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(chē)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(chē)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極;橫梁鋼管;環(huán)焊縫;射線檢測(cè)

中圖分類(lèi)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(chē)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(chē)的運(yùn)營(yíng)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(wèn)題，采用激光電弧復(fù)合焊能夠解決以上問(wèn)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(yáng)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(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)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(chē)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(guò)長(zhǎng)，無(wú)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(wú)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(wú)法采用常規(guī)的射線檢測(cè)方法[4]。而微焦點(diǎn)棒陽(yáng)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(yáng)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(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司微焦點(diǎn)棒陽(yáng)極射線自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備（見(jiàn)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(yáng)極棒有效長(zhǎng)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(yáng)極工作臺(tái)與電氣控制系統(tǒng)配合微焦點(diǎn)棒陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極射線檢測(cè)技術(shù)工作原理如圖5所示。微焦點(diǎn)棒陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極棒的對(duì)中效果不好會(huì)無(wú)法得到合格的射線底片，從而導(dǎo)致焊接缺陷無(wú)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(yáng)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(wú)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(wú)明顯影響。

3 結(jié)論

激光電弧復(fù)合焊技術(shù)在軌道客車(chē)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(kāi)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(chē)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(yáng)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(yáng)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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