一种等离子‑MAG复合焊接方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种等离子-MAG复合焊接方法。

背景技术：

转向架是轨道车辆最重要的组成部件之一，其结构是否合理直接影响轨道车辆的运行品质、动力性能和行车安全。构架是转向架重要部件之一，是转向架各部分机构的安装平台，用以连接转向架各部分组成，传递各个方向的力，保持车轴在转向架的位置。

目前，转向架构架的焊接主要采用传统的自动或半自动MAG(Metal Active Gas Arc Welding)电弧焊接方法。

转向架构架的结构复杂，焊接部位数量多且分布复杂，采用传统MAG焊接方法存在下述问题：

第一，鉴于传统MAG焊方法自身的焊接工艺特点，为保证构架焊缝充分熔透，要求焊件的坡口角度较大，一般选取60°角度，而且焊前还需留有焊接间隙，因此MAG焊接热输入大，填充金属量多，焊后接头变形大；再加上构架的焊缝数量多、分布复杂，导致构架焊接后会产生较大且复杂的焊接变形，焊接后则要求采用火焰或机械等方法进行矫正，既增加了加工制造成本，又延长了生产周期；

第二，在现行焊接工艺参数条件下，MAG焊接技术的熔深能量有限，对于构架上只能进行单面焊接的部位来说，焊缝根部不易焊透，特别是对于T型焊接接头、管板接头等接头型式，经常存在焊缝根部未熔透缺陷；而焊缝根部未焊透缺陷会产生严重的应力集中，导致构架焊接结构的疲劳强度显著下降，严重影响车辆的行驶安全和服役寿命。

有鉴于此，如何研发一种新型焊接方法，能够提高焊缝质量和焊接效率，以满足转向架构架的焊接需求，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种等离子-MAG复合焊接方法，该焊接方法通过两个独立热源间的相互作用及复合热源与焊件之间的作用完成焊接过程，具有焊缝熔深大、焊接速度快，以及热输入低、热影响区窄，焊接质量高等特点；应用该焊接方法能够提高构架的焊接质量，减小构架的焊接变形，满足构架焊接的基本需求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种等离子-MAG复合焊接方法，该焊接方法在焊接时，将等离子钨极置前，MAG焊丝置后，其中，所述钨极的尖端与所述焊丝的尖端之间保持预设距离，且两尖端距所述焊件表面的高度一致；并，所述钨极与焊道相垂直设置，所述焊丝与所述钨极呈预设夹角。

如上，本发明提供的等离子-MAG复合焊接方法，焊接时，等离子钨极置前，利用等离子束能量密度较高、焊接穿透能力较强的特点，通过在焊接熔池底部形成的匙孔效应，保证焊缝背部完全熔透；MAG焊丝置后，利用MAG电弧工艺适应性好的优点，通过优化MAG焊接工艺参数匹配，与等离子束相配合，能够实现在较高速度的焊接条件下获得理想的焊缝熔深，焊缝根部完全熔透并获得规则的焊缝成形，尤其在焊趾部位光滑过渡，有效降低应力集中系数从而改善接头抗疲劳性能；同时能够显著减小焊接变形；可见，将该等离子-MAG复合焊接方法应用于构架焊接，能够提高构架的焊接质量，减小构架的焊接变形，满足构架焊接的基本需求。

可选的，焊接前，等离子焊接电源与MAG焊接电源的连接方式如下：

将所述等离子焊接电源的负极与所述钨极相连接，所述等离子焊接电源的正极与所述焊件或工作台连接；

将所述MAG焊接电源的正极与所述焊丝相连接，所述MAG焊接电源的负极与所述焊件或工作台连接。

可选的，焊接时，点燃引导弧，当所述钨极与等离子压缩喷嘴之间的引导弧转移至所述钨极与所述焊件之间建立起工作电弧，且所述焊丝与所述焊件之间形成电弧后，开始移动焊枪实施焊接。

可选的，焊接结束后，先熄灭MAG电弧，再熄灭等离子电弧。

可选的，焊接前，在焊件上开始预设角度的坡口。

可选的，所述焊件为对接接头时，所述坡口加工为V形坡口，所述预设角度的范围为25～35°。

可选的，所述焊件为T型接头时，所述坡口加工为单边V形坡口，所述预设角度的范围为35～45°。

可选的，形成所述坡口的斜面的钝边尺寸为0～1mm，所述焊件的焊接间隙为0～1mm。

可选的，所述钨极的尖端与所述焊丝的尖端之间的预设距离为9～11mm。

可选的，所述焊丝与所述钨极的预设夹角不超过25°。

附图说明

图1为应用本发明所提供等离子-MAG复合焊接方法焊接对接接头的焊接过程示意图；

图2为对接接头焊接时等离子-MAG复合焊枪与焊件的相对位置示意图；

图3为图2的左视图；

图4为应用本发明所提供等离子-MAG复合焊接方法焊接T型接头的焊接过程示意图；

图5为T型接头焊接时等离子-MAG复合焊枪与焊件的相对位置示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的等离子-MAG复合焊接方法，在焊接时，将等离子钨极置前，MAG焊丝置后，其中，钨极的尖端与焊丝的尖端之间保持预设距离，且两尖端距焊件表面的高度一致；并，钨极与焊道相垂直设置，焊丝与钨极呈预设夹角。

如上，该复合焊接方法利用等离子束能量密度较高、焊接穿透能力较强的特点，通过在焊接熔池底部形成的匙孔效应，与工艺适应性好的MAG电弧工艺相结合，能够实现在较高速度的焊接条件下获得理想的焊缝熔深，焊缝根部完全熔透并获得规则的焊缝成形，尤其在焊趾部位光滑过渡，有效降低应力集中系数从而改善接头抗疲劳性能；同时能够显著减小焊接变形。

对于焊接部位多且分布复杂的构架而言，采用该种复合焊接方法，能够显著提高构架的焊接质量，减小焊接变形。

下面以焊件为对接接头和T型接头具体介绍该等离子-MAG复合焊接方法的工艺过程。

请参考图1至图3，图1为应用本发明所提供等离子-MAG复合焊接方法焊接对接接头的焊接过程示意图；图2为对接接头焊接时等离子-MAG复合焊枪与焊件的相对位置示意图；图3为图2的左视图。

首先需要说明的是，该复合焊接方法将等离子喷嘴11与MAG焊喷嘴12设为一体，容置在一个焊枪内。

如图所示，焊件为对接接头，在焊接前，先在焊件上开设预设角度的V形坡口20；其中，该预设角度可在25～35°范围内选取。

具体加工时，形成V形坡口20的斜面的钝边尺寸控制在0～1mm，焊件的焊接间隙也控制在0～1mm。

这里，钝边尺寸可以理解为接头斜面的底边距接头底面的距离，焊接间隙可以理解为两个对接接头底部对接面之间的间隙。

焊接前，等离子焊接电源与MAG焊接电源的连接方式为：

将等离子焊接电源的负极与钨极111相连接，等离子焊接电源的正极与焊件或工作台连接；

将MAG焊接电源的正极与焊丝121相连接，MAG焊接电源的负极与焊件或工作台连接。

焊接时，等离子钨极111置前，MAG焊丝121置后，其中，钨极111的尖端与焊丝121的尖端之间保持预设距离，且两尖端距焊件表面的高度一致；并，钨极111与焊道相垂直设置，焊丝121与钨极111呈预设夹角a。

所述预设距离为9～11mm，该范围有助于确保等离子束对焊接位置的预热，确保焊缝熔深。当然，实际中可以根据应用需求调整该预设距离。

焊丝121与钨极111之间的预设夹角a不超过25°，可以理解，焊丝121通过沿焊缝方向前后倾斜来形成与钨极111之间的夹角，以确保焊丝121填充在V形坡口20内。

具体焊接时，根据焊件的实际尺寸、焊接要求等来设定等离子-MAG复合焊接的工艺参数，所述工艺参数包括等离子电流、等离子电压、MAG焊接电流、MAG焊接电压、等离子气体流量、保护气体流量等。

以板厚12mm板材对接焊为例，各工艺参数的选取如下：底层焊道等离子电流180～190A，等离子电压27～28V，MAG焊接电流190～200A，MAG焊接电压20～21V，焊接速度60cm/min，等离子气体流量6～7/L·min^-1，保护气体流量20/L·min^-1；盖面焊道等离子电流100～110A，等离子电压23～24V，MAG焊接电流260～270A，MAG焊接电压27～28V，焊接速度40cm/min，等离子气体流量3～4/L·min^-1，保护气体流量20/L·min^-1。

应用时，可根据前述钨极111与焊丝121的相对位置设置要求来装配复合焊枪，然后将复合焊枪装配在专用工装上加紧预组后利用机械手实现等离子-MAG复合热源的自动化焊接。

根据具体焊接作业内容，操作人员可通过示教编程或离线编程编写机械手运行程序及运动轨迹，选择合适的焊接速度、电弧修正值、焊丝干伸长度、焊枪至工件的距离以及焊枪姿态等。

具体操作时，点燃引导弧，当钨极111与等离子压缩喷嘴112之间的引导弧转移至钨极111与焊件之间建立起工作电弧，且焊丝121与焊件之间形成电弧后，也就是说形成焊接熔池后，开始移动复合焊枪实施焊接。

在焊接结束后，先熄灭MAG电弧，然后熄灭等离子电弧，以避免起收弧缺陷，确保焊接质量。

请参考图4至图5，图4为应用本发明所提供等离子-MAG复合焊接方法焊接T型接头的焊接过程示意图；图5为T型接头焊接时等离子-MAG复合焊枪与焊件的相对位置示意图。

可以理解，焊件为T型接头时，该复合焊接方法工艺流程与前述对接接头的焊接工艺流程基本一致，区别在于相关参数的选取存在变化，下面仅就这些区别作出说明，其余未指出部分可参考前文理解。

焊接前，在焊件上开设的坡口形式为单边V形坡口30，单边V形坡口30的预设角度可在35～45°选取。

需要指出的是，由于焊件为T型接头时，坡口形式为单边V形坡口30，如图4和图5所示，所以，此时焊接时，复合焊枪与焊件中的横接板呈一定夹角b，才能将焊料填充至单边V形坡口30内。

具体焊接时，焊接的工艺参数也根据焊件的实际尺寸、焊接要求等来设定。

以板厚12mm板材T型接头为例，各工艺参数的选取如下：底层焊道等离子电流180～190A，等离子电压27～28V，MAG焊接电流205～215A，MAG焊接电压24～25V，焊接速度50cm/min，等离子气体流量6～7/L·min^-1，保护气体流量20/L·min^-1；其它焊道等离子电流50～60A，等离子电压21～22V，MAG焊接电流235～245A，MAG焊接电压25～26V，焊接速度40cm/min，等离子气体流量3～4/L·min^-1，保护气体流量20/L·min^-1。

经过试验验证表明，与传统MAG电弧焊相比，将该等离子-MAG复合焊接方法应用于转向架构架焊接具有下述优点：

该复合焊接方法能够有效降低焊接变形，对于对接接头的焊接结构，焊接收缩变形量下降约15％，对于T型焊接结构，焊接角变形量下降约20％；

由于焊接过程中，等离子钨极置前，等离子束作用在熔池中形成匙孔，能够实现在较高速度的焊接条件下获得较为理想的焊缝熔深，确保焊缝根部完全熔透并获得规则的焊缝成形，尤其在焊趾部位光滑过度，从而有效降低了应力集中系数，进而能够改善焊接接头的抗疲劳性能；另外，由于焊缝熔深能够保证，可以实现单面焊双面成形，对于构架上只能单面焊的焊接部位，能够确保焊接质量；

因等离子束与MAG电弧相互作用，焊接速度较高，在坡口角度相同的条件下，与常规MAG焊相比，该复合焊接方式能够将焊接效率提升30％以上，且焊接道数减少，能够节省焊接填充金属50％以上；

因等离子-MAG复合焊接的焊接速度较快，在相同坡口角度的情况下，与传统的MAG焊工艺相比，等离子-MAG复合焊接热输入能够降低约20％；因此，一方面等离子束加热时间缩短，不易产生晶粒过大且热影响区减小，改善焊缝组织状态；另一方面，在MAG电弧作用下复合热源减缓熔池凝固时间，有利于气体溢出，从而有效减少气孔、裂纹、咬边等缺陷；

由于焊接热输入相对于传统MAG焊降低，焊缝及热影响区没有粗大组织，从而改善了接头的力学性能，其屈服强度、抗拉强度、延伸率以及硬度等力学性能指标均符合标准规定值，拉伸试件破断在母材中。弯曲试件经180°弯曲后完好。在最低-40℃试验环境下，焊缝及热影响区的冲击功均超过标准规定值。与传统MAG焊接头相比，在疲劳寿命设为10⁷加载次数的条件下，等离子-MAG复合焊接头在10⁷加载次数条件下的疲劳强度提高15％以上。

以上对本发明所提供的一种等离子-MAG复合焊接方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。