機車車體蒙皮藥芯立焊系統及工藝研究

焦金明，岳 娟，呂純潔，高 瑩

1.中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037038

2.天津職業技術師范大學，天津 300222

0 前言

隨著全球經濟一體化的發展，機車車輛工業必須迅速與世界水平接軌，面臨嚴峻挑戰。目前而言，國內機車車輛制造水平與世界先進水平存在較大差距，一方面車輛耐久可靠性差，另一方面外觀質量較差，尤其是內燃機車車體側墻蒙皮不平更為突出[1]。以大連機車車輛廠制造的內燃機車為例，側墻蒙皮每側采用26塊鋼板拼接，鋼板數量多，焊縫長且縱橫交錯，焊后應力變形復雜，機車車體鋼結構側墻蒙皮漲拉板的組焊工藝直接影響蒙皮質量，進而影響車體的外觀成形和總裝質量。由于車身較高（約5 m），其垂直立焊焊縫的焊接質量對后序的大直縫橫焊有很大影響，故保證其質量非常重要。高鐵蒙皮立焊示意如圖1所示。

圖1 高鐵蒙皮立焊示意Fig.1 Vertical welding beam of Locomotive body

目前主機制造廠的車體、轉向架、車頂以及關鍵構架等主要受力部件的焊接仍以混合氣體保護焊為主，自動化焊接設備應用較少[2-3]。機車拉漲板組焊多采用實心焊絲、人工焊接的方式，由于車身高度較高，立焊工藝中熔融金屬的重力對成形起到負面作用，同時焊縫長度較長，所以實心焊絲在立焊位置控制熔池成形難度較大，難以保證焊接質量和效率，因此需進行改進。

焊接生產效率主要由熔敷速度來衡量，而傳統模式下的手工焊接由于受到焊接環境、人類視覺的先天局限，已無法滿足現代工藝要求[4]。對于普通CO2焊接工藝而言，提高效率就意味著增加電流，實心焊絲因其冶金調節能力較差，無法使用大電流施焊，極易造成焊縫過熱，出現熔融金屬流淌的現象，影響焊縫質量。藥芯焊絲作為一種高效焊材已經在國內外得到廣泛應用，其焊道成形美觀、電弧穩定、焊接飛濺小、全位置焊接工藝性能好，焊接熔敷速度快，生產效率高[5]。

本文開發了一種基于單片機的自動蒙皮立焊系統，同時研制了脫氫性能良好的TME711V藥芯焊絲，運用該系統和TME711V藥芯焊絲進行了實車焊接，并通過力學性能試驗得出較優的工藝參數。

1 立焊系統構建

1.1 立焊運動機構設計

如圖2所示，設計的立焊系統采用焊接小車與軌道組成的機械機構，軌道為齒條結構，為方便軌道布置采用磁性感應開關固定，小車的行走機構采用配離合器的齒輪機構，方便拆裝。焊槍夾具配合擺動電機，可以實現立焊過程中焊槍擺動，以增加側板的熔化，避免咬邊等焊接缺陷。

圖2 運動機構示意Fig.2 Schematic Diagram of Motion Mechanism

1.2 立焊小車控制器

為方便焊接操作，系統采用8位單片機為核心控制部件，配合8位8段動態數碼管顯示焊接參數，調節旋鈕、按鍵等I/O設備，以增加系統交互性，具體功能原理如圖3所示。

圖3 控制器功能原理Fig.3 Functional schematic diagram of controller

控制原理為：以單片機為控制核心，采用無刷電機為運動器件，通過調節旋鈕與開關控制小車行走速度與行走方向，同時開啟擺動模式。對于立焊工藝焊槍擺動比較重要，從工藝角度對擺動運動參數進行設計，其中包括擺動模式、擺動速度、擺動幅度、擺動左位置停留時間、擺動右位置停留時間、擺動中間位置停留時間。擺動模式如圖4所示。

圖4 焊槍擺動模式Fig.4 Swing mode of welding gun

立焊小車控制器針對在實驗中靈活應用的需要，設計并實現了以下主要功能：

（1）立焊行走恒定速度控制輸出。該控制器可以始終向運動電機送出恒定速度控制信號。

（2）立焊行走變速控制輸出。對于長焊縫由于熱輸入的持續性，焊接后期焊縫熱量增大，需要相應降低熱輸入以便控制變形，該控制器可以進行階段式變速，實現前期緩慢行走，后期快速行走的功能，以實現焊縫熱輸入的控制，避免焊接變形。

（3）立焊擺動控制輸出。對于較厚側板搭接焊縫，由于焊縫較寬，焊槍保持不變不能實現一次成形，需要焊槍橫向擺動，控制器可以實現立焊過程中焊槍擺動，其擺動角度、擺動幅度可以通過面板進行設置。

（4）焊接電源遠程啟動?？刂破骺梢詫崿F與焊接電源的簡單通信，以便實現焊接過程的自動啟動、停止。

1.3 焊接試驗設備

通過將松下YD-500FR焊接電源、立焊小車控制器、工裝相連接，構建了完整的機車車體鋼結構蒙皮漲拉板立焊焊接系統，如圖5所示。

圖5 實驗設備整體連接Fig.5 Overall diagram of experimental equipment

2 試驗材料和方法

2.1 試驗母材

HXD系列機車車體鋼結構蒙皮漲拉板采用S355J2型低合金高強鋼，板厚6 mm，其屈服強度大于355 MPa，抗拉強度450 ～680 MPa。同時含硫量低，冶金質量高，可以滿足鐵路機車運輸中距離長、應力復雜、冷熱跨度大的工作環境，其化學成分見表1。

表1 母材合金成分（質量分數，%）[6]Table 1 Composition of base metal alloy（wt.%）

2.2 藥芯焊絲設計

本文為了實現漲拉板高效立焊，需要使用高粘度渣系的藥芯焊絲，中車大同電力機車有限公司與天津中興盛達鋼業公司合作聯合開發了適應立焊工藝的TME711V型無縫藥芯焊絲。利用線填粉后高頻焊合無縫藥芯焊絲制造技術，TME711V型無縫藥芯焊絲封閉了焊絲上鋼帶的接口，清除了焊絲表面接口處殘留的拉絲潤滑劑對焊絲質量的不利影響，降低了環境因素對焊絲質量的影響。

TME711V藥芯焊絲采用金紅石、剛玉粉、石英粉，鎂砂粉為主要造渣成分，形成鈦鎂鋁渣系，有利于焊縫脫氫[7]。同時采用Mn-Si-Ni-Ti作為合金系，適當加入鋁、鎂粉末與鈦鐵粉等強脫氧固氮元素[8-11]，對焊縫進行進一步冶金脫氧，提高焊縫韌性，藥芯成分見表2，熔敷金屬合金成分見表3。

表2 藥芯化學成分（質量分數，%）[7]Table 2 Chemical composition of drug core（wt.%）

表3 熔敷金屬合金成分（質量分數，%）Table 3 Alloy content of welding materials（wt.%）

2.3 試驗方法

采用松下YD-500FR進行傳統手工CO2焊接工藝施焊，并對其焊接效率、焊縫質量進行檢測；然后再以立焊系統結合TME711V型藥芯焊絲進行工藝試驗，對比分析其試驗結果。母材均為6 mm厚S355J2鋼板，手工CO2實心焊絲焊接采用ER50-6焊絲，藥芯焊絲CO2氣體保護自動焊采用TME711V焊絲，直徑均為1.2 mm，焊絲干伸長20 mm，焊縫長度1 843 mm，保護氣體為CO2，氣體純度>99.5%，流量25 L/min，接頭形式均為搭接，焊接位置由下向上。

傳統CO2實心焊絲半自動焊接試驗采用傳統參數進行兩組試驗，具體參數見表4。藥芯焊絲CO2氣體保護自動焊工藝參數見表5。

表4 傳統CO2實心焊絲半自動焊接參數Table 4 Parameters of traditional semi-automatic CO2welding with solid welding wire

表5 藥芯焊絲CO2氣體保護自動焊參數Table 5 Parameters of automatic CO2welding with flux-cored wire

圖6 拉伸試樣Fig.6 Tensile specimen

3 試驗結果及分析

3.1 宏觀形貌

選取外觀形貌較好的編號2、編號3進行比較，如圖7所示?？梢钥闯?，采用手工CO2實心焊絲焊接的焊縫外觀形貌較差，表面輕度氧化。采用藥芯焊絲+CO2保護焊獲得的焊縫表面非常光滑，氧化極小，焊道平整，焊接質量有較大提高。

圖7 自動焊焊縫照片Fig.7 Photo of automatic welding seam

實心CO2焊為短路過渡，其電流增加會使短路過渡時熔滴顆粒變大，短路爆短時飛濺增加，同時立焊位置實心CO2焊由于鐵水含氧量高較為稀薄，容易向下流淌，所以傳統半自動實心CO2焊無法通過提升電流與焊速的方式提升焊接效率。本文開發的藥芯焊絲TME711V，焊藥中大量采用TiO2，起到了穩弧劑的作用，配合其他藥粉其電弧穩定，熔滴過渡形式也呈現多樣化，同時藥芯中加入了大量鎂、鋁、錳、硅、鈦等脫氧元素，使得藥芯焊熔池的含氧量低于實心焊，進一步提升了熔池鐵水的粘稠度，同時藥皮具有一定強制成形作用，也保證了藥芯焊在大電流、高焊速的情況下的焊縫質量。

3.2 金相組織

對2號和3號試樣進行金相觀察，發現采用藥芯立焊系統焊接的試樣，其焊縫及其熱影響區組織細化，如圖8所示。

圖8 焊縫金相照片Fig.8 Metallographic photos of welds

由圖8可知，兩種焊縫都是由珠光體、鐵素體等常規組織組成，2號試樣的焊縫組織相比于3號試樣明顯粗大很多，焊縫組織之間明顯有粗大的碳化物，其熱影響區也明顯比3號試樣寬大。由于實心焊電流與焊速有一定限制，32號試樣線能量相比于3號試樣要大，這是實心焊相比于藥芯焊晶粒粗大的部分原因。此外，由于藥粉中加入了鎂、鋁等脫氧變質元素，與鈦、硅、錳脫氧后容易形成不同焊渣，鎂、鋁脫氧后形成的氧化物更為細小，易分散在熔池鐵水中形成結晶核心，增加形核率，細化晶粒。

3.3 力學性能

拉伸試驗和沖擊試驗結果如表6所示。由表6可以看出，藥芯焊絲自動焊試樣的力學性能要明顯強于手動實心焊絲試樣，其中3號試樣的力學性能最佳，其沖擊吸收能量與抗拉強度指標分別達到108 J和580 MPa，相比于2號試樣分別提升23%和13%，效果明顯。

表6 試樣力學性能Table 6 Mechanical properties of samples

分析認為，除了晶粒細化帶來的影響以外，由于所采用的藥芯焊絲中大量存在鎂、鋁、鈦、錳、硅等脫氧元素，進一步降低了焊縫的含氧量，凈化熔池，同時在藥粉中加入了3%Ni粉可以有效地對焊縫進行合金化，Ni本身為強韌化元素，高鎳的焊縫力學性能提升明顯，同時由于本文中藥芯焊絲采用無縫制造技術相比于其他藥芯焊絲制造技術，不易吸潮，焊絲含氫量低，造成了焊縫力學性能提升。

4 結論

（1）結合生產實際情況，分析了機車車體結構漲拉板S355J2搭接焊縫效率與質量的問題，提出使用藥芯焊絲配合自動小車進行自動化改造的思路。

（2）開發了以單片機為控制核心的立焊控制器，同時設計了立焊小車及其行走擺動機構，實現了機車車體鋼結構外蒙皮漲拉板組焊立焊的自動化。

（3）設計了TME711V型藥芯焊絲，配合自動焊接系統，進行了對比試驗。結果證明，藥芯焊絲自動立焊工藝所得到的焊縫焊接質量與焊接效率遠高于實心焊絲手工立焊。機車車體結構垂直焊縫自動焊藥芯焊絲較優焊接參數為：電流180 A，電壓26.2 V，焊接速度30 cm/min。