才鶴 李維哲 王澤飛 姚丹丹 劉超

摘要：由于鈦合金的焊接特性和高鐵轉(zhuǎn)向架焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在焊接過(guò)程中如何保證焊接質(zhì)量和尺寸要求成為鈦合金高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)制造的最大難點(diǎn)。尤其是轉(zhuǎn)向架側(cè)梁，作為轉(zhuǎn)向架焊接的重要工序，保證其質(zhì)量和精度是轉(zhuǎn)向架后續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵。通過(guò)編制合理的焊接工藝規(guī)程，對(duì)焊前準(zhǔn)備、組對(duì)順序、焊接順序、焊接參數(shù)要求、工裝準(zhǔn)備、熱處理要求等進(jìn)行有效規(guī)定，從而提高鈦合金轉(zhuǎn)向架側(cè)梁組成的焊接質(zhì)量和尺寸要求。轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的現(xiàn)場(chǎng)焊接結(jié)果表明，焊后焊縫質(zhì)量滿足要求，側(cè)梁尺寸滿足轉(zhuǎn)向架構(gòu)架組對(duì)要求。

關(guān)鍵詞：鈦合金;高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架;焊接工藝;側(cè)梁組成;焊接變形

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0052-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.11

0 前言

近年來(lái)，中國(guó)高速列車(chē)快速發(fā)展，整體技術(shù)持續(xù)領(lǐng)跑世界。轉(zhuǎn)向架作為高速列車(chē)的核心部件之一，其制造水平是影響高速列車(chē)行駛速度的重要因素。轉(zhuǎn)向架零部件采用鈦合金生產(chǎn)制造，鈦合金密度小，抗拉強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、高低溫性能好、抗腐蝕性能等材料特性可以有效地滿足轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化設(shè)計(jì)、提高使用壽命等要求，最終達(dá)到提高高速列車(chē)速度的目的。

轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)制造目前主要采用焊接方式，在結(jié)構(gòu)上可分為側(cè)梁組成、橫梁組成、構(gòu)架組成三部分。其中側(cè)梁組成是一種封閉箱體結(jié)構(gòu)，其焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸精度要求較高，直接影響構(gòu)架的整體組對(duì)尺寸和焊接質(zhì)量，最終影響高速列車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性能和行車(chē)安全[1-2]。對(duì)于鈦合金側(cè)梁組成的焊接，由于鈦合金的焊接特性，進(jìn)一步加大了保證其焊接質(zhì)量和尺寸精度要求的難度。文中介紹了一種鈦合金轉(zhuǎn)向架側(cè)梁組成的焊接工藝，利用合理的工藝規(guī)范對(duì)側(cè)梁組成進(jìn)行焊接，結(jié)果滿足焊接質(zhì)量和尺寸精度要求。

1 鈦合金側(cè)梁組成焊接難點(diǎn)

側(cè)梁組成為封閉箱體結(jié)構(gòu)，尺寸為3 411 mm×212 mm×721 mm。側(cè)梁組成選用TA18和TA2鈦合金材料，其力學(xué)性能參考GB/T3621《鈦及鈦合金板材》，力學(xué)性能參數(shù)如表1所示;化學(xué)成分參考GB/T3620.1《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》，主要化學(xué)成分如表2所示。

側(cè)梁組成的焊接難點(diǎn)如下：

（1）鈦合金側(cè)梁組成焊接變形量大。由于鈦合金彈性模量為118～123 GPa，約為鋼材的50%，所以相對(duì)于鋼制側(cè)梁組成而言，鈦合金側(cè)梁組成焊接變形量更大，焊后側(cè)梁組成尺寸更難滿足要求[3]。

（2）鈦合金側(cè)梁組成焊接過(guò)程中部分焊接接頭無(wú)法進(jìn)行氣體保護(hù)。由于鈦合金側(cè)梁組成是一種大而密封的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在焊接過(guò)程中很多焊接接頭無(wú)法進(jìn)行有效的惰性氣體保護(hù)，導(dǎo)致接頭與空氣中氫、氧、氮?dú)怏w發(fā)生反應(yīng)，形成脆化組織，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

（3）鈦合金側(cè)梁組成焊接方法的選擇和焊接工藝的制定。鈦合金轉(zhuǎn)向架側(cè)梁組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，有許多長(zhǎng)短不一焊縫，需要選擇合理的焊接方法和焊接工藝參數(shù)，否則當(dāng)熱輸入較大時(shí)，冷卻速度過(guò)慢容易產(chǎn)生變形，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)易產(chǎn)生粗大晶粒組織，降低焊接接頭的力學(xué)性能。若線能量較小時(shí)，冷卻速度過(guò)快，易產(chǎn)生淬硬組織，影響焊接質(zhì)量[4]。

2 鈦合金側(cè)梁組成焊接難點(diǎn)解決方案

2.1 鈦合金側(cè)梁組成焊接變形控制

（1）根據(jù)側(cè)梁組成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，編制合理的生產(chǎn)工藝流程，如圖2所示。

（2）利用焊接柔性平臺(tái)、C型夾具、自行設(shè)計(jì)的側(cè)梁組成專(zhuān)用工裝等工具進(jìn)行輔助焊接。

（3）編制合理的焊接工藝，例如側(cè)梁組對(duì)過(guò)程中采用放量組對(duì)和反變形組對(duì);利用焊接順序、焊接方法、控制道間溫度和焊接參數(shù)等措施減少熱輸入。

（4）側(cè)梁組成焊接時(shí)，由于工裝束縛作用，變形應(yīng)力無(wú)法得到釋放，所以焊后應(yīng)在夾具、工裝等工具的固定作用下進(jìn)行真空熱處理，以消除焊接殘余內(nèi)應(yīng)力，然后整體機(jī)械加工，進(jìn)一步保證側(cè)梁尺寸的焊后精度。

2.2 鈦合金側(cè)梁組成焊接接頭質(zhì)量控制

鈦合金焊接最常見(jiàn)的缺陷有脆化組織、裂紋、氣孔等。其中氣孔主要是由焊接材料表面污染造成的，焊前對(duì)焊接材料表面進(jìn)行清理可起到防范作用[5]。而脆化組織和裂紋是焊接接頭氣體保護(hù)效果不佳造成的，這就要求鈦合金焊接時(shí)必須對(duì)焊接接頭正反兩面進(jìn)行惰性氣體保護(hù)，有效防止脆化組織和裂紋的產(chǎn)生。所以側(cè)梁組成焊接時(shí)，可利用自行設(shè)計(jì)的側(cè)梁組成專(zhuān)用工裝和側(cè)梁組成自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)達(dá)到焊接接頭惰性氣體保護(hù)的目的。

2.3 鈦合金側(cè)梁組成焊接方法選擇和焊接工藝制定

鋼制側(cè)梁組成一般采用自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊，但當(dāng)側(cè)梁組成采用鈦合金材料時(shí)，只能采用惰性氣體保護(hù)焊;同時(shí)為降低焊接熱輸入，采用交叉斷續(xù)的焊接方式。因此，此次鈦合金側(cè)梁組成采用手工鎢極惰性氣體保護(hù)焊。

3 鈦合金轉(zhuǎn)向架側(cè)梁組成焊接工藝

3.1 鈦合金側(cè)梁組成焊接資質(zhì)

沈陽(yáng)和世泰通用鈦業(yè)有限公司是國(guó)內(nèi)首家通過(guò)EN15085-2軌道車(chē)輛和軌道車(chē)輛部件焊接關(guān)于鈦合金焊接體系認(rèn)證的單位。焊接人員通過(guò)ISO 9606-5焊工認(rèn)證考試，焊接設(shè)備、材料準(zhǔn)備、封閉的焊接環(huán)境均嚴(yán)格按照EN15085-2體系進(jìn)行管理。

3.2 焊前準(zhǔn)備

根據(jù)對(duì)鈦合金側(cè)梁組成結(jié)構(gòu)的分析，焊接接頭形式選用對(duì)接接頭與T型接頭（對(duì)接焊縫與角焊縫組合）兩種，如圖3所示，坡口均采用機(jī)械加工。焊接所采用的氬弧焊機(jī)型號(hào)為YC-400TX，保護(hù)氣體為氬氣，純度≥99.99%，焊絲選用TA2和TA18，規(guī)格φ2.4 mm，做好焊前檢查工作方可開(kāi)始施工。

為防止鈦合金焊接氣孔的產(chǎn)生，焊接前必須用丙酮或酒精將焊絲和物料的施焊位置及其20 mm范圍內(nèi)的油脂、污物等雜質(zhì)清理干凈[6]，直至表面露出金屬光澤，并且距離開(kāi)始焊接時(shí)間不得超過(guò)5 min，否則應(yīng)再次清理。

3.3 鈦合金側(cè)梁焊接工藝

側(cè)梁組成焊接結(jié)果要在滿足焊接質(zhì)量的前提下，保證焊后側(cè)梁組成尺寸滿足圖紙要求。具體焊接工藝如下：

（1）焊接過(guò)程中，接頭正、背面要進(jìn)行氣體保護(hù)。

（2）組對(duì)過(guò)程采用手工氬弧焊進(jìn)行定位焊，并在坡口內(nèi)均布施加定位點(diǎn)，定位焊縫長(zhǎng)度8～10 mm。

（3）焊接采用手工氬弧焊，直流正接;焊接前預(yù)送氬氣5 s，焊接時(shí)采用多層多道小熱輸入和中心對(duì)稱(chēng)交替的焊接方法，嚴(yán)格控制道間溫度≤100 ℃，禁止大電流焊接;焊接完成后，焊炬噴嘴中的氬氣在滅弧后5～10 s后關(guān)閉，正、背面保護(hù)裝置內(nèi)的氬氣在滅弧后20～35 s后才能關(guān)閉，焊后焊縫和熱影響區(qū)表面應(yīng)為銀白色或淡黃色，不得出現(xiàn)藍(lán)色;具體焊接參數(shù)如表3所示。

（4）焊后應(yīng)根據(jù)ISO 16737對(duì)焊縫進(jìn)行100%目視檢查，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)按ISO 5817-B級(jí)執(zhí)行;根據(jù)ISO 3452對(duì)焊縫進(jìn)行滲透探傷，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行ISO 23277-2X級(jí)。

4 鈦合金側(cè)梁組成焊接過(guò)程及檢測(cè)結(jié)果

4.1 鈦合金側(cè)梁組成焊接過(guò)程

根據(jù)側(cè)梁組成的生產(chǎn)工藝流程（見(jiàn)圖2）將其分解為側(cè)梁內(nèi)立板組焊、側(cè)梁上蓋板與帽筒組焊、側(cè)梁一步組焊、側(cè)梁二步組焊、側(cè)梁三步組焊共五部分進(jìn)行焊接，其結(jié)構(gòu)及工裝如圖4～圖8所示。

為解決鈦合金側(cè)梁組成焊接難點(diǎn)問(wèn)題，鈦合金側(cè)梁組成焊接過(guò)程應(yīng)結(jié)合以下措施優(yōu)化焊接工藝：

（1）預(yù)留焊接收縮量。焊接過(guò)程中，側(cè)梁組成上下蓋板和內(nèi)外立板在長(zhǎng)度方向應(yīng)進(jìn)行放量加工，以防止焊接收縮導(dǎo)致側(cè)梁組成尺寸發(fā)生變化。

（2）焊接反變形法。側(cè)梁二步組成焊后帽筒與下蓋板距離縮小，為防止次問(wèn)題發(fā)生，可縮小側(cè)梁上下蓋板折彎角度，進(jìn)行焊接反變形處理。

（3）側(cè)梁組成工裝結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上具有協(xié)助側(cè)梁組成定位、剛性固定、散熱和氣體保護(hù)的作用。

a. 定位。設(shè)計(jì)的工裝根據(jù)側(cè)梁組成每步不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用零件自身定位孔作為定位點(diǎn)（如帽筒中心孔、彈簧座孔等），然后通過(guò)支撐進(jìn)行限位來(lái)達(dá)到定位的目的。

b. 剛性固定。工裝設(shè)有緊固裝置預(yù)防側(cè)梁組成焊接變形，緊固裝置應(yīng)考慮側(cè)梁組成易變形和關(guān)鍵尺寸等重要位置（如側(cè)梁組成高度、寬度等），同時(shí)部分剛性固定點(diǎn)可用C型夾具固定。

c. 散熱作用。與側(cè)梁組成貼合部分工裝采用銅質(zhì)材料，利用銅材料良好的導(dǎo)熱性，對(duì)側(cè)梁組成起到散熱作用。

d. 氣體保護(hù)。工裝設(shè)有導(dǎo)氣槽和導(dǎo)氣孔，可以解決側(cè)梁組成特殊位置無(wú)法氣體保護(hù)的問(wèn)題。而對(duì)于其他裸露位置焊縫可使用簡(jiǎn)易工裝進(jìn)行人工保護(hù)，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

（4）選擇合理的焊接順序。在焊接過(guò)程中，從結(jié)構(gòu)和焊接變形的關(guān)聯(lián)性考慮，側(cè)梁上蓋板和帽筒組成可利用工裝進(jìn)行組對(duì)并點(diǎn)焊固定;并且可同時(shí)對(duì)側(cè)梁一步組成進(jìn)行組對(duì);完成后，側(cè)梁上蓋板和帽筒組成和側(cè)梁一步組成合成側(cè)梁二步組成進(jìn)行整體焊接;最后點(diǎn)焊固定側(cè)梁三步組成外部零件。采用此焊接步驟的優(yōu)勢(shì)如下：

a. 側(cè)梁二步組成為密封箱體結(jié)構(gòu)，其整體剛性好，不易變形。

b. 密封箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)部可充滿惰性保護(hù)氣體，對(duì)焊接接頭內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)。

c. 焊接過(guò)程中，側(cè)梁二步組成和側(cè)梁三步組成整體焊接尺寸更易于控制。

（5）焊接方法。側(cè)梁組成在焊接過(guò)程中除了嚴(yán)格執(zhí)行第3節(jié)的焊接工藝外，還要采用合理的焊接方式。焊接時(shí)對(duì)長(zhǎng)焊縫進(jìn)行多層多道交叉焊接，并且不同層道間進(jìn)行交錯(cuò)穿插，減少熱輸入;對(duì)于短焊縫采用中心對(duì)稱(chēng)的焊接方式，并且避免連續(xù)施焊。

（6）焊后熱處理。側(cè)梁二步組成焊接完成后，帶工裝進(jìn)行真空熱處理，以消除焊接殘余內(nèi)應(yīng)力[7]。真空熱處理所用設(shè)備為真空退火爐，符合GJB509A-95中Ⅱ類(lèi)加熱爐的相關(guān)要求，工作真空度2×10-2 Pa，爐膛有效尺寸φ1 500×9 000 mm。選用TA2和TA18材料，熱處理溫度650～680 ℃，保溫1 h，爐內(nèi)冷卻。

4.2 側(cè)梁組成焊后檢測(cè)結(jié)果

側(cè)梁組成焊接完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行100%目視檢查，焊縫外觀合格，為銀白色和淡黃色;對(duì)焊縫進(jìn)行滲透探傷，結(jié)果合格。

采用三維描儀和三維劃線儀測(cè)量側(cè)梁整體尺寸，結(jié)果為：（1）帽筒到空氣彈簧座實(shí)際尺寸在±2 mm以內(nèi);（2）上下蓋板高度尺寸保證在±2 mm以內(nèi);（3）側(cè)梁組成整體長(zhǎng)度尺寸保證在±4 mm以內(nèi);（4）側(cè)梁組成整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯扭曲和彎曲現(xiàn)象;（5）側(cè)梁組成總體尺寸檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)圖紙要求，側(cè)梁組成與橫梁組成能按照?qǐng)D紙組對(duì)成構(gòu)架組成，滿足轉(zhuǎn)向架構(gòu)架組成焊接與機(jī)械加工工藝要求。

側(cè)梁組成焊后示意如圖10所示，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架組對(duì)示意如圖11所示。

5 結(jié)論

（1）鈦合金側(cè)梁組成與同結(jié)構(gòu)鋼制側(cè)梁組成相比，在不影響強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，其總質(zhì)量降低40%左右，理論上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有優(yōu)化空間。

（2）根據(jù)側(cè)梁組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分解工序，使用具有尺寸定位、剛性固定和惰性氣體保護(hù)的專(zhuān)用工裝和其他工具進(jìn)行輔助焊接;采用手工鎢極惰性氣體保護(hù)焊并制定相應(yīng)的焊接工藝;焊后通過(guò)真空熱處理消除焊接殘余內(nèi)應(yīng)力，以解決鈦合金側(cè)梁組成焊接變形、焊接質(zhì)量等技術(shù)難題。

（3）在鈦合金側(cè)梁組成焊接工藝制定過(guò)程中，應(yīng)對(duì)焊前準(zhǔn)備、焊接順序、焊接參數(shù)以及焊中、焊后過(guò)程進(jìn)行有效規(guī)定，最大程度降低焊接熱輸入和預(yù)防焊接缺陷的產(chǎn)生，以達(dá)到減小焊接變形和提高焊接質(zhì)量的目的。

（4）檢測(cè)結(jié)果表明，鈦合金側(cè)梁組成成品焊縫質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，焊后整體裝配尺寸符合相應(yīng)圖紙要求。由此可見(jiàn)，通過(guò)解決鈦合金側(cè)梁組成的焊接難點(diǎn)并結(jié)合相應(yīng)的焊接工藝及方法，鈦合金側(cè)梁組成焊接產(chǎn)品能夠滿足設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量等要求。

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收稿日期：2020-03-04;修回日期：2020-06-22

作者簡(jiǎn)介：才 鶴（1985— ），男，碩士，工程師，主要從事鈦合金焊接的研究。E-mail：caihe163net@126.com。