特定形狀焊縫MAG焊成形工藝 在轉向架生產中的應用

安博 姜斌 王立云 郝曉衛 祁建偉 高德佳 王明峰

摘要：針對轉向架構架結構的復雜特點，分析焊縫成形的工藝難點，通過設計分析和試驗驗證，得出一種特定形狀或尺寸焊縫的成形工藝，通過采用與特定形狀焊縫外形相同的陶瓷墊板，實現了特定形狀焊縫的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頻繁的起弧、收弧作業，從而提高了焊縫質量，顯著提升轉向架構架焊接生產效率。此項技術已在部分轉向架構架生產中得到了應用和推廣，具有重要意義。

關鍵詞：轉向架;MAG焊;陶瓷墊板;成形工藝

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

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.14

0? ? 前言

轉向架是軌道車輛的重要組成部件之一，其中，構架是轉向架傳遞牽引力和承載載荷的基礎結構，是整個轉向架的骨架，目前高鐵、城軌、普通干線客車的構架多采用焊接結構，結構相對復雜[1-3]。為了保證構架受力的有效傳導，避免應力集中，提高疲勞壽命，構架結構設計時通過焊接實現工件連接的平滑過渡，造成構架中存在大量的特定外形尺寸的端部焊縫，如封頭或燕尾。在軌道車輛行業內，由于設計理念的不同，歐洲企業轉向架端部焊縫常采用封頭焊縫形式，典型代表如西門子;而日系企業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斷弧堆焊的方式焊接，焊后通過人工打磨整形來實現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，特別適用于轉向架構架中特定形狀、尺寸的端部焊縫的MAG焊焊接作業，其主要特點是根據轉向架所需焊縫尺寸，設計出特定形狀的陶瓷墊板，并研究相應焊接工藝，制定合理的焊接作業順序，通過焊接試驗和焊縫金相分析，驗證并確定了特定形狀焊縫焊接直接成形的最優工藝方案。

1 轉向架特定形狀焊縫介紹

特定形狀焊縫一般指形狀不規則，常規焊縫標注方法無法表達出所要求的焊縫外形或尺寸，進而無法通過常規的MAG焊方法直接焊接成形的焊縫，轉向架構架中的特定形狀焊縫主要有不規則尺寸封頭焊縫、燕尾焊縫等。封頭焊縫是轉向架構架中最為常見的一種焊縫形式，如圖1所示，一般位于工件端部，沿工件板厚方向焊接，根據EN15085-3標準，封頭焊縫應環繞工件端部，如果條件允許，端部應該實現不間斷焊接[4]。轉向架焊接生產過程中，由于設計需要，有時會要求焊接出焊腳不對稱的角焊縫。燕尾焊縫端部與兩側角焊縫熔合，平滑過渡，因形似燕尾而得名[5]。在構架處于高應力區的結構突變位置，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。燕尾焊縫能夠實現工件與母材的平滑過渡，顯著減少應力集中，從而提高構架的疲勞壽命[6]。

特殊形狀焊縫的主要作用有：（1）降低焊縫與母材間的應力集中，提高構架的疲勞壽命;（2）傳導應力，轉向架構架運行過程中承受疲勞載荷，避免造成工件失效開裂;（3）密封作用，避免結構出現開口，產生工件腐蝕。

2 常規焊接方法

2.1 常規方法介紹

目前轉向架特定形狀端部焊縫焊接過程如下：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;現有技術方案實施焊接時，由于熔池金屬受到重力作用，每次焊接填充量不能太大，否則會造成熔敷金屬向下流淌，只能采用小參數、多道數、小填充量的工藝進行焊接，焊接工藝參數按照表1中序號1常規堆焊方法執行。

2.2 常規方法的缺點

雖然常規制造工藝基本能滿足現有要求，但其缺點也十分明顯。首先，焊接作業時間長，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，為達到圖紙規定的焊縫高度尺寸需多層多道焊接，同時需要長時間的等待，而頻繁起弧、收弧增加了焊縫出現未熔合、夾雜等缺陷的概率，影響焊接質量;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定的最小尺寸，而焊接過程中，端部焊縫熔敷金屬由于沒有工件坡口面的阻擋而自由流淌，當焊接出圖紙規定的焊縫高度尺寸時，焊縫的橫向已產生很大的焊縫填充量，通過多次測量打磨前后焊縫尺寸的方式粗略測算，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，就是打磨量大，生產過程中有時焊工為減少打磨工作，盡量將焊縫尺寸控制在最小，但是由于焊接時缺乏參照，堆焊量難以掌握，經常出現焊縫打磨完成后小于圖紙規定尺寸的情況，需再次堆焊、重新打磨，導致工作量成倍增加，因此焊工焊接時一般都多堆焊出一定尺寸，保證足夠的打磨余量，轉向架采用的低合金鋼材料硬度高，打磨難度極大，打磨作業時間很長，嚴重制約生產進度，增加生產成本。

3 特定形狀的焊縫成形方法

3.1 新方法介紹

針對轉向架特定形狀焊縫的結構特點，采用一種MAG焊焊接端部特定形狀焊縫直接焊接成形方法，以克服現有技術的不足。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，同時根據不同焊縫外形及焊接位置，優化焊接層道數、焊接順序等方法，提高焊縫質量，減少堆焊工作量，進而降低打磨工作量，提高生產效率，降低生產成本，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

3.2.1 試驗材料

試驗材料為S355J2W+N鋼板，規格為200 mm×

200 mm×12 mm，打磨去除表面鐵銹，選用公司現有標準結構的陶瓷墊板，陶瓷墊板執行CB/T3715-1995標準，焊材選用規格為φ1.0 mm的ISO 14341-A-G Z3Ni1Cu焊絲，焊接設備選用松下YD-350GLW型焊機。

3.2.2 焊縫質量試驗

采用新方法進行特定形狀焊縫的約束成形焊接時，最大的問題是陶瓷墊板與試板連接焊縫根部出現尖角不熔合問題。為此決定采用現有標準形式的陶瓷墊板進行工藝試驗，驗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定做，本試驗選擇對接焊縫常規陶瓷墊板，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。

在兩陶瓷墊板間進行焊接，焊接參數按照表1中序號2成形新方法執行，進行多層多道焊接。焊接時，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，不加擺動運槍，其余各道熔敷金屬與陶瓷墊板接觸位置焊接時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，未出現未熔合、根部凹陷等缺陷。然后進行宏觀金相觀察，沿圖6中紅線位置進行切割，宏觀金相如圖7所示。由圖7可知，采用此焊接方法焊接時，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量[7]。

3.2.3 焊縫成形試驗

采用現有標準陶瓷墊板進行焊縫成形試驗。首先將兩塊鋼板組裝成T型接頭，然后在立板兩側組裝陶瓷墊板，通過F型卡具固定，調整焊接位置研究其對成形的影響，分別在平角焊（PB）和船型焊（PA）位置進行端部焊縫焊接試驗，焊接時注意焊槍角度，使焊絲時刻指向母材，陶瓷墊板能夠有效支撐焊縫兩側成形，如圖8所示。通過試驗發現，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熔池金屬下墜，當采用大規范焊接時無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角焊縫的焊接順序對端部焊縫成形效果的影響，主要研究焊接方向對成形效果的影響。制定A、B兩種焊接方向進行焊接試驗，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，焊接至焊縫末尾時采用收弧電流焊接，兩種焊接方案如圖10所示。

通過試驗發現，采用A方向焊接時操作難度較低，焊縫成形較好，而采用B方向焊接時，端部焊縫需要預設焊機收弧程序，采用收弧電流進行焊接，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。

試驗證明，采用此焊接方法能夠實現特定形狀焊縫的MAG焊直接成形[8]。

4 新方法應用

4.1 特定形狀陶瓷墊板制作

基于焊縫質量試驗和焊縫成形試驗的良好效果，決定選取一種轉向架構架常見的端部焊縫形式，設計一種非標結構的特定尺寸的陶瓷墊板，結構如圖12所示，并聯系廠家進行開模制造，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滿足工件左右兩側的粘貼使用。

4.2 非標陶瓷墊板焊接試驗

采用特制陶瓷墊板進行端部焊縫的實際焊接作業，如圖13所示，組裝時保持兩墊板端面處于同一水平面，焊接時陶瓷墊板端面作為焊腳尺寸參照基準，能夠保證焊縫焊腳尺寸的一致性;兩側陶瓷墊板與T型接頭兩鋼板能夠有效阻擋熔敷金屬的自然流淌，降低對焊接參數的敏感性，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，焊縫與母材之間過渡良好，在進行端部焊縫兩側角焊縫的焊接前，無需對陶瓷墊板與母材夾角位置進行修磨處理。

4.3 新方法應用案例

新方法已經在部分轉向架項目焊接生產中進行了實際推廣應用，例如某型轉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 結論

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

（2）通過設計相應形狀的非標結構陶瓷墊板，此焊接新方法能夠實現各種不同形狀、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，提高焊接生產效率，降低生產成本。

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