等離子-MAG復(fù)合焊在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接中的應(yīng)用前景

張成銘 魏葦 李由 徐志龍中車長春軌道客車股份有限公司

等離子-MAG復(fù)合焊在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接中的應(yīng)用前景

張成銘 魏葦 李由 徐志龍
中車長春軌道客車股份有限公司

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接目前主要采用MAG焊，在焊接過程中焊接變形較大，焊后需采用火焰或機(jī)械方法進(jìn)行矯正，增加了制造成本。并且由于MAG焊工藝的熔深能力局限，無法通過減小坡口角度來控制焊接變形。對于某些T型接頭組合，還會(huì)出現(xiàn)焊縫根部未焊透等缺陷。因此，本文淺談一種適合于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接的等離子-MAG復(fù)合焊接方法。

等離子-MAG復(fù)合焊 轉(zhuǎn)向架 構(gòu)架焊接

在鐵路車輛中，轉(zhuǎn)向架起支承車體、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的作用，其保證列車在軌道上安全平穩(wěn)地運(yùn)行。轉(zhuǎn)向架直接與輪軌產(chǎn)生相互作用，是決定列車走行性能最為關(guān)鍵的部件。因此，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接生產(chǎn)質(zhì)量對列車品質(zhì)和行車安全都具有十分重要的意義。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接主要采用自動(dòng)化和半自動(dòng)化的熔化極氣體保護(hù)焊（簡稱MAG焊），由于轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜焊縫較多，焊后產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，焊接和打磨工作量非常大，生產(chǎn)效率低；焊接和打磨所產(chǎn)生的煙塵、電弧產(chǎn)生的熱量使工作環(huán)境非常差。MAG焊在焊接過程中易產(chǎn)生焊接變形，這就要求采用火焰或者機(jī)械的方法進(jìn)行矯正，不但增加了加工成本，更延長了生產(chǎn)周期，而且還可能惡化殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)[2]。此外，在焊接接頭尤其是T型接頭中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊縫根部未焊透等缺陷。顯然焊根未焊透將引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊接接頭的抗疲勞性能降低。

等離子-MAG復(fù)合熱源焊接技術(shù)是由等離子電弧焊和MAG焊（熔化極氣體保護(hù)電弧焊）這兩種成熟的標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝結(jié)合而成的一種新型復(fù)合焊接工藝。其將高能量密度，熔寬小、熔深大的等離子弧與低能量密度，熔寬大、熔深小的MAG電弧同軸或旁軸復(fù)合使用，能利用等離子弧獲得深熔效果，MAG弧獲得熔寬，可通過焊絲調(diào)節(jié)焊縫成分，使其具有焊接速度快，熔深大，焊接熱輸入低，熱影響區(qū)窄，減小殘余應(yīng)力控制焊接變形，焊接飛濺少，焊接質(zhì)量高等特點(diǎn)。這種新的焊接技術(shù)，有利于解決在上述轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)中所出現(xiàn)的問題。

等離子-MAG復(fù)合焊接方法是在1972年4月由荷蘭飛利浦公司試驗(yàn)研究中心的W.G.Essers和A.C.Liefken等人最早在飛利浦焊接報(bào)告中提出的一種新型焊接方法[3]。早期由于焊接設(shè)備限制等諸多問題，這種高效的焊接方法沒有得到很好的發(fā)展，但近些年來，國外對于等離子-MAG復(fù)合焊展開了大量的研究與開發(fā)工作，并在高強(qiáng)鋼和鋁合金的焊接中得到了實(shí)際應(yīng)用，而國內(nèi)關(guān)于這方面的研究及應(yīng)用還比較少。

等離子-MAG復(fù)合焊焊接時(shí)由高能量密度的等離子弧保證焊縫熔深，并且有預(yù)熱及攪拌和清理的作用，為MAG焊的焊接做好了準(zhǔn)備；而MAG焊則高效的填充了等離子弧所產(chǎn)生的空隙，從而實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的復(fù)合熱源焊接。與傳統(tǒng)的MAG焊相比，等離子-MAG復(fù)合焊具有以下特點(diǎn)：①焊接速度快，焊縫質(zhì)量高，焊接過程飛濺少；②焊接熱輸入低，能量集中，熱影響區(qū)窄，焊后工件變形小；③實(shí)現(xiàn)電弧穩(wěn)定燃燒的參數(shù)范圍廣；④熔敷效率高[4]。

等離子-MAG復(fù)合焊同樣也存在不足：由于需要等離子弧和MAG電弧在焊接過程中在焊槍內(nèi)同時(shí)穩(wěn)定燃燒，因此對焊槍設(shè)計(jì)精度要求較高，后期維護(hù)困難較大；摸索焊接工藝參數(shù)時(shí)需要調(diào)節(jié)的參數(shù)過多，工作量較大。

等離子-MAG復(fù)合焊焊槍需保證等離子弧和MAG電弧在同一個(gè)焊槍中穩(wěn)定燃燒，對焊槍的耐熱性和絕緣性及設(shè)計(jì)精度要求較高，可以說焊槍是整個(gè)系統(tǒng)的核心組件。根據(jù)等離子弧燃燒位置的不同，等離子-MAG復(fù)合焊焊槍可以分為兩類：偏置式（旁軸式）和同軸式，其中旁軸式焊槍等離子弧是在鎢極和工件之間燃燒，同軸式焊槍等離子弧是在噴嘴和工件之間燃燒。

真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的等離子-MAG復(fù)合焊接設(shè)備是以色列等離子激光技術(shù)（PLT）公司研制的SUPER-MAG復(fù)合焊接系統(tǒng)，其焊槍采用旁軸一體式設(shè)計(jì)，焊接時(shí)等離子弧置前，在工件內(nèi)產(chǎn)生匙孔，MAG電弧隨后，填充等離子弧產(chǎn)生的空隙。在該焊接設(shè)備中，等離子弧為負(fù)極，MAG電弧為正極，電流通過兩個(gè)電極相互作用產(chǎn)生電磁力F。SUPER-MAG復(fù)合焊接設(shè)備的原理簡介如圖1.5所示[5]。

圖1 SUPER-MAG復(fù)合焊接設(shè)備焊接原理簡介[5]Fig.1 Brief introduction of SUPER-MAG hybrid welding equipment principle

田仁勇等針對相同條件的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用耐候鋼對接和T型接頭，分別采用MAG焊和等離子-MAG復(fù)合焊接方法進(jìn)行焊接。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)MAG焊對比，采用等離子-MAG復(fù)合焊接方法的接頭，拉伸殘余應(yīng)力明顯降低且焊接變形減小。

吳向陽[7]等采用等離子-MAG焊接方法，焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用耐候鋼窄坡口對接接頭。結(jié)果表明，等離子-MAG復(fù)合焊窄坡口（30°）的對接接頭，焊縫根部焊道完全熔透，且與普通MAG焊60°坡口的接頭相比，焊接變形明顯變小。

綜上所述，等離子-MAG復(fù)合焊有著焊接速度快，熔深大，焊接熱輸入低，熱影響區(qū)窄，焊接變形小，焊接飛濺少，焊接質(zhì)量高的特點(diǎn)。且通過相關(guān)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，等離子-MAG復(fù)合焊在焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用耐候鋼時(shí)，與傳統(tǒng)的MAG焊相比，可以有效的減少焊接變形，降低殘余應(yīng)力，在窄坡口焊接時(shí)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，且根部完全熔透。非常適合轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相關(guān)零部件的焊接，有很廣闊的應(yīng)用前景。

[1] Jung-Seok Kim，Nam-Po Kim，Seong-HoHan．Experimentstudy on the structural safety assement of the tilting bolsterframe[J]．Key Engineering Materials，2006(321-323):603-606.

[2]崔曉芳，馬君，兆文忠．高速動(dòng)力車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形的數(shù)值分析研究[J]．鐵道學(xué)報(bào)，2006,26(3):31-35.

[3]Essers WG,Liefkens AC.Plasma-MI Gweldingdevelopedby Philip s[J].Machineryand Production Engineering,1972,121(3129):631-634.

[4]PinfoldBE,JubbJEM.Plasma-MIGwelding[J].Weldingand Metal Fabrication,1974,56(2):54-56.

[5]王長春．全新的技術(shù)突破-等離子-MIG復(fù)合焊工藝[J]．現(xiàn)代焊接，2010，(11)：18-20．

[6]田仁勇，史春元，吳向陽，等．基于等離子-MAG復(fù)合焊的SMA490BW焊接接頭殘余應(yīng)力與變形測量[J]．熱加工工藝，2016，45(3)：45-46．

[7]吳向陽，張志毅，齊維闖，等．窄坡口等離子-MAG復(fù)合焊工藝參數(shù)優(yōu)化[J]．焊接學(xué)報(bào)，2017，38(5)：116-118．