田勐 張勇 王麗萍 李凱 郭立明 孫明輝 孟慶順 呂健瑋

摘要：激光電弧復(fù)合焊工藝具有熔透性好、焊接熱輸入小、變形易控制等優(yōu)點(diǎn)，其在軌道客車轉(zhuǎn)向架中厚板焊接中的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)MAG焊接存在的一些不足。結(jié)合軌道客車轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊焊縫射線檢測(cè)工藝難點(diǎn)，采用微焦點(diǎn)棒陽極技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊環(huán)焊縫進(jìn)行周向曝光檢測(cè)并在試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該技術(shù)可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出焊縫內(nèi)部各種缺陷，并找出影響激光電弧復(fù)合焊焊接質(zhì)量的主要因素是離焦量，研究了微焦點(diǎn)棒陽極射線檢測(cè)自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)在轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管中厚板焊縫檢測(cè)方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了該焊縫的全覆蓋，保證了焊縫質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：激光電弧復(fù)合焊;微焦點(diǎn)棒陽極;橫梁鋼管;環(huán)焊縫;射線檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TG441.7 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）06-0068-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.12

0 ? ?前言

激光電弧復(fù)合焊是高效焊接技術(shù)的主流，軌道車輛各大主機(jī)廠均以復(fù)合焊技術(shù)作為高效焊接技術(shù)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)之一。激光電弧復(fù)合焊具有熔透性高、熱輸入低、變形小的特點(diǎn)，其接頭疲勞性能優(yōu)于MAG焊[1]。轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管連接環(huán)焊縫為中厚板焊接結(jié)構(gòu)，其焊接質(zhì)量對(duì)軌道客車的運(yùn)營安全有著重要影響，傳統(tǒng)MAG焊接方法存在熱輸入高、熔透性不佳、焊接變形大等問題，采用激光電弧復(fù)合焊能夠解決以上問題并實(shí)現(xiàn)典型部件的試制。文中針對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊環(huán)焊縫，研究了微焦點(diǎn)棒陽極射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)的可行性，并對(duì)其在橫梁管環(huán)焊縫激光電弧復(fù)合焊檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[2]，驗(yàn)證了工藝的可行性，可保證缺陷不漏探。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管焊接采用中車長春軌道客車股份有限公司的激光電弧復(fù)合焊系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備15 kW光纖激光器、6軸工業(yè)機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、福尼斯TPS5000弧焊電源，如圖1所示。軌道客車轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管壁厚20 mm，是轉(zhuǎn)向架用關(guān)鍵部件，如圖2所示。檢測(cè)部位為轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊單面5層焊接全焊透環(huán)焊縫，熔深20 mm。轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊金相組織如圖3所示，經(jīng)對(duì)復(fù)合焊試件缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，內(nèi)部氣孔、背部焊瘤為主要缺陷，正面塌陷與背部縮溝為次要缺陷，且這兩種缺陷經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)，需要對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)以保證焊縫質(zhì)量。常規(guī)人工射線檢測(cè)方式需要人工進(jìn)入鉛房多次才能完成檢測(cè)，時(shí)間過長，無法按時(shí)完成檢測(cè)任務(wù)。射線機(jī)焦點(diǎn)尺寸會(huì)影響照相圖像的清晰度和分辨率[3]，普通粗焦點(diǎn)周向X光機(jī)因轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管內(nèi)徑小不具備最小透照距離的要求，膠片圖像無法達(dá)到ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，底片幾何清晰度很差，因此無法采用常規(guī)的射線檢測(cè)方法[4]。而微焦點(diǎn)棒陽極射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管環(huán)焊縫檢測(cè)具有顯著優(yōu)勢(shì)[5]，對(duì)一個(gè)環(huán)焊縫進(jìn)行一次周向射線曝光即可完成檢測(cè)，采用棒陽極X射線機(jī)進(jìn)行檢測(cè)[6]不但能夠及時(shí)完成檢測(cè)任務(wù)而且底片質(zhì)量更好。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用中車長春軌道客車股份有限公司微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備（見圖4），型號(hào)XWT-240-

RAC，參數(shù)為極限能量240 kV、管電流50～3 000 μA，陽極棒有效長度300 mm，周向錐靶初始焦點(diǎn)200 μm。設(shè)計(jì)了合理的轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管自動(dòng)化系統(tǒng)，采用激光對(duì)中裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中，采用棒陽極工作臺(tái)與電氣控制系統(tǒng)配合微焦點(diǎn)棒陽極技術(shù)使用實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)模式，每20 min可自動(dòng)化檢測(cè)3根橫梁鋼管，而原人工射線檢測(cè)方式檢測(cè)3根橫梁鋼管需要120 min，微焦點(diǎn)棒陽極自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)顯著提高了檢測(cè)效率。

1.3 試驗(yàn)方法

轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊微焦點(diǎn)棒陽極射線檢測(cè)技術(shù)工作原理如圖5所示。微焦點(diǎn)棒陽極數(shù)字成像自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)焦點(diǎn)尺寸200 μm，對(duì)于轉(zhuǎn)向架橫向鋼管其最小焦距只需小于10 mm即可，陽極棒能夠輕易地伸入轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管內(nèi)部到達(dá)被檢測(cè)位置對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行周向曝光，曝光條件為：電壓165 kV、電流0.5 mA、焦距77 mm、曝光時(shí)間2 min，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為ISO17636，焊縫缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為ISO5817中B級(jí)，采用80 mm×720 mm特制卷式射線膠片、10FeEN線型像質(zhì)計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微焦點(diǎn)棒陽極技術(shù)系統(tǒng)自動(dòng)化對(duì)中及檢測(cè)

該微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于自動(dòng)對(duì)中，如果陽極棒的對(duì)中效果不好會(huì)無法得到合格的射線底片，從而導(dǎo)致焊接缺陷無法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在超標(biāo)焊接缺陷時(shí)，容易破壞焊接接頭性能[6]。

采用激光對(duì)中裝置解決了該技術(shù)難題，如圖6所示，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)軌道運(yùn)行至指定位置，陽極棒伸入到轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管內(nèi)部，自動(dòng)運(yùn)行指示燈閃爍，通過監(jiān)控觀察激光燈位置是否處于工件內(nèi)徑圓面相切位置，當(dāng)圓面處于激光燈照射位置內(nèi)，按下程序啟停按鈕運(yùn)行自動(dòng)化檢測(cè)程序，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管自動(dòng)化檢測(cè)模式。

2.2 驗(yàn)證焊接工藝參數(shù)對(duì)激光電弧復(fù)合焊焊縫質(zhì)量的影響

2.2.1 不同焊接電壓對(duì)激光電弧復(fù)合焊焊縫質(zhì)量的影響

采用微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同焊接電壓的焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下。

（1）焊接電壓為21 V時(shí)，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)焊縫氣孔，較常規(guī)射線檢測(cè)方法不但提高了檢測(cè)效率而且靈敏度更高，如圖7所示。

（2）焊接電壓為25 V時(shí)，射線底片符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)焊縫氣孔，如圖8所示。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同電壓焊縫的檢測(cè)，也驗(yàn)證了激光電弧復(fù)合焊不同焊接電壓對(duì)焊縫內(nèi)部質(zhì)量無明顯影響。

2.2.2 不同離焦量對(duì)激光電弧復(fù)合焊焊縫質(zhì)量的影響

采用微焦點(diǎn)棒陽極數(shù)字射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同離焦量焊接的焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下。

（1）離焦量為-2 mm時(shí)，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可準(zhǔn)確檢測(cè)出焊縫氣孔，如圖9所示。

（2）離焦量為0 mm時(shí)，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，焊縫質(zhì)量良好，如圖10所示。

（3）離焦量為2 mm時(shí)，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)焊縫氣孔，如圖11所示。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同離焦量焊縫的檢測(cè)，而且通過圖9～圖11對(duì)比發(fā)現(xiàn)，離焦量為0 mm時(shí)焊縫質(zhì)量好，離焦量為-2 mm和2 mm時(shí)焊縫有氣孔缺陷，驗(yàn)證了離焦量是影響激光電弧復(fù)合焊焊接質(zhì)量的主要因素之一。

2.2.3 不同坡口狀態(tài)對(duì)激光電弧復(fù)合焊焊縫質(zhì)量的影響

采用微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同坡口狀態(tài)下的焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下。

（1）采用微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)對(duì)熱切割坡口激光電弧復(fù)合焊焊縫進(jìn)行檢測(cè)，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如圖12所示。

（2）采用微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)對(duì)機(jī)加坡口激光電弧復(fù)合焊焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，射線底片符合ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如圖13所示。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊不同坡口狀態(tài)焊縫的檢測(cè)，而且驗(yàn)證了采用熱切割坡口與機(jī)加坡口對(duì)激光電弧復(fù)合焊質(zhì)量無明顯影響。

3 結(jié)論

激光電弧復(fù)合焊技術(shù)在軌道客車轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管中厚板焊接中的應(yīng)用，獲得了行業(yè)內(nèi)首個(gè)主機(jī)廠獨(dú)立開發(fā)的復(fù)合焊轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、高效率的單面焊雙面成形關(guān)鍵技術(shù)的突破。為確保轉(zhuǎn)向架焊接質(zhì)量[7]，針對(duì)軌道客車轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊環(huán)焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢測(cè)工藝難點(diǎn)，采用微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了影響激光電弧復(fù)合焊焊接質(zhì)量的主要因素，也驗(yàn)證了該技術(shù)適用于轉(zhuǎn)向架橫梁鋼管激光電弧復(fù)合焊環(huán)焊縫質(zhì)量檢測(cè)，底片圖像滿足ISO17636標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，微焦點(diǎn)棒陽極射線自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)既保證了焊縫質(zhì)量又提高了生產(chǎn)效率，檢測(cè)成本明顯降低[8]，達(dá)到了比較滿意的結(jié)果。

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