关键词：环形双层焊；焊枪；焊缝
前言：中国中车长江铜陵车辆有限公司在进行转向架横梁管加工时，需通过两层焊接，方可形成符合器件加工需求的内腔焊缝。但底层处理完成后，传统焊接工艺难以有效处理焊接接头，易导致不同层焊接出现熔合问题，影响焊接效果。就此，该企业自主开发环形双层自动化连续焊接工艺。
1 环形双层焊自动化连续焊接工艺的开发
在中国中车长江铜陵车辆有限公司（下文简称“铜陵车辆厂”）的转向架加工时，其横梁钢管和连接座采用焊接工艺，而二者间的焊缝兼备连接与承载两项功能，需采用双层焊焊接工艺。在传统双层焊工艺中，对于管管对接焊缝，焊接人员在完成第一层焊接后，需做好对接接头位置的打磨处理，再开展第二层焊接。但由于转向架的横梁钢管直径较小，焊接人员难以对第一层焊接进行有效打磨处理，易使第一层焊接与第二层焊接出现熔合不足等缺陷，影响横梁钢管与底座的 连接效果。针对该问题，铜陵车辆厂开发环形双层焊自动化连续焊接工艺，在省略打磨处理环节的基础上，保障第一层焊接与第二层焊接的熔合，避免焊接缺陷的出现。
1.1焊接原理
在试件加工中，环形双层焊自动化连续焊接工艺的原理如下：首先焊接第一层，在中间不断弧的基础上，在焊接第一层中选择合适区域，应用不同的焊接参数，开展第二层焊接。在上述过程中，第二层焊接位置的选择及应用的焊接参数，是确保不同层间焊接熔合的关键。
1.2焊接设备
在铜陵车辆厂的转向架焊接加工时，焊缝为内外对接环焊缝，对焊接工艺与设备的要求较高。如果采用传统手工焊接工艺，焊接人员需在焊接的同时，转动工件，焊接效率偏低，且焊缝内腔熔池难以使接头熔合。就此，铜陵车辆厂选择机械手替代人工焊接，应用OTC AⅡ-V6型号的机械手作为焊接设备，可根据焊接参数要求，编辑机械手控制程序，焊缝质量有保障、焊接效率高，且能够重复使用。OTC AⅡ-V6型号的机械手主要结构为机器人主体、控制设备、操作按钮台，可实现自动化连续焊接加工。
1.3焊接工件
在自动化连续焊接工艺开发中，焊接工件分别为横梁钢管与连接座。在铜陵车辆厂生产中，横梁钢管为S355J2H型号的钢型材，结构为圆柱体，直径为193.7mm，高为1300cm；横梁钢管的柱体壁厚为22.2mm、坡口位置的壁厚为15mm。连接座为S355J2G3型号的锻件。在钢管和连接座焊接中，要求内侧焊缝为5V型式。同时，在进行该焊接工艺的验收时，需遵循ISO5817-B级国家标准。
1.4开发流程
在开发焊接工艺时，选择与上述参数相同的焊接工件，进行多次焊接试验，测定最佳的焊枪角度与焊接参数。
2 明确焊枪角度
在焊接工艺中，焊枪角度的选择直接关系到焊缝成型结果。铜陵车辆厂在开展焊枪角度试验时，选择同样焊件为试验对象，应用不同方向与角度，进行焊接加工，对加工焊件进行X射线检测及金相分析，根据分析结果，选出最佳的焊枪方向与角度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆观察焊件的分析结果可得出如下结论：（1）焊枪位于与钢管垂直方向呈某一角度的位置时，焊枪的保护气会使电弧远离焊枪倾斜的方向，影响焊缝的熔合效果；（2）焊枪位于与钢管平行方向呈某一角度的位置时，填充材料会集中于焊枪倾斜方向的另一侧，导致该区域熔合效果优于焊枪倾斜方向的区域；（3）在焊枪位于钢管内腔底部，且垂直于切线的位置时，焊缝的成型效果与熔合效果最佳。在该焊枪角度下，第二层焊接的位置为竖直面上第一层焊接时焊枪位置的上方5cm处。
3 计算焊接参数
在焊接过程中，焊接机械手的电源选择DM350型号的全数字逆变电源，焊接时焊接设备的电流、电压及振动参数，均会影响焊接效果。通常来说，在焊接线能量保持不变时，电流越大，焊缝的熔深就越大，可保障不同层间的熔合，但焊接电流有固定的范围，过大将会导致焊件被焊穿；电压会影响焊缝的宽度与成型效果。经过多次焊接试验，铜陵车辆厂明确第一层焊接与第二层焊接的最佳参数。在焊接参数试验中，选择同样焊件为试验对象，选择控制变量法，分别改变焊接电流、电压及速度等参数，对焊件进行金相检查与外观检查，根据检查结果明确最佳焊接参数，具体如下：
第一层焊接的电流为230A；电压为21.5V；速度为48cm/m；摆幅及摆频均设定为0；第一层焊接的电流为230A；电压为22.5V；速度为30cm/m；摆幅为1.2mm；摆频为2Hz。
4 环形双层焊自动化连续焊接工艺的实践应用效果
4.1焊接加工工艺
基于上述开发工作，铜陵车辆厂明确自动化连续焊接工艺的应用流程：在第一层焊接时，将焊接机械手的焊接电流设定为230A，电压设定为21.5V，无需设置摆幅与摆频，以速度为48cm/m的速度进行焊接，焊枪的焊接方向为垂直横梁钢管，焊接位置为钢管底部切线与圆的接触点；在第二层焊接时，将焊接机械手的焊接电流设定为230A，电压设定为22.5V，摆幅设定为1.2mm，摆频设定为2Hz，以速度为30cm/m的速度进行焊接，焊枪的焊接方向为垂直横梁钢管，焊接位置为第一层焊接位置垂直方向上方5cm处。
4.2工艺应用效果
在铜陵车辆厂开发全新焊接工艺后，应用该焊接工艺对转向架试件进行焊接加工，分别检测试件焊缝及焊接收缩量，明确该焊接工艺的应用效果。在试件焊缝检测中，分别进行内部检测与外观检测。其中，内部检测选择金相检测与X光射线检测，检测结果显示，试件焊缝内部并未出现焊接缺陷，不同层间的焊接熔合效果良好，无层道间尖角，焊接接头质量符合转向架加工需求；外观检测参照ISO5817-B级标准进行，检测结果显示，试件焊缝的余高及熔合效果等状况，均符合标准要求，且焊缝接头部位不存在下凹或咬边等问题，焊接后即可交付验收，符合验收合格标准要求。
在焊接收缩量检测中，分别应用传统焊接工艺及自动化连续焊接工艺加工十根试件，对比试件的焊接收缩量。对比结果显示，无需控制层间温度，自动化连续焊接工艺可也保障较低的焊接收缩量，加工要求低于传统焊接工艺[2]。
通过上述检测试验可知，在转向架加工中，自动化连续焊接工艺的优势显著，可简化传统焊接工艺的接头打磨环节，且无需控制层间温度。同时，该焊接工艺可在横梁铜管有限的空间内，实现自动化连续焊接，焊接后不同层间的熔合效果良好，焊缝的连接与承载功能可有效发挥。目前铜陵车辆厂已按照上述焊接流程及参数，进行转向架焊接生产，生产质量与效率有显著提升，其他车辆制造企业可借鉴学习。
结论：综上所述，制造企业可根据器件加工需求，创新焊接工艺，保障器件生产加工质量。借鉴铜陵车辆厂的成功经验，在进行管管对接焊缝的加工时，制造企业可应用机械手替代人工焊接，根据焊接工件要求，明确两层焊接的焊接参数与焊接位置，选择最佳的焊枪方向，避免焊缝出现缺陷，提高工件加工质量与效率。
参考文献：
[1]徐平凡,肖文勋,王哲.车圈圆形焊缝全自动焊接设备的设计[J].组合机床与自动化加工技术,2019(06):138-139+148.
[2]张硕韶,于金朋,张锦华.双层铝合金车体焊接结构设计[J].电焊机,2017,47(06):88-94.
作者简介：江小山（19750401-）；性别：男，籍贯：安徽无为，学历：大专，毕业于铜陵电大；现有职称：中级工程师；研究方向：焊接。
论文作者:江小山
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第18期
论文发表时间:2020/3/16
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