动车组构架激光-MAG复合热源焊接工艺参数

吴向阳，陶传琦，齐维闯，杨蔚，饶清鹏，史春元，金成

(1.中国南车集团 青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111;2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

列车高速行驶过程中，转向架焊接构架承受着强烈的振动和冲击载荷作用，而焊接接头往往是焊接构架的薄弱环节，接头质量与性能的优劣直接影响列车的安全运行寿命.在传统MAG电弧焊接过程中，经常发现有些焊接接头，尤其是T型接头、管板接头等要求单面焊双面成型的接头在焊缝根部存在未焊透缺陷.显然，这种焊缝根部缺陷将成为疲劳裂纹萌生的起裂源.因此研究新型焊接工艺在构架制造中的应用技术，从工艺上解决单面焊双面成型问题是十分必要的.

激光-MAG复合焊是将激光焊和MAG电弧焊结合起来的一种优质高效节能的焊接新技术.它是将激光与电弧这两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复合在一起，共同作用于工件表面，通过两热源的相互作用及复合热源与工件的作用完成焊接过程.与常规MAG焊接工艺相比，激光MAG复合焊具有焊接速度快、焊缝熔深大、焊接变形小以及焊接工艺稳定、接头性能好等优点，目前已在造船、管道、汽车等制造领域获得广泛应用.为此，本试验将结合高速动车组转向架焊接构架的结构特点和典型接头型式，系统研究激光-MAG复合热源焊接及其在构架焊接中应用的可行性，重点研究激光-MAG复合焊工艺参数(包括激光功率、离焦量、焊接电流、电弧电压、焊接速度)以及坡口角度、钝边尺寸、组焊间隙等对焊缝成型、焊接质量和接头性能的影响规律，为激光-MAG复合焊工艺在转向架焊接构架中的应用提供试验数据和研究基础.

1 实验方法

1.1 实验材料

试验用钢为SMA490BW耐候钢，其中板材厚度12 mm，管材规格Φ203 mm×11 mm.SMA490BW钢的化学成分和机械性能列于表1.焊丝选用CHW-55CNH(Φ1.2 mm)实芯焊丝，其化学成分和熔敷金属机械性能见表2.

表1 试验用钢化学成分和试验用钢机械性能

表2 焊丝化学成分和焊丝熔敷金属机械性能

1.2 实验方法

激光-电弧复合焊接工艺试验采用6 kW激光-MAG复合机器人焊接加工系统，其中激光器为TRUDISK 6002型6 kW蝶形激光器，MAG焊接电源选用FRONIUS的TPS 5000数字化逆变焊机.

图1 激光-MAG复合焊接接头型式

焊接接头型式分别采用对接接头、T型接头和管板焊接接头，如图1所示.

2 实验结果与讨论

2.1 平板对接焊接工艺参数

在坡口角度均选为60°的条件下，对接试板激光-MAG复合焊接工艺参数及钝边尺寸和组焊间隙列于表3.各接头的焊缝宏观断面形貌如图2所示.

表3 对接焊工艺参数

图2 对接接头宏观形貌

由图2可知，当钝边尺寸选取2 mm时，无论组焊间隙为零还是1 mm，在激光功率不高的条件下焊缝根部都完全熔透，焊缝正面和背面也具有良好成型，焊缝表面也没有发现咬边、焊穿、裂纹、气孔等缺陷.但是，盖面焊缝需要焊接两道才能完全填满，且总共需要五道焊才能全部完成焊接，没有体现出激光-电弧复合焊高效率的焊接特性.当钝边选为4 mm时，组焊间隙分别为零和1 mm，焊缝根部也都完全熔透，焊缝正面和背面都具有良好成型.与当钝边为2 mm时相比，尽管激光功率较高，但盖面焊只需焊接一道即可完全填满，且整个焊缝也只需焊接三道，因此大大提高了焊接效率并节省焊接填充材料.至于组焊间隙，由于激光束斑直径一般在1.0～1.5 mm左右，因此底层焊道的组焊间隙应不超过1 mm.因此对接试板激光-电弧复合焊时，坡口角度60°、钝边尺寸4 mm、不留组焊间隙为宜.

2.2 T型角接焊接工艺参数

在坡口角度均选为50°的条件下，T型试板激光-MAG复合焊接工艺参数及钝边尺寸和组焊间隙列于表4.各接头的焊缝宏观断面形貌如图3所示.

表4 T型角接焊工艺参数

图3 T型接头宏观形貌

当坡口角度取为50°时，无论钝边为2 mm或4 mm，还是间隙为零或1 mm，都获得较好的焊缝背面成型.当钝边为4 mm时，需要较高的激光功率才能保证焊缝根部熔透，而当钝边为2 mm时，激光功率较低时既可使根部焊缝完全熔透，但仔细观察焊缝表面，发现焊缝与母材之间的过渡区域存在咬边现象.这是由于当钝边尺寸为2 mm时填充及盖面仍采用三道焊接，且激光复合焊接速度较快，导致填充金属量相对不足使得焊缝边缘液态金属未能及时补充而形成一定程度的咬边.此外，组焊间隙选取零或1 mm对焊缝背面成型的影响并不明显.可见，综合考虑发挥激光-电弧复合焊高效率、大熔深和节省焊材等工艺特点，T型接头单面坡口角度取50°、钝边尺寸4 mm、组焊间隙为零较为合适.

2.3 管板搭接焊接工艺参数

管板搭接激光-MAG复合焊接工艺参数及坡口角度、钝边尺寸和组焊间隙列于表5.各接头的焊缝宏观断面形貌如图4所示.

图4 管板搭接接头宏观形貌

由图4可以看出，当坡口角度分别选取0°、15°、30°时，无论钝边尺寸还是组焊间隙取零还是1 mm，都获得良好的焊缝正面和背面成型.相比之下，当坡口角度取为30°、钝边和间隙均取1 mm时，焊缝正面和背面的成型最为美观，焊缝表面规则，焊缝宽度均匀.由此确定管板搭接激光-电弧复合焊时坡口角度取30°、钝边和间隙均取1 mm为宜.

表5 管板搭接焊工艺参数

3 结论

(1)采用激光-MAG复合热源焊接板厚12 mm的SMA490BW构架用钢时，对于平板对接接头，合适的焊接工艺参数为:坡口角度60°、钝边尺寸4 mm、组焊间隙为零.底层焊道的激光功率2.2 kW、焊接电流185 A、电弧电压23.5 V、焊接速度40 cm/min;其它焊道的激光功率0.8 kW、焊接电流252 A、电弧电压27.8 V、焊接速度70 cm/min;

(2)对于T型角接接头，合适的焊接工艺参数为:单边坡口角度50°、钝边尺寸4 mm、组焊间隙为零.底层焊道的激光功率4.0 kW、焊接电流210 A、电弧电压26.2 V、焊接速度45 cm/min;其它焊道的激光功率0.8 kW、焊接电流252 A、电弧电压27.8 V、焊接速度70 cm/min;

(3)对于管板搭接接头，合适的焊接工艺参数为:坡口角度30°、钝边尺寸和组焊间隙均为1 mm.底层焊道的激光功率1.7 kW、焊接电流185 A、电弧电压23.5 V、焊接速度50 cm/min;其它焊道的激光功率0.8 kW、焊接电流252 A、电弧电压27.8 V、焊接速度70 cm/min.

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