鐵路貨車制動用復合管管接頭TIG焊應用

程洪建 張志昌 張建鋒

(南車眉山車輛有限公司 工藝技術部，四川 眉山620032)

0 前言

在過去兩年，我公司批量生產的某焦炭運輸專用車的制動管系原材料采用不銹鋼冶金復合管（以下簡稱復合管），其覆層為不銹鋼材質，與以往批量生產用的不銹鋼管材質相比，其內壁具有較高耐腐蝕性，但其基層采用碳鋼材質，相對不銹鋼管降低原材料成本，經濟性較好。本文主要通過相關對比工藝試驗及生產過程來介紹復合管管接頭的TIG焊焊接工藝以及實際運用優化控制措施。

1 復合管材料特點

1.1 復合管結構

復合管是以20鋼無縫鋼管為基層（碳鋼層），1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄壁焊管為覆層（不銹鋼層），界面采用爆炸焊等方式使覆層連續均勻的覆于基層鋼管內壁所形成的復合管材料，如圖1所示。復合管的結構特性也使其在制動管加工工藝流程與采用不銹鋼管具有明顯的區別，由于復合管基層為碳鋼，所以與管接頭焊縫實際是碳鋼與碳鋼之間的焊縫，但為了不使內部不銹鋼覆層與碳鋼基層發生分離，熱輸入必須控制在較低的水平。

圖1 不銹鋼冶金復合管結構示意圖

1.2 制動管加工工藝流程

復合管加工工藝流程如下圖2所示：

圖2 復合管加工工藝流程

1.3 管件下料

由于復合管由覆層和基層冶金結合在一起，界面的結合強度與基層和覆層本身相對較弱，為確保加工過程基層與覆層不出現分離，避免給管接頭焊接帶來困難，其下料切割方式需慎重選取。經過不斷摸索與調試驗證，可采用直切車刀，通過調整車床運行轉速及進給量來減小車刀對復合層的影響，再經專用倒角機倒角加工后到達較理想的效果，且不會產生分層現象。

2 制動管焊接試驗

復合管使用技術要求明確規定與之配套使用的接頭體材質為20號鋼，且其表面經鋅鉻涂層(達克羅)處理，因此焊接前需通過焊接工藝試驗來確定相應的焊接工藝參數。

2.1 焊前準備

（1）表面雜質處理：復合管及接頭體的焊接部位應清除水分、鐵銹、油污等污物，另，根據運裝貨車[2009]89號文件要求，接頭體焊接區域不得有鋅鉻涂層，目前我公司已經購置數臺金相拋光機對管接頭焊接界面進行拋光打磨。拋光要求：接頭體焊接部位露出金屬光澤。

（2）組裝：要求復合管與接頭體組裝的間隙均勻且不大于1mm。焊接前，焊槍空運行，檢測和調試焊接設備的同軸度，使整個焊接過程中焊槍與焊件距離始終一致。

（3）環境要求：焊接環境溫度要求不低于5℃，焊接區域風速不大于1m/s。

2.2 焊接試驗設計

根據現場設備情況，實際焊接試驗采用2種不同的焊接方法：熔化極脈沖氣體保護焊（MAG）與鎢極氣體保護焊（TIG），焊接材料見表1。試驗設備為我公司脈沖MAG管件自動焊專機和TIG管件自動焊專機。

根據制動管的規格，制定相應的焊接工藝參數，表2為焊接試驗使用的工藝參數。

表1 試驗用焊接材料

表2 試驗用焊接參數

2.3 焊接試驗對比分析

試驗使用的MAG（圖3）、TIG（圖4）管接頭自動焊專機均是采用管件固定，焊槍圍繞管接頭作勻速圓周運動完成自動焊接。

圖3 MAG焊專機

圖4 TIG焊專機

采用表2中焊接參數進行試驗后，對得到的焊接試件進行如下對比分析：

（1）外觀焊縫質量對比（圖5、圖6）

從外觀上看，采用TIG焊生產的管接頭明顯優于MAG焊。TIG焊的焊縫波紋更細致、更規律，說明熔池前進及冷卻的過程更穩定。MAG焊的焊縫中部有鼓包的現象，即焊縫余高過高，說明管件TIG焊專機從焊縫外觀上更具優勢。

圖5 MAG焊焊縫外觀

圖6 TIG焊焊縫外觀

（2）內表面滲透探傷

圖7 MAG焊焊接接頭內表面

圖8 TIG焊焊接接頭內表面

圖9 MAG焊滲透探傷

圖10 TIG焊滲透探傷

在合理的焊接規范前提下，TIG焊與MAG焊都沒有產生基層與覆層的剝離，也沒有發生焊穿的情況，內部表面滲透探傷結果表明均沒有裂紋產生。

（3）宏觀金相對比

圖11 TIG金相圖片

圖12 MAG金相圖片

宏觀金相分析表明TIG焊明顯優于MAG焊。從熔合線的分布來看，MAG焊焊縫咬邊情況較為突出，TIG焊兩側母材熔合均勻，類似等腰直角三角形，而MAG焊兩側母材熔合深度不一。

從一系列的對比試驗看，TIG、MAG焊均能對復合管管接頭進行焊接。但TIG具有焊縫成型好，無氣孔，根部熔合更優的特點。目前我公司已淘汰了原有的MAG管接頭MAG專機，使用三臺TIG焊專機對各類車型的管接頭進行焊接作業，單班日產達到了20臺份以上，氣密性試驗通過率達到98%。

3 焊接質量控制

3.1 焊接角度

角接接頭（PB位置）：焊槍與水平線的夾角應在45°～60°之間，且鎢極應指向焊縫中心。如果焊接角度不正確，就會發生如圖13、圖14的情況，由于熔池偏向鋼管一側，造成側壁熔合過多，但焊縫根部未完全焊透。熔池由于重力作用塌陷，咬邊的情況更嚴重。焊槍角度如果過分偏向管材側，除了咬邊、根部未熔合，還會使管材承受過大的熱輸入從而造成復合管碳鋼層與不銹鋼層剝離。

圖13 咬邊

圖14 根部未熔合

正確的焊槍角度如15圖所示，焊槍與水平方向夾角45°～60°，與焊接方向夾角75°～85°。

圖15 PB位置焊槍正確角度示意圖

對接接頭（PA位置）正確的平對接環焊縫自動焊接時，焊槍角度應如圖16所示，焊槍與管材垂向中心線呈4°～7°夾角，焊絲與水平面夾角小于10°。

圖16 PA位置正確焊槍角度示意圖

3.2 焊接現場

目前鐵道車輛制動管接頭分為DN10、DN15、DN20、DN25、DN32五種規格，各規格的管件壁厚不盡相同，每種管接頭焊接工藝規程都會有差異。下圖17為我公司管件加工中心工藝看板，該看板清晰陳列出每條焊縫的焊接工藝規程，讓操作者可隨時查看。

圖17 工藝看板

3.3 其它影響因素

3.3.1 焊縫表面清潔度制動管件之管接頭焊縫，無論是何材質，焊前都需清潔，排除油污、銹蝕、表面鍍鋅處理層等對焊接有高危影響的因素。

3.3.2 焊接氣體

TIG焊采用氬氣，推薦使用純度大于99.9%的氬氣。氣流量應控制在15-22L/min，過低或過高的氣流量都不利于熔池的保護。

3.4 修焊

若氣密性試驗中有漏泄需要修焊時，修焊電流應比焊接電流小20-30A，修焊復合管焊接返修建議不超過兩次，以避免反復加熱造成接頭部位基層與覆層分離。

4 結束語

綜合本文所述，相比MAG焊接，TIG焊在鐵路貨車管件類短小焊縫的焊接上具有在成型、內部質量等方面的優勢。合理的焊接方法和焊接規范，諸如焊接角度、焊前清理、規范控制等是保證焊接質量的重要手段。本文所述的復合管焊接工藝措施，同樣適用于不銹鋼鋼管的管接頭焊接。經過數次批量生產驗證，采用TIG自動焊專機焊接制動管接頭后，氣密性實驗通過率一直保持在98%，焊縫外觀質量顯著提升。

［1］運裝貨車[2009]89號 不銹鋼冶金復合管技術條件（暫行）[Z].

［2］吳林，等，主編.焊接手冊[S].2版.機械工業出版社.