構架橫梁J型坡口單面焊雙面成形工藝

何 巖，宮 平，李萬君

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

澳大利亞雙層客車項目是澳大利亞新南威爾士州政府為更新悉尼市現有車輛而啟動的項目，其構架組成由鋼板焊接的箱形側梁和橫梁構成，其中橫梁為鑄造結構與鋼板材料進行焊接構成的腔體結構，如圖1所示。鑄造結構與鋼板材料的連接采用J型坡口對接焊縫，焊接要求完全熔透，單面焊雙面成形，所有焊縫均要求100%超聲波探傷，完成焊接的橫梁腔體進行水壓試驗，整體焊接要求符合澳大利亞AS 1554標準[1]。

實現單面焊雙面成形的方法很多，如采用TIG焊時電弧熱量集中，形成的熔池體積小、弧柱柔和，熔池金屬自重力與熔化金屬界面張力有一定平衡，可借助填充金屬熔化的攪拌作用有效控制熔池形狀，使焊接過程平穩，反面成形良好[2]。軌道客車轉向架焊接制造中綜合考慮制造成本、生產效率和經濟效益，一般采用MAG焊。由于該項目橫梁自身結構尺寸因素和較高的焊接質量要求，在采用MAG進行單面焊雙面成形時略有困難。在此針對橫梁J型坡口單面焊雙面成形工藝難點進行研究，得出解決方案。

圖1 構架組成

1 工藝難點

（1）J型坡口單面焊雙面成形。該焊縫要求完全熔透，100%超聲波探傷，水壓氣密性試驗，質量要求高，操作難度大，如圖2所示。

圖2 橫梁J型坡口對接接頭

（2）首尾連接長大周圍焊縫，連續穩定一次性焊接完成。該焊縫路徑為直線段與圓弧段組合方形周圍焊縫，焊縫長度1 104 mm，要求連續穩定、姿態一致，一次性焊接完成，如圖3所示。

圖3 橫梁J型坡口對接接頭

2 解決方案

2.1 J型坡口單面焊雙面成形工藝難點的解決方案

單面焊雙面成形的熔池形狀特殊，正、背面熔池連通。單面焊雙面成形技術常用擊穿焊法，一般作用在背面熔池的電弧約為焊接電弧的1/3，作用在正面熔池的電弧約為焊接電弧的2/3。而電弧擊穿數量的分配實際上也是對正、背面熔池熱量的分配。單面焊雙面成形的熔池冶金特點就是將電弧作用到背面，形成背面焊縫熔池。焊接化學冶金過程的首要任務是保護熔化金屬，其次是對熔化金屬進行冶金處理，調整熔合比等。電弧既是熱源又是保護氣體，使背面熔池處于與正面熔池相同的氣體保護條件下。因此背面焊縫能獲得與正面焊縫相等或優于正面焊縫（背面焊縫被退火）的機械性能[3]。

影響單面焊雙面成形熔池平衡的因素主要有焊接電流、接弧位置、燃弧和熄弧時間、熔池形狀、鈍邊厚度、焊條角度。確定焊接電流后，在保持熔池體積變化盡可能小的前提下調整電弧溫度和壓力在熔池中的分布，改變熔池形狀和尺寸，充分發揮金屬相界面上的吸附力和表面張力的作用，是單面焊雙面成形技術所需要掌握的技能[4]。根據本研究中J型坡口對接焊縫的結構特點，從以下方面進行分析。

（1）焊接方法。綜合考慮焊接質量、生產效率因素，采用MAG焊，擊穿焊法，使電弧作用到背面，形成背面焊縫熔池。

（2）焊接位置。根據結構特點，單面焊雙面成形打底焊只能在PA和PC兩個位置中選擇。當采用PA位置時，熔池呈懸空狀態，液態金屬受重力影響極易產生下墜現象，焊接過程中必須根據裝配間隙及熔池溫度變化及時調整焊槍角度、擺動幅度和焊接速度，以控制熔池尺寸，保證焊件背面形成均勻一致的焊縫。而結構中的J型坡口使得鈍邊處母材金屬總體體積或截面面積偏小，金屬相界面上的吸附力和表面張力偏小，極易引起液態金屬下墜。當采用PC位置時，熔池下部焊道對熔池有依托作用，有利于實現單面焊雙面成形，但電流不宜過大，否則會產生液態金屬下淌，使焊縫正面和背面出現焊瘤。因此，打底焊采用PC位置焊接較為有利，如圖4所示；填充和蓋面焊時，因打底焊具有保護熔池的作用，可在更加有利的PA位置完成，如圖5所示。

圖4 打底焊PC位置

圖5 填充和蓋面焊PA位置

（3）焊接方向。MAG單面焊雙面成形熔池較小，焊接時應注意控制熔孔尺寸、坡口兩側根部熔合情況和焊槍傾角，以免焊接過程中發生液態金屬超前流動造成的“假焊”現象[5]。當焊接方向由右向左推著熔池行進時，一方面電弧穿透力大，背面成形不穩定，操作不當容易焊穿；另一方面，焊槍傾角、擺動、速度不當容易造成未焊透的“假焊”現象。當焊接方向由左向右拖著熔池行進時，有利于擊穿接頭根部鈍邊打出熔孔，并維持熔池動態平衡，且焊接時可直接觀察到背透成形好壞，避免出現“假焊”現象。

（4）起弧與收弧。MAG單面焊雙面成形采用擊穿焊法，起弧時必須擊穿根部鈍邊形成熔孔，然后鋸齒形擺動將熔池輕輕向背面擠壓至根部，稍作停留后轉入正常焊接。收弧時采用疊加法和轉移法將背面熔池引入正面,防止收弧縮孔。

綜上，采用MAG焊擊穿焊法，打底焊PC位置，由左向右施焊，填充和蓋面焊PA位置。焊接參數見表1，打底焊表面成形和焊縫背面成形見圖6、圖7。

依據ISO 15613標準程序評定焊接工藝，接頭拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能、硬度值各項試驗測試結果合格，滿足標準要求和設計技術要求，接頭低倍金相照片如圖8所示。

表1 焊接工藝參數

圖6 打底焊正面成形

圖7 打底焊背面成形

圖8 接頭低倍金相照片

2.2 首尾連接長大周圍焊縫連續穩定一次性焊接工藝難點的解決方案

由于焊縫首尾連接封閉，焊縫路徑中有直線段和圓弧段過渡，PC位置連續焊接需借助焊接變位機來實現。橫梁J型坡口單面焊雙面成形打底焊PC位置連續焊接專門設計的變位裝置如圖9所示。

在焊接過程中的直線段焊接時，保持變位機不動，圓弧段焊接時，啟動變位機勻速轉動，在熔池達到下一直線段起點時停止轉動，依次操作直至起弧點與收弧點重合，焊接完成。試驗結果表明，該裝置很好地解決了橫梁長大周圍焊縫連續穩定一次性焊接的工藝難點，效果良好。

圖9 PC位置連續焊接用變位機

3 結論

針對構架橫梁結構中的J型坡口單面焊雙面成形焊縫的特殊要求，分析該橫梁產品的結構特點和焊接工藝難點，最終確定采用MAG焊擊穿焊法，由左向右施焊，借助變位機保證PC位置連續一次性完成焊接，實現單面焊雙面成形要求，既保證了焊縫質量又提高了生產效率，且不額外增加制造成本，效果良好。

參考文獻：

[1]王文華，吳冬，宋春元.出口澳大利亞雙層動車組轉向架研制[J].鐵道車輛，2010，48（5）：17-19，47.

[2]孫景榮.單面焊雙面成形技術[J].電焊機，2002，32（12）：34-36.

[3]祝桂松.淺談單面焊雙面成形技術（一）[J].鐵道機車車輛工人，1999（1）：9-11.

[4]祝桂松.淺談單面焊雙面成形技術（二）[J].鐵道機車車輛工人，1999（2）：5-7.

[5]鄒尚利，馮玉敏，杜冬梅.焊工培訓教材單面焊雙面成形技術[M].北京：機械工業出版社，2002：293-306.