窄間隙焊接技術在機車轉向架空心軸自動化焊接上的應用研究

張祥，渠源，張虎

（中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000）

隨著軌道車輛向重載和高速方向發展，厚板焊接（板厚≥25mm）在轉向架構架焊接生產中應用越來越普遍，比如空心軸（板厚最大達35mm）、HXD1F型轉向架構架下蓋板（板厚25mm）等結構都已應用至構架焊接生產。以機車轉向架驅動關鍵部件空心軸焊接機器人焊接為例，坡口深度達到35mm，坡口角度過大，焊接填充量大，生產效率低，容易出現缺陷；坡口角度過小，焊槍干伸長太長，打底層容易出現氣孔，且打底焊不易擺動，易出現未熔合等缺陷。目前采用25°坡口，空心軸焊接打底層焊槍干伸長為22mm，打底層容易出現氣孔，且打底焊不易擺動，易出現未熔合等缺陷，需要采用多層多道方式焊接，焊接1件II型動車組空心軸需要6～7h，生產效率低，一次性合格率難以保證。

1 窄間隙焊接技術

本項目使用卡爾克魯斯焊接技術（北京）有限公司提供窄間隙焊接設備、對現有CLOOS焊接機器人設備改造，應用與空心軸焊接。通過引進窄間隙焊接技術驗證窄間隙焊接技術在厚板焊接中的可行性，包括對設備、焊接輔料、產品結構等因素的要求以及窄間隙焊接缺陷種類、焊縫性能、焊接質量穩定性等，同時為后續厚板產品結構設計及焊接工藝設計提供依據和方法。

2 母材材料、設備及焊接工藝介紹

2.1 材料介紹

空心軸軸端、軸身材料均為35鋼，壁厚34.5mm，采用焊絲為ER50-3實心焊絲，為限制熱輸入量，采用細絲氣體保護焊，焊絲直徑為1.2mm，母材與焊絲化學成分和力學性能見表1。

表1 母材與焊絲化學成分和力學性能

2.2 設備介紹

采用熔化極CO2氣體保護焊，焊接設備為CLOOS-QRC 350 焊接機器人，焊機為CLOOS窄間隙焊槍。

2.3 工件坡口設計

空心軸設計采用的坡口表2中序號1，為了驗證宅間隙焊接技術，對坡口進行優化，同時考慮坡口寬度對焊接質量的影響，具體坡口見表2中序號2至序號4。

表2 不同坡口形式的試驗接頭

3 試驗過程

1#、2#采用普通MAG焊，3#～8#采用窄間隙焊接。組裝工件定位焊固定后，上工裝夾具，焊接前先對工件進行預熱，預熱溫度在150～200℃。將工件完成窄間隙焊接后放入珍珠巖保溫，冷卻至常溫后對工件進行X射線探傷。X射線探傷結束后對工件進行宏觀金相、拉伸試驗、彎曲試驗、硬度檢測等試驗。

4 焊接工藝試驗

（1）焊縫外觀檢測。焊后對焊縫外觀進行目視檢測，焊縫表面質量參照ISO 5817標準進行。試樣1#、5#、6#（垂直坡口空心軸模擬工件，寬度分別是23mm、24mm）采用單道焊，表面存在熔合不良情況，其它工件的焊縫均成型良好，未存在表面缺陷，坡口寬度大于23mm采用單道焊會造成表面熔合不良情況，坡口寬度需要盡量控制在22mm以內。（2）對焊接完成的8件工件進行射線探傷，7#、8#工件（坡口寬度24mm）出現氣孔及未熔合現象。其中，未熔合缺陷主要是由于工件尺寸限制和坡口寬度較寬造成。氣孔的產生可能是在焊接過程中干伸長不合理導致，其余工件均未發現缺陷。（3）取樣32件對宏觀金相進行觀察，29件不存在缺陷，成型良好；試樣7-2根部未焊透，原因可能是定位焊或者該位置擺動速度過快，熔池在該位置停留時間過短；試樣8-3、8-4均存在單邊未熔合現象。（4）對試樣進行拉伸試驗，試驗采用的CHW-50C3焊絲，其抗拉強度為480～600MPa，實測值538Pa，母材35號鋼抗拉強度≥530MPa。結果表明抗拉強度均在要求規范內，抵抗斷裂能力符合要求。大部分工件斷裂位置均在焊縫區域，而工件LS7-3斷裂在母材位置，工件LS8-2、LS8-3斷裂在熱影響區熔合線上，LS8-2工件的抗拉強度比其他工件低，對斷口進行觀察發現，焊縫存在未熔合，氣孔缺陷。

彎曲試驗是測定材料承受彎曲載荷時的力學特性試驗。本次彎曲試驗結果如表4所示。能夠彎曲180°且焊縫表面無裂紋的試樣數量為26件，即彎曲試樣合格率為81%。不合格工件對斷口形貌觀察，發現大部分開裂在熔合線上，證明該位置熔合情況較差，是焊縫彎曲性能較薄弱區域；小部分開裂在焊縫位置，可能是該位置存在缺陷。

硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能。代表了其對其它物體的抵抗能力。硬度值越高，則表示耐磨性能越好，強度越高，但韌性、塑性就越差。根據焊接接頭硬度曲線分布可以看出，同一試樣中熱影響區的硬度最高，母材次之，焊縫略低于母材；不同試樣中，3#試樣的硬度曲線值較高，7#、8#試樣的硬度曲線值較低。焊縫中硬度值較低，減少了焊縫發生脆斷的可能性，同時在拉伸試驗中證明了焊縫的強度在要求規范內，保證焊縫各性能符合工藝要求。

5 試驗結論

通過對模擬空心軸工件進行窄間隙自動焊，及進行相關的力學性能試驗，可以得出以下結論：

（1）采用窄間隙自動焊焊接技術焊接空心軸等厚板工件在實踐具有可行性，為后續中厚板焊接提供途徑。（2）窄間隙自動焊焊接空心軸可以減小設計時焊縫坡口角度，減小焊縫金屬填充量，板厚越厚，生產效率提升越明顯，該空心軸采用窄間隙生產效率相對普通手工焊提升約16.7%，節省約1h，板料越厚，對應的生產效率提升越明顯。（3）窄間隙自動焊焊接空心軸外觀成形良好，但是對坡口的寬度要求較高，寬度22mm最優，23mm和24mm易于出現為熔合。（4）對工件進行基礎力學性能驗證，試樣的抗拉強度均能達到工藝要求，部分試樣的韌性較差，在彎曲試驗時發生斷裂；對試樣進行維氏硬度試驗，焊縫區域硬度值最低，韌性塑性較好，母材次之，熱影響區最高，韌性較差，但強度高，耐磨性能好。