张祥，渠源，张虎

（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000）

随着轨道车辆向重载和高速方向发展，厚板焊接（板厚≥25mm）在转向架构架焊接生产中应用越来越普遍，比如空心轴（板厚最大达35mm）、HXD1F型转向架构架下盖板（板厚25mm）等结构都已应用至构架焊接生产。以机车转向架驱动关键部件空心轴焊接机器人焊接为例，坡口深度达到35mm，坡口角度过大，焊接填充量大，生产效率低，容易出现缺陷；坡口角度过小，焊枪干伸长太长，打底层容易出现气孔，且打底焊不易摆动，易出现未熔合等缺陷。目前采用25°坡口，空心轴焊接打底层焊枪干伸长为22mm，打底层容易出现气孔，且打底焊不易摆动，易出现未熔合等缺陷，需要采用多层多道方式焊接，焊接1件II型动车组空心轴需要6～7h，生产效率低，一次性合格率难以保证。

1 窄间隙焊接技术

本项目使用卡尔克鲁斯焊接技术（北京）有限公司提供窄间隙焊接设备、对现有CLOOS焊接机器人设备改造，应用与空心轴焊接。通过引进窄间隙焊接技术验证窄间隙焊接技术在厚板焊接中的可行性，包括对设备、焊接辅料、产品结构等因素的要求以及窄间隙焊接缺陷种类、焊缝性能、焊接质量稳定性等，同时为后续厚板产品结构设计及焊接工艺设计提供依据和方法。

2 母材材料、设备及焊接工艺介绍

2.1 材料介绍

空心轴轴端、轴身材料均为35钢，壁厚34.5mm，采用焊丝为ER50-3实心焊丝，为限制热输入量，采用细丝气体保护焊，焊丝直径为1.2mm，母材与焊丝化学成分和力学性能见表1。

表1 母材与焊丝化学成分和力学性能

2.2 设备介绍

采用熔化极CO2气体保护焊，焊接设备为CLOOS-QRC 350 焊接机器人，焊机为CLOOS窄间隙焊枪。

2.3 工件坡口设计

空心轴设计采用的坡口表2中序号1，为了验证宅间隙焊接技术，对坡口进行优化，同时考虑坡口宽度对焊接质量的影响，具体坡口见表2中序号2至序号4。

表2 不同坡口形式的试验接头

3 试验过程

1#、2#采用普通MAG焊，3#～8#采用窄间隙焊接。组装工件定位焊固定后，上工装夹具，焊接前先对工件进行预热，预热温度在150～200℃。将工件完成窄间隙焊接后放入珍珠岩保温，冷却至常温后对工件进行X射线探伤。X射线探伤结束后对工件进行宏观金相、拉伸试验、弯曲试验、硬度检测等试验。

4 焊接工艺试验

（1）焊缝外观检测。焊后对焊缝外观进行目视检测，焊缝表面质量参照ISO 5817标准进行。试样1#、5#、6#（垂直坡口空心轴模拟工件，宽度分别是23mm、24mm）采用单道焊，表面存在熔合不良情况，其它工件的焊缝均成型良好，未存在表面缺陷，坡口宽度大于23mm采用单道焊会造成表面熔合不良情况，坡口宽度需要尽量控制在22mm以内。（2）对焊接完成的8件工件进行射线探伤，7#、8#工件（坡口宽度24mm）出现气孔及未熔合现象。其中，未熔合缺陷主要是由于工件尺寸限制和坡口宽度较宽造成。气孔的产生可能是在焊接过程中干伸长不合理导致，其余工件均未发现缺陷。（3）取样32件对宏观金相进行观察，29件不存在缺陷，成型良好；试样7-2根部未焊透，原因可能是定位焊或者该位置摆动速度过快，熔池在该位置停留时间过短；试样8-3、8-4均存在单边未熔合现象。（4）对试样进行拉伸试验，试验采用的CHW-50C3焊丝，其抗拉强度为480～600MPa，实测值538Pa，母材35号钢抗拉强度≥530MPa。结果表明抗拉强度均在要求规范内，抵抗断裂能力符合要求。大部分工件断裂位置均在焊缝区域，而工件LS7-3断裂在母材位置，工件LS8-2、LS8-3断裂在热影响区熔合线上，LS8-2工件的抗拉强度比其他工件低，对断口进行观察发现，焊缝存在未熔合，气孔缺陷。

弯曲试验是测定材料承受弯曲载荷时的力学特性试验。本次弯曲试验结果如表4所示。能够弯曲180°且焊缝表面无裂纹的试样数量为26件，即弯曲试样合格率为81%。不合格工件对断口形貌观察，发现大部分开裂在熔合线上，证明该位置熔合情况较差，是焊缝弯曲性能较薄弱区域；小部分开裂在焊缝位置，可能是该位置存在缺陷。

硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。代表了其对其它物体的抵抗能力。硬度值越高，则表示耐磨性能越好，强度越高，但韧性、塑性就越差。根据焊接接头硬度曲线分布可以看出，同一试样中热影响区的硬度最高，母材次之，焊缝略低于母材；不同试样中，3#试样的硬度曲线值较高，7#、8#试样的硬度曲线值较低。焊缝中硬度值较低，减少了焊缝发生脆断的可能性，同时在拉伸试验中证明了焊缝的强度在要求规范内，保证焊缝各性能符合工艺要求。

5 试验结论

通过对模拟空心轴工件进行窄间隙自动焊，及进行相关的力学性能试验，可以得出以下结论：

（1）采用窄间隙自动焊焊接技术焊接空心轴等厚板工件在实践具有可行性，为后续中厚板焊接提供途径。（2）窄间隙自动焊焊接空心轴可以减小设计时焊缝坡口角度，减小焊缝金属填充量，板厚越厚，生产效率提升越明显，该空心轴采用窄间隙生产效率相对普通手工焊提升约16.7%，节省约1h，板料越厚，对应的生产效率提升越明显。（3）窄间隙自动焊焊接空心轴外观成形良好，但是对坡口的宽度要求较高，宽度22mm最优，23mm和24mm易于出现为熔合。（4）对工件进行基础力学性能验证，试样的抗拉强度均能达到工艺要求，部分试样的韧性较差，在弯曲试验时发生断裂；对试样进行维氏硬度试验，焊缝区域硬度值最低，韧性塑性较好，母材次之，热影响区最高，韧性较差，但强度高，耐磨性能好。