等离子-MAG复合焊在转向架构架焊接中的应用前景

张成铭 魏苇 李由 徐志龙中车长春轨道客车股份有限公司

等离子-MAG复合焊在转向架构架焊接中的应用前景

张成铭 魏苇 李由 徐志龙
中车长春轨道客车股份有限公司

转向架构架的焊接目前主要采用MAG焊，在焊接过程中焊接变形较大，焊后需采用火焰或机械方法进行矫正，增加了制造成本。并且由于MAG焊工艺的熔深能力局限，无法通过减小坡口角度来控制焊接变形。对于某些T型接头组合，还会出现焊缝根部未焊透等缺陷。因此，本文浅谈一种适合于转向架构架焊接的等离子-MAG复合焊接方法。

等离子-MAG复合焊 转向架 构架焊接

在铁路车辆中，转向架起支承车体、转向和制动的作用，其保证列车在轨道上安全平稳地运行。转向架直接与轮轨产生相互作用，是决定列车走行性能最为关键的部件。因此，转向架构架的焊接生产质量对列车品质和行车安全都具有十分重要的意义。

转向架构架焊接主要采用自动化和半自动化的熔化极气体保护焊（简称MAG焊），由于转向架焊接构架结构复杂焊缝较多，焊后产生焊接残余应力，焊接和打磨工作量非常大，生产效率低；焊接和打磨所产生的烟尘、电弧产生的热量使工作环境非常差。MAG焊在焊接过程中易产生焊接变形，这就要求采用火焰或者机械的方法进行矫正，不但增加了加工成本，更延长了生产周期，而且还可能恶化残余应力的分布状态[2]。此外，在焊接接头尤其是T型接头中，有时会出现焊缝根部未焊透等缺陷。显然焊根未焊透将引起应力集中，导致焊接接头的抗疲劳性能降低。

等离子-MAG复合热源焊接技术是由等离子电弧焊和MAG焊（熔化极气体保护电弧焊）这两种成熟的标准焊接工艺结合而成的一种新型复合焊接工艺。其将高能量密度，熔宽小、熔深大的等离子弧与低能量密度，熔宽大、熔深小的MAG电弧同轴或旁轴复合使用，能利用等离子弧获得深熔效果，MAG弧获得熔宽，可通过焊丝调节焊缝成分，使其具有焊接速度快，熔深大，焊接热输入低，热影响区窄，减小残余应力控制焊接变形，焊接飞溅少，焊接质量高等特点。这种新的焊接技术，有利于解决在上述转向架构架焊接生产中所出现的问题。

等离子-MAG复合焊接方法是在1972年4月由荷兰飞利浦公司试验研究中心的W.G.Essers和A.C.Liefken等人最早在飞利浦焊接报告中提出的一种新型焊接方法[3]。早期由于焊接设备限制等诸多问题，这种高效的焊接方法没有得到很好的发展，但近些年来，国外对于等离子-MAG复合焊展开了大量的研究与开发工作，并在高强钢和铝合金的焊接中得到了实际应用，而国内关于这方面的研究及应用还比较少。

等离子-MAG复合焊焊接时由高能量密度的等离子弧保证焊缝熔深，并且有预热及搅拌和清理的作用，为MAG焊的焊接做好了准备；而MAG焊则高效的填充了等离子弧所产生的空隙，从而实现了高效、稳定的复合热源焊接。与传统的MAG焊相比，等离子-MAG复合焊具有以下特点：①焊接速度快，焊缝质量高，焊接过程飞溅少；②焊接热输入低，能量集中，热影响区窄，焊后工件变形小；③实现电弧稳定燃烧的参数范围广；④熔敷效率高[4]。

等离子-MAG复合焊同样也存在不足：由于需要等离子弧和MAG电弧在焊接过程中在焊枪内同时稳定燃烧，因此对焊枪设计精度要求较高，后期维护困难较大；摸索焊接工艺参数时需要调节的参数过多，工作量较大。

等离子-MAG复合焊焊枪需保证等离子弧和MAG电弧在同一个焊枪中稳定燃烧，对焊枪的耐热性和绝缘性及设计精度要求较高，可以说焊枪是整个系统的核心组件。根据等离子弧燃烧位置的不同，等离子-MAG复合焊焊枪可以分为两类：偏置式（旁轴式）和同轴式，其中旁轴式焊枪等离子弧是在钨极和工件之间燃烧，同轴式焊枪等离子弧是在喷嘴和工件之间燃烧。

真正实现商业应用的等离子-MAG复合焊接设备是以色列等离子激光技术（PLT）公司研制的SUPER-MAG复合焊接系统，其焊枪采用旁轴一体式设计，焊接时等离子弧置前，在工件内产生匙孔，MAG电弧随后，填充等离子弧产生的空隙。在该焊接设备中，等离子弧为负极，MAG电弧为正极，电流通过两个电极相互作用产生电磁力F。SUPER-MAG复合焊接设备的原理简介如图1.5所示[5]。

图1 SUPER-MAG复合焊接设备焊接原理简介[5]Fig.1 Brief introduction of SUPER-MAG hybrid welding equipment principle

田仁勇等针对相同条件的转向架构架用耐候钢对接和T型接头，分别采用MAG焊和等离子-MAG复合焊接方法进行焊接。结果表明，与传统MAG焊对比，采用等离子-MAG复合焊接方法的接头，拉伸残余应力明显降低且焊接变形减小。

吴向阳[7]等采用等离子-MAG焊接方法，焊接转向架构架用耐候钢窄坡口对接接头。结果表明，等离子-MAG复合焊窄坡口（30°）的对接接头，焊缝根部焊道完全熔透，且与普通MAG焊60°坡口的接头相比，焊接变形明显变小。

综上所述，等离子-MAG复合焊有着焊接速度快，熔深大，焊接热输入低，热影响区窄，焊接变形小，焊接飞溅少，焊接质量高的特点。且通过相关试验发现，等离子-MAG复合焊在焊接转向架构架用耐候钢时，与传统的MAG焊相比，可以有效的减少焊接变形，降低残余应力，在窄坡口焊接时实现单面焊双面成型，且根部完全熔透。非常适合转向架构架相关零部件的焊接，有很广阔的应用前景。

[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]崔晓芳，马君，兆文忠．高速动力车转向架构架焊接变形的数值分析研究[J]．铁道学报，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]王长春．全新的技术突破-等离子-MIG复合焊工艺[J]．现代焊接，2010，(11)：18-20．

[6]田仁勇，史春元，吴向阳，等．基于等离子-MAG复合焊的SMA490BW焊接接头残余应力与变形测量[J]．热加工工艺，2016，45(3)：45-46．

[7]吴向阳，张志毅，齐维闯，等．窄坡口等离子-MAG复合焊工艺参数优化[J]．焊接学报，2017，38(5)：116-118．