轉向架耐候鋼角接接頭激光/激光-MAG復合焊工藝

吳向陽，張志毅，孫中文，沈林，何雙

（1.中車四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.濟南鐵路局青島機車車輛監造項目部，山東青島266111；3.西南交通大學四川省先進焊接及表面工程技術研究中心，四川成都610031）

轉向架耐候鋼角接接頭激光/激光-MAG復合焊工藝

吳向陽1，張志毅1，孫中文2，沈林3，何雙3

（1.中車四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.濟南鐵路局青島機車車輛監造項目部，山東青島266111；3.西南交通大學四川省先進焊接及表面工程技術研究中心，四川成都610031）

為解決高速列車轉向架耐候鋼焊接構架中存在的焊縫根部未焊透問題，針對轉向架焊接構架中典型的角接接頭，采用激光/激光-MAG復合焊接技術進行系統的工藝試驗，通過分析焊縫熔透及成形情況，確定適合激光/激光-MAG復合焊角接接頭的坡口角度為35°、鈍邊尺寸為4 mm，以及相應焊接工藝參數。焊接接頭無明顯的淬硬組織，硬度測試結果滿足相關標準規定。

耐候鋼；激光/激光-MAG復合焊；焊接工藝參數

0 前言

轉向架作為高速列車實現高速、重載牽引的關鍵部件之一，其性能直接影響高速列車運行的安全性和可靠性。由于轉向架構架是由各種厚板制成的焊接結構，因此焊接是制造轉向架構架的重要技術，其質量很大程度上決定了轉向架構架的質量。列車轉向架在服役中需承受橫向和縱向等各種復雜力的綜合作用，尤其是構架的焊接接頭，在應力集中、缺陷等因素的影響下，易造成轉向架、疲勞失效，大大限制了列車的安全性、穩定性以及高速化發展[1-2]。目前，轉向架焊接主要采用自動化和半自動化MAG焊接，存在熱輸入量大、殘余應力復雜、易變形等問題。如何選用新的焊接技術有效控制轉向架的焊接殘余應力、變形，獲得較大的焊接熔深是工程技術人員一直密切關注和亟待解決的問題。激光-MAG復合焊接技術作為一種先進的焊接方法，結合了激光焊與電弧焊的優點，具有焊接熱輸入小、熔深大、殘余應力小等優點，大量應用于鋼、鋁合金等材料的連接[3-4]。轉向架耐候鋼的角接接頭復合焊接過程中，由于激光復合頭體積的限制，在采用復合焊打底焊接時，需要采用較大的坡口來實現單面焊雙面成型[5]。因此，重點探索了12 mm厚的耐候鋼角接接頭單激光打底焊接和激光-MAG復合焊填充蓋面的工藝參數，分析了焊接接頭的組織特征和力學性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為厚12 mm的SMA490BW耐候鋼，采用直徑為1.2 mm的JM-55II高強度鋼焊絲，母材和焊絲的化學成分見表1。裝配時盡量減小兩板之間的裝配間隙，焊前打磨焊縫區域并使用丙酮清洗試件表面油污。

表1 試驗材料主要化學成分％

1.2 試驗方法

試驗采用KEMPPI KempArc-450焊機，ABB IRB2600型機器人，YLS-4000光纖激光器，額定功率4 kW，透鏡焦距310 mm。采用單面焊雙面成型多層多道焊，打底層采用單激光焊接，保護氣為側吹氬氣，填充蓋面層采用激光-MAG復合焊，保護氣為φ（Ar）80％+φ（CO2）20％。試驗過程中不斷改變焊接工藝參數，通過宏觀金相觀察接頭的成形情況，選擇合適的接頭坡口形式，并在此基礎上調節工藝參數，以獲得最佳焊接質量。使用Zeiss-A1M金相顯微鏡分析接頭的金相組織，并使用HV-10B維氏硬度計測試接頭顯微硬度，分析不同焊接層道、不同工藝參數下焊縫區域硬度的分布及差異。

2 試驗結果與分析

2.1 接頭坡口選擇

試驗針對不同的坡口結構，復合焊采用激光前導方式，在焊絲干伸長20 mm、光絲間距2 mm、離焦量0 mm、氣流量35～40 L/min固定不變的條件下，調節主要焊接參數（激光功率、焊接速度、送絲速度）。試驗中采用的角接接頭坡口形式如圖1所示，其中坡口角度θ分別為35°、45°、55°，鈍邊尺寸d分別為2mm、3mm、4 mm。設計的激光-MAG復合焊坡口焊接參數見表2，線能量計算公式為

圖1 角接接頭坡口形式

式中ηlaser=0.8，ηMAG=0.8。接頭的焊縫宏觀斷面形貌如圖2所示。

隨著坡口角度的增大，所需金屬填充量不斷增加，焊接層道數增加，焊接變形也逐漸增加。對于55°坡口、2 mm鈍邊的接頭形式，由于坡口角度較大，焊接金屬填充量較大，需要進行6道焊接，而熱輸入增大，會造成接頭組織粗大。在坡口角度相同的條件下，減小鈍邊尺寸，焊縫的金屬填充量也會不斷增加；接頭坡口角度較大時，蓋面層需要兩道焊接，增加打磨等焊后處理工作量；同時在蓋面焊接過程中應該控制各層之間的搭接熔合過渡，減小由于層間焊道過渡引起的應力。打底單激光焊接過程中應合理控制保護氣的方向和流量，防止氣孔缺陷的產生。根據試驗結果選取接頭坡口角度35°，鈍邊尺寸4 mm。該坡口尺寸能夠完全熔透，同時可減少焊接層道數、金屬填充量，減小熱輸入和焊后變形量。焊縫正反面的成形良好，焊縫無咬邊、焊穿、裂紋及較大氣孔等缺陷。

2.2 焊接參數優化

在角接接頭焊接過程中，打底層焊縫對接頭的熔透情況有顯著影響，試驗中通過改變打底層激光的功率和焊接速度優化其焊接工藝參數。在坡口角度35°，鈍邊尺寸4 mm時設計的激光-MAG復合焊工藝參數如表3所示，焊縫宏觀形貌如圖3所示。

表2 激光-MAG復合焊坡口焊接參數

表3 激光-MAG復合焊工藝優化參數

當激光功率為4 kW，焊接速度由0.42 m/min增加至0.72 m/min時，焊接線能量由4.57 kJ/cm減小為2.67 kJ/cm，焊縫熔透情況變差，背面熔透不連續。焊接速度0.42 m/min，激光功率按4 kW、3.7 kW、3.3kW依次減小，在激光功率為3.7kW時，焊縫背面后段熔透情況較差；激光功率減小為3.3kW時，背面基本無熔化金屬成型，該試驗結果表明激光功率的變化對焊縫熔透有顯著影響。

2.3 接頭的金相組織和硬度分析

分析焊接接頭的微觀組織及其形成原理，對解釋焊接接頭的綜合力學性能具有實際意義。接頭的顯微組織照片如圖4所示，焊縫組織主要為白色先共析鐵素體沿原奧氏體柱狀晶晶界分布，少量無碳貝氏體由晶界伸向晶內，晶內為針狀鐵素體和珠光體，局部為一定量的粒狀貝氏體。熱影響區組織主要為先共析鐵素體同時存在少量的珠光體和貝氏體；母

材組織為等軸狀鐵素體和珠光體，由于母材的供貨狀態是熱軋狀態，因此枝晶偏析和雜質在加工過程中被拉長，呈現出黑色帶狀組織的特點[3]。

圖2 焊縫宏觀斷面形貌

圖3 焊縫宏觀形貌

圖4 接頭金相組織

測試得到的接頭硬度分布如圖5所示。由圖5可知，接頭三道焊縫的硬度由母材到焊縫呈現逐漸增加的趨勢，母材的硬度值最低，熱影響區寬度約為3 mm。焊縫區域硬度由高到低分別為：打底焊、填充焊、蓋面焊。

圖5 接頭硬度分布

打底層焊接采用單激光打底，因此其焊縫組織冷卻速度快，組織硬度較高。焊接接頭硬度為220～270 HV，其中焊縫、熱影響區硬度值較高，接頭的最高硬度值為274 HV，均低于標準規定的退火狀態下最高硬度值320 HV。

3 結論

（1）采用激光/激光-MAG復合熱源焊接板厚12 mm的SMA490BW耐候鋼角接時，采用單激光打底焊接可以保證焊透，并能減小所用坡口角度。試驗優化得到的坡口尺寸為：坡口角度35°，鈍邊尺寸4 mm。優化后的打底焊參數：激光功率4 kW，焊接速度0.42 m/min；填充蓋面焊參數：激光功率1 kW，焊接速度0.6m/min，送絲速度9.5m/min，電流260A，電壓30.8 V。

（2）對優化參數后得到的焊接接頭進行組織、硬度測試分析，結果表明激光-MAG復合焊接頭無明顯的淬硬性組織；接頭硬度范圍為190～288 HV，其中焊縫、熱影響區硬度值較高，接頭最高硬度值為274HV，低于標準規定的最高硬度值320 HV。

[1]何柏林，于影霞，史建平，等.應力集中系數對轉向架用16MnR鋼對接接頭疲勞壽命的影響[J].中國鐵道科學，2013，34（6）：89-92.

[2]李丹丹，張志毅，史春元.多次補焊對SMA490BW鋼焊接過熱區沖擊性能的影響[J].熱加工工藝，2011，40（17）：161-166.

[3]陶傳琦，吳向陽，王秋影，等.SMA490BW耐候鋼激光-MAG復合焊與MAG焊對比研究[J].電焊機，2014，44（12）：35-39.

[4]彭國平，高文慧，王海濤，等.轉向架用SMA490BW鋼激光-MAG復合焊接頭殘余應力[J].電焊機，2015，45（4）：158-160.

[5]吳向陽，陶傳琦，齊維闖，等.動車組構架激光-MAG復合熱源焊接工藝參數[J].大連交通大學學報，2013，34（6）：23-26.

Laser/laser-MAG hybrid welding process parameters for fillet joints of weather-resistance steel

WU Xiangyang1，ZHANG Zhiyi1，SUN Zhongwen2，SHEN Lin3，HE Shuang3
（1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Ji'nan Railway Bureau，Qingdao 266111，China；3.Research Center of Sichuan Advanced Welding and Surface Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to solve the incomplete penetration problems existing in the bogie frame welded by conventional MAG welding，laser/laser-MAG hybrid welding technology was adopted for the fillet joints of weather-resistance steel.By analyzing the weld penetration and weld shape，the groove angel，blunt edge size and welding parameters were obtained.The optimized groove angel was 35°，and the blunt edge size was 4 mm.The microstructure analysis showed that no obvious hardened structure existed in welding joint.The hardness test results meet the relevant standards.

weather-resistance steel；laser/laser-MAG hybrid welding；welding process parameters

TG456.6

A

1001-2303（2016）10-0102-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.21

獻

吳向陽，張志毅，孫中文，等.轉向架耐候鋼角接接頭激光/激光-MAG復合焊工藝[J].電焊機，2016，46（10）：102-107.

2015-12-30

吳向陽（1983—），男，江蘇連云港人，在讀碩士，工程師，主要從事高速列車轉向架焊接工藝、機器人二次應用開發與系統集成技術等研究工作。