)而降低打磨工作量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，并能夠使焊縫直接焊接成形，保證焊縫的一致性。

3.2 工藝試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為S355J2W+N鋼板，規(guī)格為200 mm×

200 mm×12 mm，打磨去除表面鐵銹，選用公司現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的陶瓷墊板，陶瓷墊板執(zhí)行CB/T3715-1995標(biāo)準(zhǔn)，焊材選用規(guī)格為φ1.0 mm的ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊絲，焊接設(shè)備選用松下YD-350GLW型焊機(jī)。

3.2.2 焊縫質(zhì)量試驗(yàn)

采用新方法進(jìn)行特定形狀焊縫的約束成形焊接時(shí)，最大的問(wèn)題是陶瓷墊板與試板連接焊縫根部出現(xiàn)尖角不熔合問(wèn)題。為此決定采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)形式的陶瓷墊板進(jìn)行工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證焊縫與母材尖角位置的熔合情況。

由于特定形狀陶瓷墊板需單獨(dú)定做，本試驗(yàn)選擇對(duì)接焊縫常規(guī)陶瓷墊板，將兩塊陶瓷墊板放于試板上，分別用F型卡具將陶瓷墊板固定牢固，使陶瓷墊板與試板間呈90°夾角，如圖5所示。

在兩陶瓷墊板間進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)按照表1中序號(hào)2成形新方法執(zhí)行，進(jìn)行多層多道焊接。焊接時(shí)，首先焊接陶瓷墊板與試板尖角處，焊絲與試板呈45°夾角，電弧始終指向尖角處，不加擺動(dòng)運(yùn)槍，其余各道熔敷金屬與陶瓷墊板接觸位置焊接時(shí)焊絲與陶瓷墊板的夾角不能小于30°，避免熔敷金屬與陶瓷墊板接觸面出現(xiàn)層間未熔合等缺陷。焊后去除陶瓷墊板，觀察陶瓷墊板與試板尖角位置，如圖6所示，該位置成形良好，未出現(xiàn)未熔合、根部凹陷等缺陷。然后進(jìn)行宏觀金相觀察，沿圖6中紅線位置進(jìn)行切割，宏觀金相如圖7所示。由圖7可知，采用此焊接方法焊接時(shí)，焊縫在陶瓷墊板與試板尖角位置處熔合良好，能夠有效保證焊接質(zhì)量[7]。

3.2.3 焊縫成形試驗(yàn)

采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)陶瓷墊板進(jìn)行焊縫成形試驗(yàn)。首先將兩塊鋼板組裝成T型接頭，然后在立板兩側(cè)組裝陶瓷墊板，通過(guò)F型卡具固定，調(diào)整焊接位置研究其對(duì)成形的影響，分別在平角焊（PB）和船型焊（PA）位置進(jìn)行端部焊縫焊接試驗(yàn)，焊接時(shí)注意焊槍角度，使焊絲時(shí)刻指向母材，陶瓷墊板能夠有效支撐焊縫兩側(cè)成形，如圖8所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用船型焊位置焊接，能夠有效控制端部焊縫外觀成形，而在平角焊位置焊接時(shí)熔池金屬下墜，當(dāng)采用大規(guī)范焊接時(shí)無(wú)法保證焊縫外觀成形。采用船型焊位置的成形效果如圖9所示。焊接過(guò)程中，要控制每道焊縫的填充金屬量，每層焊縫的厚度小于4 mm，同時(shí)控制焊縫寬度，要求焊絲擺寬小于20 mm。

接著研究特定形狀焊縫兩側(cè)角焊縫的焊接順序?qū)Χ瞬亢缚p成形效果的影響，主要研究焊接方向?qū)Τ尚涡Ч挠绊憽Ｖ贫ˋ、B兩種焊接方向進(jìn)行焊接試驗(yàn)，均采用船型焊位置焊接，A方向在端部焊縫處起弧焊接至母材，B方向與A方向相反，從母材處起弧焊接至端部焊縫，焊接至焊縫末尾時(shí)采用收弧電流焊接，兩種焊接方案如圖10所示。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用A方向焊接時(shí)操作難度較低，焊縫成形較好，而采用B方向焊接時(shí)，端部焊縫需要預(yù)設(shè)焊機(jī)收弧程序，采用收弧電流進(jìn)行焊接，焊縫成形不易控制，成形較差，A、B方向的焊縫成形外觀如圖11所示。

試驗(yàn)證明，采用此焊接方法能夠?qū)崿F(xiàn)特定形狀焊縫的MAG焊直接成形[8]。

4 新方法應(yīng)用

4.1 特定形狀陶瓷墊板制作

基于焊縫質(zhì)量試驗(yàn)和焊縫成形試驗(yàn)的良好效果，決定選取一種轉(zhuǎn)向架構(gòu)架常見(jiàn)的端部焊縫形式，設(shè)計(jì)一種非標(biāo)結(jié)構(gòu)的特定尺寸的陶瓷墊板，結(jié)構(gòu)如圖12所示，并聯(lián)系廠家進(jìn)行開(kāi)模制造，陶瓷墊板帶有鋁箔黏膠，焊前能夠粘貼在工件表面，該陶瓷墊板能夠同時(shí)滿足工件左右兩側(cè)的粘貼使用。

4.2 非標(biāo)陶瓷墊板焊接試驗(yàn)

采用特制陶瓷墊板進(jìn)行端部焊縫的實(shí)際焊接作業(yè)，如圖13所示，組裝時(shí)保持兩墊板端面處于同一水平面，焊接時(shí)陶瓷墊板端面作為焊腳尺寸參照基準(zhǔn)，能夠保證焊縫焊腳尺寸的一致性;兩側(cè)陶瓷墊板與T型接頭兩鋼板能夠有效阻擋熔敷金屬的自然流淌，降低對(duì)焊接參數(shù)的敏感性，使端部焊縫焊接直接成形，焊接操作難度顯著降低。然后去除陶瓷墊板，焊縫與母材之間過(guò)渡良好，在進(jìn)行端部焊縫兩側(cè)角焊縫的焊接前，無(wú)需對(duì)陶瓷墊板與母材夾角位置進(jìn)行修磨處理。

4.3 新方法應(yīng)用案例

新方法已經(jīng)在部分轉(zhuǎn)向架項(xiàng)目焊接生產(chǎn)中進(jìn)行了實(shí)際推廣應(yīng)用，例如某型轉(zhuǎn)向架中橫向減震器與縱向梁上蓋板連接4條端部焊縫，如圖14所示，焊縫成形美觀，打磨工作量降低，焊接效率提高一倍。

5 結(jié)論

（1）采用上述成形新方法也能夠大大減少堆焊時(shí)頻繁起弧、收弧焊接作業(yè)，相對(duì)于原有技術(shù)，焊縫質(zhì)量顯著提高。

（2）通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)形狀的非標(biāo)結(jié)構(gòu)陶瓷墊板，此焊接新方法能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同形狀、尺寸焊縫的直接焊接成形。

（3）采用此新方法能夠減少焊接填充量，顯著降低焊縫打磨整形工作量，提高焊接生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

安博，楊鑫華，胡文浩，等. 基于SYSWELD的一種轉(zhuǎn)向架側(cè)梁筋板結(jié)構(gòu)研究[J].焊接技術(shù)，2018，47（10）：16-20.

曹競(jìng)瑋. 機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接疲勞強(qiáng)度評(píng)定的工程方法應(yīng)用[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，16（1）：81-86.

李小軍，劉冠男. CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵制造工藝[J].電焊機(jī)，2018，48（3）：102-108.

EN15085-3：2007.Railway applications-Welding of railway vehicles and components-Part 3：Design requirements[S]. 2007.

張輝，張偉.挖掘機(jī)減應(yīng)力焊縫焊接質(zhì)量控制方法[J].工程機(jī)械，2015，46（2）：47-51.

曹富龍等.基于Workbench的工程機(jī)械燕尾焊縫研究[J].工程機(jī)械，2017，48（9）：17-21.

陶有朋.某地鐵車(chē)型橫梁組焊工藝及焊接缺陷分析[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2018（6）：15-17.

盧峰華，許鴻吉.S355J2W+N耐候鋼焊接接頭的組織和力學(xué)性能[J].熱加工工藝，2012，41（5）：137-139.