1. 概述

底架地板是电力机车车体重要的受力部件, 它不仅起着纵向传载牵引力的作用, 同时也承受着车上设备的压力及车下设备的拉力。由于底架地板尺寸较大, 目前无法采用整板进行加工, 只能采用分块下料加工及拼焊的方式进行。考虑到底架地板的重要性及防腐蚀等因素, 设计上要求拼焊的焊缝需全焊透, 但手工气体保护焊对焊工的技能及态度要求较高, 焊接质量波动大, 作业效率较低, 工人劳动强度大。焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动强度、提高生产效率等特点, 可以较好地解决上述问题。Rapid Weld自动焊工艺作为众多机器人弧焊工艺中的佼佼者, 理论上可以**解决底架地板手工气体保护焊的问题。

2. Rapid Weld焊接工艺简介

Rapid Weld焊接工艺是德国C L O O S公司研发的适用于碳钢及低合金钢中厚板焊接的自动焊及气体保护焊焊接工艺。它利用数字控制的电弧曲线参数, 进一步压缩电弧, 使得电弧热量更集中更具备熔透能力, 焊接接头可获得更大的熔深。同时, 它还具备焊接速度快、熔敷率高、可减小填充量等特点, 非常适用于碳钢及低合金钢中厚板对接焊缝、角焊缝及T形HV、HY焊缝的打底层焊接。

3. 某型号电力机车底架地板组焊要求

某型号电力机车底架地板是由4块4089mm×1396mm×12mm的16M n D R板材拼焊而成, 焊缝为十字交叉的双面6V全焊透焊缝, 坡口角度为60°, 钝边厚度为2mm, 间隙2mm, 如图1所示, 焊后要求平面度≤2mm/m2。

4. 底架地板手工气体保护焊接工艺方案

在使用Rapid Weld焊接工艺之前, 底架地板焊缝是由手工气体保护焊接完成的, 采用松下KR系列焊机、ISO 14341-A-G 384 M21 2Si焊丝、ISO 14175-M2180%Ar+20%CO2保护气体、三层三道 (正面二层二道后翻边清根再焊接一层一道) 在PA位置进行焊接, 焊接时底架地板处于自由状态, 2名焊工同时对称施焊以减小焊接变形, 焊后地板平面度>2mm/m2, 需进行火焰调修方可满足平面度要求。

5. 底架地板Rapid Weld自动焊接工艺方案

(1) 设备方案底架地板R a p i d We l d自动焊接采用C L O O S公司设计制作的焊接机器人系统进行, 该机器人系统主要由QRC410型6轴固定立柱悬臂旋转倒挂式机器人、QINEO P U L S E 600A电源、地面安装式线性导轨及工装平台等组成, 如图2所示。该机器人系统具备M I G/M A G、脉冲M I G/M A G、Rapid Weld自动焊等功能, 且其工装平台工作面比底架地板尺寸大, 完全可适用于底架地板的焊接。

图1 某型号电力机车底架地板   下载原图

(2) 焊缝形式方案如图1所示, 底架地板焊缝为双面6V, 不适合采用自动焊, 主要原因为在现有工装方案下无法一次完成两面焊缝的焊接, 需要翻边后重新定位、压紧、清根、焊接, 整体效率较低, 且无法发挥Rapid We l d自动焊大熔深及减小填充量的优势。因此, 需重新设计底架地板焊缝的焊缝形式并进行验证, 以选取*优的接头形式。

结合底架地板产品及Rapid We l d自动焊特点, 重新设计了3种焊缝形式, 如图3～图5所示。经计算, 焊缝形式1的理论横截面积为33.57m m2, 焊缝形式2的理论横截面积为45.57mm2, 焊缝形式3的理论横截面积为50.91mm2, 原设计的焊缝形式理论横截面积为52.85mm2。在相同焊缝长度的情况下, 重新设计的3种焊缝形式理论填充量均比原设计小, 且在重新设计的3种焊缝形式中, 焊缝形式1的理论填充量*小, 焊缝形式3的理论填充量*大。

(3) 焊缝形式验证采用与手工气体保护焊相同的焊接填充材料、Rapid Weld打底、脉冲M A G盖面的方式在对上述3种焊缝形式进行了多次试验, 选取了****的工艺参数又进行了多组验证, 工艺参数及验证结果如表1所示。从验证情况来看, 焊缝形式2可以得到较为稳定的外观质量, 焊缝形式1及焊缝形式3波动较大, 且考虑到焊接填充量的因素, *终确定选用焊缝形式2及其工艺参数。

图2 CLOOS焊接机器人系统   下载原图

图3 焊缝形式1:3mm钝边、45°坡口、0mm间隙、背面陶瓷衬垫保护   下载原图

图4 焊缝形式2:3mm钝边、45°坡口、1mm间隙、背面陶瓷衬垫保护   下载原图

图5 焊缝形式3:6mm钝边、45°坡口、3mm间隙、背面陶瓷衬垫保护   下载原图

表1 焊缝形式验证工艺参数及结果     下载原表

(4) 试件力学性能检测采用焊缝形式2及其工艺参数按照I S O 15614-1标准进行了标准试件焊接及检测, 经外观检查、表面探伤、射线探伤、拉伸、弯曲、冲击、硬度、宏观金相等检测, 所有检测均合格, 由此证明焊缝形式2的接头设计及工艺参数合理, 可以在底架地板上实施。试件的拉伸、弯曲、冲击检测结果如表2所示, 硬度检测结果如表3所示, 宏观金相如图6所示。

(5) 底架地板Rapid Weld自动焊装配方案底架地板Rapid Weld自动焊装配在机器人系统的工装平台上进行, 该平台自带一纵三横共4条凹槽, 凹槽内设置有水冷铜垫板, 底架地板装配时将焊缝位置置于铜垫板中心, 从而对4块地板进行定位, 每两块地板之间预留1mm间隙, 并施加2段定位焊以防止焊接过程中间隙发生变化。定位焊焊接方法及填充材料与原底架地板手工气体保护焊相同, 每段定位焊厚度约为3mm, 长度10～20mm, 焊后对定位焊进行打磨。

表2 试件的拉伸、弯曲、冲击检测结果     下载原表

表3 试件的硬度检测结果     下载原表

(HV10)

(6) 底架地板Rapid Weld自动焊焊接变形控制方案焊接顺序是对焊接变形、焊接残余应力影响的重要因素之一。研究表明, 长焊缝采取从中间向两端的方式进行焊接, 可以有效地降低焊接变形。底架地板焊缝均为对接长直焊缝, 焊接量较大, 焊接完成后会产生较大的焊接变形, 故需对其焊接变形进行控制。

由于工装平台上无适用于底架地板的压紧装置, 为减小焊接变形, 经过系统的分析, 工艺上确定了采用不做反变形、重块压紧和对称施焊相结合的方法, 具体实施步骤如下:

第一, 4块地板同时装配, 装配完成后在每块地板上放置1个2t重的重块对地板进行压紧。

第二, 采用对称施焊的焊接顺序, 如图7所示。在焊接时, 先焊图6中序1和序2的打底焊, 然后进行序1和序2的盖面, 序3和序4、序5和序6的焊接顺序与序1和序2相同。

图6 试件的宏观金相   下载原图

图7 底架地板Rapid Weld自动焊   下载原图

第三, 焊接完成后在重块压紧下空冷10～30min。

上述方案实施后, 底架地板的焊接变形得到了很好的控制, 焊后平面度基本可控制在2mm以内。

(7) 底架地板Rapid Weld自动焊实施效果在上述装配、焊接参数及焊接变形控制方案下, 底架地板顺利实现了Rapid Weld自动焊, 90%以上的焊缝可实现完全焊透, 焊缝正反面成形良好, 焊缝正反面余高均控制在1.5m m以下, 仅起弧、收弧及定位焊处无法完全焊透, 需手工打磨补焊。地板四个角及纵向焊缝两端基本无上翘情况, 仅在横向焊缝两端约有2mm的上翘, 地板平面度可满足图样要求。经现场测试, Rapid Weld自动焊焊接一块底架地板用时比手工气体保护焊短16min左右, 其效率稍高于手工气体保护焊。

6. 结语

经过重新设计焊缝形式并进行参数摸索和验证、力学性能检测、焊接变形控制等措施, Rapid Weld自动焊焊接工艺顺利在某型号电力机车底架地板上得到了应用。跟手工气体保护焊相比, Rapid Weld自动焊所焊接的底架地板焊缝正反面成形良好, 余高低于1.5m m, 焊接变形在2mm以内, 满足设计图样要求。此外, 整体焊接效率比手工气体保护焊略高, 焊缝质量可得到有效保证, 工人劳动强度大大降低。但是, 如何进一步提高底架地板的装配和焊接效率、Rapid Weld自动焊焊接工艺在手工定位焊处和起弧收弧处无法焊透的问题以及在开坡口的T形接头、角焊缝上的应用仍值得我们进一步去研究。