轉向架激光電弧復合焊接研究綜述

許駿

摘要：隨著我國經濟的快速發展，高速動車組列車已經是提升鐵路運力、解決人們出行難題的重要手段之一。轉向架作為鐵路列車的重要行走機構，直接影響了列車運行的安全性和運行速度。本文淺顯地介紹了轉向架材料的發展，同時，詳細闡述了激光電弧復合焊接的發展歷程。希望能夠對專業工作人員有所幫助，保障動車組的安全運行。

關鍵詞：轉向架;激光電弧復合焊;發展

1.背景

近年來，我國隨著高速列車的進一步提速，轉向架焊接質量得到了廣泛關注。轉向架作為高速列車的重要行走機構和承力機構，對材料的強度和疲勞性能提出了很高的要求。近年來，關于激光電弧復合焊接的研究愈發增多，這種焊接工藝能夠使得焊接接頭與微觀組織表現都十分良好，給高速列車轉向架焊接工藝指明了一條道路，因此開展激光電弧復合焊接工藝研究具有十分重要的意義。

2.轉向架用材料的發展

運用于轉向架的國產的材料主要為低合金高強度結構鋼，該系列鋼具有較好的抗熱裂敏感性和良好的沖擊性能，低的碳含量能降低淬硬傾向。此類材料轉向架主要為鐵路客車轉向架，多用于鐵路客車以及城軌車輛等。

高鐵客車轉向架材料主要采用日系耐候鋼以及歐標耐候鋼，日系耐候鋼通過添加Mo、Ti、Ni等元素，來提高耐腐蝕能力、強度和塑性。歐標耐候鋼相對于低合金高強度結構鋼種具有優異的耐腐蝕性能。

近年來，轉向架輕量化研究的視野投向了新型纖維復合材料，這類新材料的應用能極大的減小轉向架的自重。但是由于列車轉向架對材料的特殊要求，目前將復合材料應用于列車轉向架還存在一系列的技術和成本問題。

3.傳統轉向架用焊接工藝

最為常見的轉向架焊接工藝為MAG焊。MAG焊以富氬活性氣體為保護氣，以熔融的焊絲為電極，具有電弧穩定、熔接效率和熱效率高等優點。選擇合適的焊絲進行轉向架用鋼的MAG焊接，通過優化焊接工藝并進行熱處理，焊接接頭性能良好，能夠滿足轉向架的使用要求。然而，由于電弧能量在焊縫深度方向的衰減快，電弧對熔深的挖掘能力欠佳，因而MAG焊焊縫熔深較淺，很容易對焊接質量和焊接效率造成不良的影響。

4.激光電弧復合焊接工藝

上世紀七十年代，研究人員提出了一種新型的高效焊接方法：激光-電弧復合焊接（圖1）。激光與電弧兩個能量源協同作用，同時具有兩種焊接方法的優勢，并且規避了兩種焊接方法的不足，具有良好的發展潛力。相較于MAG焊接，激光的加入可以明顯增加熔深，減少焊接層道數，避免過多的層間清理以及因未清理徹底帶來的焊接質量問題。

5.激光-電弧復合單道焊接技術研究

相較于單電弧焊接，通過引入激光而大幅度增加了焊縫熔深。激光能量大小對單道激光-電弧復合焊接焊縫的熔深有很大的影響;在一定條件下，激光-電弧復合焊接接頭焊縫熔深與激光功率呈正相關關系。從單電弧焊接到激光-電弧復合焊，因熔深的增加而帶來的焊接效率的增加十分明顯。理論上，當激光器滿足條件時，單道焊接是最理想高效的焊接方法。

實際上，在采用高功率激光器進行激光-電弧復合焊接過程中，激光引起的強烈等離子體以及電弧等離子體對激光能量有明顯的削弱，從而影響復合焊接的熔深，激光-電弧復合焊接過程中對激光能量的利用率降低;同時，大厚板單道焊接對焊縫填充量的需求明顯更大，焊縫根部的填充問題也極為突出。因此，對于大厚板的焊接，激光-電弧復合多層多道焊接才是高效可行的方法。

6.激光電弧復合焊接工藝在轉向架用鋼的試驗研究

有學者探究了激光-電弧復合焊接技術在轉向架用鋼焊接上的適用性，結果表明，復合焊接接頭成形質量與微觀組織表現良好，激光-電弧復合焊接這種新興的高效焊接方法在轉向架用鋼焊接上具有良好的應用前景。

6.1以16mm厚轉向架用鋼的復合焊接工藝研究

以16mm厚轉向架用鋼為研究對象，采用三層三道激光-MAG復合焊接技術進行平板對接，并與單MAG焊接結果進行對比。結果表明：激光-電弧復合焊接方法可以減少焊接層道數，焊縫及熱影響區寬度也相對更窄。對激光-電弧復合焊接接頭進行力學性能試驗，接頭的抗拉強度、屈服強度以及延伸率與母材相當。

6.2三種厚度轉向架用鋼的復合焊接工藝研究

以10mm、12mm、16mm三種不同厚度的鋼板進行了激光-MAG復合焊接和單MAG焊接工藝研究，對三種厚度復合焊接分別采用兩層兩道焊、三層三道焊以及五層五道焊接方法，通過優化激光功率和電弧參數得到了成形良好的多層多道焊接接頭。對比三種厚板的單MAG焊接和復合焊接接頭可見，復合焊接接頭焊縫面積以及熱影響區寬度明顯低于單MAG焊接接頭。三種厚度復合焊接接頭焊縫和熱影響區的硬度高于母材，而硬度最大值出現在熱影響區的過熱區。接頭拉伸試樣均斷裂于母材位置，拉伸斷口上存在大量的韌窩，接頭的抗拉強度高于母材，韌性也較好。

7.結語

本文淺顯地介紹了轉向架材料的發展，同時，詳細闡述了激光電弧復合焊接的發展歷程。能夠對專業工作人員有所幫助，保障動車組的安全運行。

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