等離子-MAG復合焊在轉向架構架焊接中的應用前景

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復合焊在轉向架構架焊接中的應用前景

張成銘 魏葦 李由 徐志龍
中車長春軌道客車股份有限公司

轉向架構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械方法進行矯正，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，還會出現焊縫根部未焊透等缺陷。因此，本文淺談一種適合于轉向架構架焊接的等離子-MAG復合焊接方法。

等離子-MAG復合焊 轉向架 構架焊接

在鐵路車輛中，轉向架起支承車體、轉向和制動的作用，其保證列車在軌道上安全平穩地運行。轉向架直接與輪軌產生相互作用，是決定列車走行性能最為關鍵的部件。因此，轉向架構架的焊接生產質量對列車品質和行車安全都具有十分重要的意義。

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

等離子-MAG復合熱源焊接技術是由等離子電弧焊和MAG焊（熔化極氣體保護電弧焊）這兩種成熟的標準焊接工藝結合而成的一種新型復合焊接工藝。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，可通過焊絲調節焊縫成分，使其具有焊接速度快，熔深大，焊接熱輸入低，熱影響區窄，減小殘余應力控制焊接變形，焊接飛濺少，焊接質量高等特點。這種新的焊接技術，有利于解決在上述轉向架構架焊接生產中所出現的問題。

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

等離子-MAG復合焊焊接時由高能量密度的等離子弧保證焊縫熔深，并且有預熱及攪拌和清理的作用，為MAG焊的焊接做好了準備；而MAG焊則高效的填充了等離子弧所產生的空隙，從而實現了高效、穩定的復合熱源焊接。與傳統的MAG焊相比，等離子-MAG復合焊具有以下特點：①焊接速度快，焊縫質量高，焊接過程飛濺少；②焊接熱輸入低，能量集中，熱影響區窄，焊后工件變形小；③實現電弧穩定燃燒的參數范圍廣；④熔敷效率高[4]。

等離子-MAG復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同時穩定燃燒，因此對焊槍設計精度要求較高，后期維護困難較大；摸索焊接工藝參數時需要調節的參數過多，工作量較大。

等離子-MAG復合焊焊槍需保證等離子弧和MAG電弧在同一個焊槍中穩定燃燒，對焊槍的耐熱性和絕緣性及設計精度要求較高，可以說焊槍是整個系統的核心組件。根據等離子弧燃燒位置的不同，等離子-MAG復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。

真正實現商業應用的等離子-MAG復合焊接設備是以色列等離子激光技術（PLT）公司研制的SUPER-MAG復合焊接系統，其焊槍采用旁軸一體式設計，焊接時等離子弧置前，在工件內產生匙孔，MAG電弧隨后，填充等離子弧產生的空隙。在該焊接設備中，等離子弧為負極，MAG電弧為正極，電流通過兩個電極相互作用產生電磁力F。SUPER-MAG復合焊接設備的原理簡介如圖1.5所示[5]。

圖1 SUPER-MAG復合焊接設備焊接原理簡介[5]Fig.1 Brief introduction of SUPER-MAG hybrid welding equipment principle

田仁勇等針對相同條件的轉向架構架用耐候鋼對接和T型接頭，分別采用MAG焊和等離子-MAG復合焊接方法進行焊接。結果表明，與傳統MAG焊對比，采用等離子-MAG復合焊接方法的接頭，拉伸殘余應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，焊接轉向架構架用耐候鋼窄坡口對接接頭。結果表明，等離子-MAG復合焊窄坡口（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復合焊有著焊接速度快，熔深大，焊接熱輸入低，熱影響區窄，焊接變形小，焊接飛濺少，焊接質量高的特點。且通過相關試驗發現，等離子-MAG復合焊在焊接轉向架構架用耐候鋼時，與傳統的MAG焊相比，可以有效的減少焊接變形，降低殘余應力，在窄坡口焊接時實現單面焊雙面成型，且根部完全熔透。非常適合轉向架構架相關零部件的焊接，有很廣闊的應用前景。

[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．高速動力車轉向架構架焊接變形的數值分析研究[J]．鐵道學報，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．全新的技術突破-等離子-MIG復合焊工藝[J]．現代焊接，2010，(11)：18-20．

[6]田仁勇，史春元，吳向陽，等．基于等離子-MAG復合焊的SMA490BW焊接接頭殘余應力與變形測量[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復合焊工藝參數優化[J]．焊接學報，2017，38(5)：116-118．