标准动车组构架弹簧筒焊接工艺改良研究

樊庆仰、朱亮、赵磊

摘要：标准动车组转向架中小件弹簧筒在进行UT/MT探伤后发现在焊缝的内部存在气孔及未熔合缺陷，在焊接起弧和收弧位置处存在烧穿现象。弹簧筒一次探伤合格率较低，不仅影响了弹簧筒的焊接质量，同时在返修过程中造成了人力物力的极大浪费，在后期动车运行中埋下了安全隐患。针对这一严重现象，对产生的问题进行深入研究，通过对焊接工艺的优化，不仅提高了中小件弹簧筒一次探伤合格率，而且降低了焊接操作的难度。

关键字：标准动车组  弹簧筒  裂纹  气孔   未焊透

1、焊接材料及工装设备分析

1.1 焊接材料

材料选择具有较高强度、塑性、韧性及良好的耐大气腐蚀性的日本进口材料SMA490BW。

标准动车组中小件弹簧筒板材材质为SMA490BW，所选用的焊接材料为二氧化碳气体保护焊丝为CHW-55CNH。

1.2 焊接方法

    本研究主要选择手工焊方法，焊接位置选择平焊位置，保护气体选择混合气体φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，在焊接过程中，保护气体的流量为18~22L/min，对接接头坡口，钝边为1mm，组焊间隙为2mm。

1.3 焊接设备

    标准动车组中小件弹簧筒组焊时，均采用松下焊机。按照焊接工艺规程（WPS）确定弹簧筒焊接工艺参数如表1所示。

表1 焊接参数

焊接方法	焊接位置	焊接电流（A）		焊接电压（V）	气体流量（L/min）	焊丝
MAG	平焊	190-210	23-25		18-22	CHW-55CNH

2、焊接工艺过程及质量分析

2.1 弹簧筒焊接工艺过程

（1）焊前清理

未了防止气孔、夹渣等焊接缺陷的出现，焊道必须保持清洁。弹簧筒在焊接前需要进行焊前清理，清除焊缝周围20mm内的灰尘、油污、铁锈及其他杂物。

（2）点焊固定

在点焊固定之前需要将两块立板放到焊接工装上进行固定，防止在焊接过程中由于焊接应力过大而发生变形。为防止打底焊焊接焊不透现象，需要对立板进行预留12mm间隙。

（3）焊接顺序及注意事项

弹簧筒立板的厚度为12mm，焊缝的长度为182mm。采用CO2气体保护焊对点焊后的弹簧筒进行焊接，焊接电流控制在180A220A。焊接顺序如图3.3所示，首先进行内侧打底焊接，然后进行外侧打底焊接。内外侧打底焊接过后分别进行内侧焊缝填充，外侧焊缝填充。最后分别进行内侧盖面焊接和外侧盖面焊接。

2.2 焊接缺陷分析

2.2.1 气孔及未焊透缺陷分析

焊接后弹簧筒焊缝进行UT/MT探伤检测，在焊缝中发现了气孔和未熔合现象，气孔和未熔合的产生降低了弹簧筒的使用性能，对弹簧筒的质量和使用寿命造成了不良的影响。经研究发现，气孔和未熔合主要出现在焊缝的起弧和收弧处。

经分析，焊缝样式均为单边V型坡口。焊接操作人员在焊接过程中，焊枪采用直线往复摆动加之焊缝坡口设计不合理，焊接操作人员不便于控制焊枪角度，不便于观察到实际形成熔池的形态，造成焊接起弧及运行过程中影响正常熔池的形成，影响到了焊丝和母材的熔合性。

CO2气体保护焊在焊接过程中，由于熔池表面没有熔渣盖敷，CO2气流又有较强的冷却作用，因而熔池金属凝固的比较快，其中的气体来不及逸出时，造成了气孔的产生。

2.2.2 焊缝端部缺陷分析

在弹簧筒焊接前进行点焊固定，点固焊位于焊缝的两端。在每道焊接完毕进行下一道焊接时进行封头焊。焊后进行探伤检测发现，在点焊和封头焊区存在未熔合焊接缺陷[1]。

   经分析，焊缝两端为坡口结构，且存在工艺倒角，在点焊过程中，极易烧穿；同时，点固焊位于焊缝的两端，焊接时由于起弧和收弧电流较小，焊缝熔合性较差，在起收弧位置处存在未熔合缺陷。封头焊在焊接过程中，由于熔合性较差，极易造成焊接未熔合缺陷。

2.3 焊接工艺优化

2.3.1 焊接层间道数优化

采用CO2气体保护焊对点焊后的弹簧筒进行焊接，未优化改进前的焊接顺序如图3.8所示，首先进行内侧打底焊接，然后进行外侧打底焊接。内外侧打底焊接过后分别进行内侧焊缝填充，外侧焊缝填充。最后分别进行内侧盖面焊接和外侧盖面焊接。

弹簧筒的厚度为12mm厚，若采用六层六道焊接，增大了每道焊后的打磨量，极大浪费人力物力。焊接热输入较大，增大了焊缝出现焊接缺陷的几率。改善后的焊接坡口，采用两层两道焊接，首先进行内侧打底焊接，然后进行外侧打底焊接，最后进行内外侧盖面焊接。

优化后的焊接工艺，不仅减少了每层每道焊接后的打磨量，节省了人力物力。焊接热输入减少，减少了焊缝出现的焊接缺陷几率。

2.3.2运枪手法及站位优化

手工电弧焊使用手工操作的焊接方法，焊缝的质量在很大的程度上决定了焊工的操作技术。直线往复运枪为未优化之前的焊接手法，焊接时焊条末端沿焊缝的纵向作来凹直线形摆动，其特点是焊接速度快，焊缝窄，散热快，适用于薄板焊接。在弹簧筒立板对接焊过程中，由于立板相对较厚，采用直线往复运枪加大了焊接速度，焊缝较窄，加之散热较快，增大了焊缝出现未熔合和气孔的焊接缺陷。

通过对焊接操作人员手工运条焊接手法的改进采用锯齿形运条手法。

焊接时，焊条末端作锯齿形连续摆动及向前移动，并在两端稍停片刻，摆动焊条是为了控制熔化金属的流动和得到必要的焊缝宽度，这种操作方法相对于直线往复运枪手法更容易掌握[2]。这种焊接操作方法增大了焊缝的熔合，减少了焊缝出现未熔合和气孔的几率。在后续检测中焊接缺陷明显减少。

在焊接工人焊接操作过程中，如果操作工的站位不合理，则会影响到焊接工人的实际操作。焊接时注意站位，不要站在焊接工件的正面进行焊接。正确的焊接站位有利于控制焊接角度和焊接位置，同时可以保证焊枪垂直焊缝并及时观察焊接熔池的流动性，从而保证了焊缝的熔合性。

2.3.3焊接起收弧优化

在打底焊接时，由于起弧和收弧处存在钝边工艺倒角，容易烧穿焊缝。为了解决这一问题。在起弧和收弧处添加陶瓷垫片，来防止熔池金属液的外流。通过在焊接起弧和收弧处添加陶瓷垫片，避免了焊接过程中金属液的外流，有效的防止了焊接起弧和收弧处的烧穿现象[3]。

2.3.4焊缝点焊固定优化

    弹簧筒在进行打底焊焊接时，为保证焊件的相对位置及焊缝间隙在焊接过程中保持不变，需要对弹簧筒进行点焊固定。

优化前，点固焊位于焊缝两端，焊接时，因为起弧和收弧电流相对较小，焊缝熔合性较差，可能在起弧和收弧位置产生未熔合缺陷。优化后，点固焊位于坡口边缘20mm位置处，点固焊焊接完毕后，对点固焊位置进行打磨处理，在进行打底焊焊接时，对于相对较薄的点固焊进行了二次熔化，避免了由于起弧和收弧过程中电流较小引起的的未熔化现象。

2.4 焊缝无损检测分析

2.4.1 焊缝UT检测

利用超声波能在弹性介质中传播，在界面上产生反射、折射、  衍射等特性来探测材料内部或表面缺陷的检测方法[4]。主要用于内部缺陷的探测，也可用于表面缺陷的探测。           

2.4.2 焊缝MT检测

    适用于检测铁磁性材料表面和近表面尺寸很小、间隙极窄（如可检测出长0.1mm、宽为微米级的裂纹）和目视难以看出的缺陷。如裂纹、白点、发纹、气孔、夹杂、折叠、疏松、冷隔等缺陷。

2.4.3 检测分析

弹簧筒一次探伤合格率逐周下降，下降至90%以下，突破生产制造要求，不仅影响弹簧筒焊接质量，同时返修过程中造成人力物力的极大浪费。

    针对这一严重现象，对产生的问题进行深入研究，通过对焊接工艺的优化来提高弹簧筒的一次探伤合格率。

通过对弹簧筒焊接工艺的优化，弹簧筒的一次探伤合格率达到95%以上，大大提高了中小件弹簧筒一次探伤合格率,满足公司降本增效的要求。

3、 总结

（1）通过减少焊接层间道数，由之前的六层六道焊减少为四层四道焊，减少了焊接热输入，不仅使焊接缺陷产生的几率大大降低，而且改善了焊接质量，提高了生产效率。

(2) 通过纠正焊接操作人员在焊接过程中的运枪手法，由之前的直线往复运枪变为锯齿形运枪手法，锯齿形运枪焊接操作方法增大了焊缝的熔合，减少了焊缝出现未熔合和气孔的几率。

（3）通过在焊接起弧和收弧的过程中，使用陶瓷垫片，避免了焊接过程中金属液的外流，有效的防止了焊接起弧和收弧处的烧穿现象。

（4）通过更电定位点焊焊接位置，并去除焊缝封头焊接，并在焊接后对焊缝两端进行清理，有效的避免了焊接缺陷的产生，提高的焊缝的焊接质量。

参考文献

[1] 陈强.《焊接手册》[M].北京：机械工业出版社,2008.

[2] 张春苗.V形焊缝未熔合欠解决办法[J].焊接技术，2013，42（1）：62-63.

[3] 张乐乐，李培，刘晨.焊接缺陷对转向架强度的影响[J].中国铁道科学，2010，31（2）：67-72.

[4] 中国机械工程学会无损检测分会.磁粉检测[M].2版.北京：机械工业出版社.2004.

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