微焦點棒陽極射線檢測技術在轉向架激光電弧復合焊焊縫檢測中的應用

田勐 張勇 王麗萍 李凱 郭立明 孫明輝 孟慶順 呂健瑋

摘要：激光電弧復合焊工藝具有熔透性好、焊接熱輸入小、變形易控制等優點，其在軌道客車轉向架中厚板焊接中的應用解決了傳統MAG焊接存在的一些不足。結合軌道客車轉向架橫梁鋼管產品的結構特點，分析轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊焊縫射線檢測工藝難點，采用微焦點棒陽極技術對轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊環焊縫進行周向曝光檢測并在試驗中得到了驗證。結果表明，該技術可以準確地檢測出焊縫內部各種缺陷，并找出影響激光電弧復合焊焊接質量的主要因素是離焦量，研究了微焦點棒陽極射線檢測自動化檢測技術在轉向架橫梁鋼管中厚板焊縫檢測方面的應用，實現了該焊縫的全覆蓋，保證了焊縫質量。

關鍵詞：激光電弧復合焊;微焦點棒陽極;橫梁鋼管;環焊縫;射線檢測

中圖分類號：TG441.7 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0068-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.12

0 ? ?前言

激光電弧復合焊是高效焊接技術的主流，軌道車輛各大主機廠均以復合焊技術作為高效焊接技術研究與應用的重點之一。激光電弧復合焊具有熔透性高、熱輸入低、變形小的特點，其接頭疲勞性能優于MAG焊[1]。轉向架橫梁鋼管連接環焊縫為中厚板焊接結構，其焊接質量對軌道客車的運營安全有著重要影響，傳統MAG焊接方法存在熱輸入高、熔透性不佳、焊接變形大等問題，采用激光電弧復合焊能夠解決以上問題并實現典型部件的試制。文中針對轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊環焊縫，研究了微焦點棒陽極射線檢測技術對其進行內部檢測的可行性，并對其在橫梁管環焊縫激光電弧復合焊檢測中的應用進行試驗驗證[2]，驗證了工藝的可行性，可保證缺陷不漏探。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 試驗材料

轉向架橫梁鋼管焊接采用中車長春軌道客車股份有限公司的激光電弧復合焊系統，該系統配備15 kW光纖激光器、6軸工業機器人、旋轉變位機、福尼斯TPS5000弧焊電源，如圖1所示。軌道客車轉向架橫梁鋼管壁厚20 mm，是轉向架用關鍵部件，如圖2所示。檢測部位為轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊單面5層焊接全焊透環焊縫，熔深20 mm。轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊金相組織如圖3所示，經對復合焊試件缺陷進行統計，內部氣孔、背部焊瘤為主要缺陷，正面塌陷與背部縮溝為次要缺陷，且這兩種缺陷經常同時出現，需要對環焊縫進行內部檢測以保證焊縫質量。常規人工射線檢測方式需要人工進入鉛房多次才能完成檢測，時間過長，無法按時完成檢測任務。射線機焦點尺寸會影響照相圖像的清晰度和分辨率[3]，普通粗焦點周向X光機因轉向架橫梁鋼管內徑小不具備最小透照距離的要求，膠片圖像無法達到ISO17636標準中B級標準要求，底片幾何清晰度很差，因此無法采用常規的射線檢測方法[4]。而微焦點棒陽極射線檢測技術對轉向架橫梁鋼管環焊縫檢測具有顯著優勢[5]，對一個環焊縫進行一次周向射線曝光即可完成檢測，采用棒陽極X射線機進行檢測[6]不但能夠及時完成檢測任務而且底片質量更好。

1.2 試驗設備

采用中車長春軌道客車股份有限公司微焦點棒陽極射線自動化檢測設備（見圖4），型號XWT-240-

RAC，參數為極限能量240 kV、管電流50～3 000 μA，陽極棒有效長度300 mm，周向錐靶初始焦點200 μm。設計了合理的轉向架橫梁鋼管自動化系統，采用激光對中裝置實現自動對中，采用棒陽極工作臺與電氣控制系統配合微焦點棒陽極技術使用實現了自動化檢測模式，每20 min可自動化檢測3根橫梁鋼管，而原人工射線檢測方式檢測3根橫梁鋼管需要120 min，微焦點棒陽極自動化檢測技術顯著提高了檢測效率。

1.3 試驗方法

轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊微焦點棒陽極射線檢測技術工作原理如圖5所示。微焦點棒陽極數字成像自動化檢測系統焦點尺寸200 μm，對于轉向架橫向鋼管其最小焦距只需小于10 mm即可，陽極棒能夠輕易地伸入轉向架橫梁鋼管內部到達被檢測位置對環焊縫進行周向曝光，曝光條件為：電壓165 kV、電流0.5 mA、焦距77 mm、曝光時間2 min，檢測標準為ISO17636，焊縫缺陷驗收標準為ISO5817中B級，采用80 mm×720 mm特制卷式射線膠片、10FeEN線型像質計。

2 試驗結果與討論

2.1 微焦點棒陽極技術系統自動化對中及檢測

該微焦點棒陽極射線自動化檢測系統的關鍵點在于自動對中，如果陽極棒的對中效果不好會無法得到合格的射線底片，從而導致焊接缺陷無法發現，當存在超標焊接缺陷時，容易破壞焊接接頭性能[6]。

采用激光對中裝置解決了該技術難題，如圖6所示，當檢測系統軌道運行至指定位置，陽極棒伸入到轉向架橫梁鋼管內部，自動運行指示燈閃爍，通過監控觀察激光燈位置是否處于工件內徑圓面相切位置，當圓面處于激光燈照射位置內，按下程序啟停按鈕運行自動化檢測程序，實現轉向架橫梁鋼管自動化檢測模式。

2.2 驗證焊接工藝參數對激光電弧復合焊焊縫質量的影響

2.2.1 不同焊接電壓對激光電弧復合焊焊縫質量的影響

采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術對轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊不同焊接電壓的焊縫進行了檢測，檢測結果如下。

（1）焊接電壓為21 V時，射線底片符合ISO17636標準中B級標準，可準確發現焊縫氣孔，較常規射線檢測方法不但提高了檢測效率而且靈敏度更高，如圖7所示。

（2）焊接電壓為25 V時，射線底片符合標準要求，可準確發現焊縫氣孔，如圖8所示。

由以上試驗結果可知，微焦點棒陽極射線自動化檢測技術不但實現了對轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊不同電壓焊縫的檢測，也驗證了激光電弧復合焊不同焊接電壓對焊縫內部質量無明顯影響。

2.2.2 不同離焦量對激光電弧復合焊焊縫質量的影響

采用微焦點棒陽極數字射線自動化檢測技術對轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊不同離焦量焊接的焊縫進行了檢測，檢測結果如下。

（1）離焦量為-2 mm時，射線底片符合ISO17636標準中B級標準，可準確檢測出焊縫氣孔，如圖9所示。

（2）離焦量為0 mm時，射線底片符合ISO17636標準中B級標準，焊縫質量良好，如圖10所示。

（3）離焦量為2 mm時，射線底片符合ISO17636標準中B級標準，可準確發現焊縫氣孔，如圖11所示。

由以上試驗結果可知，微焦點棒陽極射線自動化檢測技術不但實現了對轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊不同離焦量焊縫的檢測，而且通過圖9～圖11對比發現，離焦量為0 mm時焊縫質量好，離焦量為-2 mm和2 mm時焊縫有氣孔缺陷，驗證了離焦量是影響激光電弧復合焊焊接質量的主要因素之一。

2.2.3 不同坡口狀態對激光電弧復合焊焊縫質量的影響

采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術對轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊不同坡口狀態下的焊縫進行了檢測，檢測結果如下。

（1）采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術對熱切割坡口激光電弧復合焊焊縫進行檢測，射線底片符合ISO17636標準中B級標準，如圖12所示。

（2）采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術對機加坡口激光電弧復合焊焊縫進行了檢測，射線底片符合ISO17636標準中B級標準，如圖13所示。

由以上試驗結果可知，微焦點棒陽極射線自動化檢測技術不但實現了對轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊不同坡口狀態焊縫的檢測，而且驗證了采用熱切割坡口與機加坡口對激光電弧復合焊質量無明顯影響。

3 結論

激光電弧復合焊技術在軌道客車轉向架橫梁鋼管中厚板焊接中的應用，獲得了行業內首個主機廠獨立開發的復合焊轉向架結構件，實現了高質量、高效率的單面焊雙面成形關鍵技術的突破。為確保轉向架焊接質量[7]，針對軌道客車轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊環焊縫的結構特點和檢測工藝難點，采用微焦點棒陽極射線自動化檢測技術實驗驗證了影響激光電弧復合焊焊接質量的主要因素，也驗證了該技術適用于轉向架橫梁鋼管激光電弧復合焊環焊縫質量檢測，底片圖像滿足ISO17636標準中B級標準，微焦點棒陽極射線自動化檢測技術既保證了焊縫質量又提高了生產效率，檢測成本明顯降低[8]，達到了比較滿意的結果。

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