1. 概述

轉(zhuǎn)向架是軌道車輛最重要的組成部件之一，構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)安裝和載荷傳遞的重要部位之一，要求操作者在焊接時(shí)必須做到焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，才能保證列車的整體強(qiáng)度，以保證行車安全。

以往半自動化焊接過程中，由于手工操作的不穩(wěn)定性，難免會出現(xiàn)未熔合、未焊透、孔穴、固體夾雜和裂紋等焊接缺陷，而這些焊接缺陷均會不同程度的降低焊接的質(zhì)量，影響接頭性能，減少焊接構(gòu)架的使用壽命，甚至?xí)斐芍卮笫鹿省４送猓胱詣踊附訒r(shí)焊工操作水平參差不齊，焊縫成形不美觀，堆積較多的熔化金屬，增加了后續(xù)修磨交驗(yàn)等工序的工作量，而且大量的打磨容易傷及母材并造成車間煙塵。同時(shí)，交驗(yàn)合格率低下，多次的返修、補(bǔ)焊和修磨，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，在生產(chǎn)量較大的情況下，難以滿足生產(chǎn)要求。自動化焊接因其固定的運(yùn)行程序，焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，質(zhì)量可靠，焊后打磨量較小，大幅降低車間勞動強(qiáng)度，能有效解決上述半自動化焊接帶來的種種難題。這樣不僅有助于提高轉(zhuǎn)向架焊接自動化率，而且為公司成為軌道交通裝備行業(yè)世界級企業(yè)奠定基礎(chǔ)。

2. 轉(zhuǎn)向架橫梁焊接結(jié)構(gòu)特征分析

橫梁組成的結(jié)構(gòu)如圖1所示，B型地鐵的橫梁結(jié)構(gòu)是由兩個橫梁鋼管、兩個縱向梁組成、兩個電動機(jī)吊座組成和兩個齒輪箱吊座組成構(gòu)成的“井”字形閉合結(jié)構(gòu)。在橫梁組成中電動機(jī)吊座組成、縱向梁組成、齒輪箱吊座組成與橫梁管連接的直焊縫采用自動化焊接，電動機(jī)吊座組成、齒輪箱吊座組成與橫梁管的環(huán)焊縫部分采用自動化焊接，其余焊縫采用半自動化焊接。整體橫梁組成中大多數(shù)焊縫形式為管板T形接頭環(huán)形焊縫和直焊縫。其中縱向梁組成、齒輪箱吊座組成以及電動機(jī)吊座組成等部件與橫梁鋼管連接的主要坡口形式包括10HY、12HY及15HY。

3. IGM焊接機(jī)器人介紹

（1）機(jī)器人本體及變位機(jī)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁組成使用奧地利IGM公司的IGM機(jī)器人進(jìn)行焊接。該焊接機(jī)器人使用6軸設(shè)計(jì)，所有軸均為交流伺服電動機(jī)驅(qū)動，帶焊木倉座及焊木倉碰撞傳感器。整個系統(tǒng)采用全數(shù)字化的控制技術(shù)，包括系統(tǒng)各部分與控制柜和焊接電源之間的通信皆為數(shù)字化控制。整個系統(tǒng)采用總線連接，能讓所需連接電纜更少，數(shù)據(jù)處理速度更快，控制更加精確。焊接B型地鐵橫梁組成時(shí)使用的是雙聯(lián)動C型變位機(jī)，它能根據(jù)橫梁組成的結(jié)構(gòu)以及焊縫相對位置，將焊縫調(diào)整到理想的焊接位置進(jìn)行焊接。

（2）IGM機(jī)器人系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)采用奧地利Fronius公司的TPS5000全數(shù)字化控制的逆變焊接電源，適用CO2/MAG/MIG脈沖、MAG及脈沖MIG焊接方法；適合于在有效焊接區(qū)域內(nèi)進(jìn)行全方位焊接，焊縫達(dá)到EN15085、TB/T 1580—1995及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；機(jī)械手采用內(nèi)置蒸餾水混合酒精的防凍液封閉式循環(huán)系統(tǒng)，并具有缺水報(bào)警裝置；焊木倉為單絲焊木倉，并采用一體化水冷焊木倉，水冷至導(dǎo)電桿和噴嘴。它能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化焊接過程控制，其體現(xiàn)在控制的精確、可靠的焊接性和焊接質(zhì)量上。

4. 自動化焊接橫梁組成

（1）焊接變形的控制

機(jī)械手焊接部位主要包括縱向梁組成、齒輪箱吊座組成以及電動機(jī)吊座組成與橫梁管的直焊縫以及環(huán)形焊縫。在橫梁組成焊后，主要的焊接變形出現(xiàn)在橫梁組成垂直方向四角高低不等，分析原因主要是由于機(jī)械手焊接橫梁組成直焊縫過程造成的。基于此問題，將機(jī)械手焊接橫梁組成中直焊縫的焊接順序調(diào)整為打底、填充、蓋面同步進(jìn)行。也就是說所有的焊縫同時(shí)先打底、再填充，最后焊接蓋面層。同時(shí)，為了減少垂直方向橫梁管的變形，焊縫選擇先中間后兩邊，平面靠近橫梁中間起弧。

本文調(diào)整橫梁組成焊接順序有兩個原則：①對稱焊接原則，將焊接變形量控制在最小。②變位機(jī)反轉(zhuǎn)次數(shù)最少原則，以提高生產(chǎn)效率。

通過對橫梁管機(jī)械手焊后變形量的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析，決定將焊接順序調(diào)整為：立面打底→平面打底→平面填充→平面蓋面→立面填充→立面蓋面。

如圖2所示，在自動化焊接橫梁直焊縫時(shí)，將焊接方向調(diào)整成從橫梁中間的位置起弧；如圖3所示，在焊接橫梁的立面環(huán)焊縫時(shí)，將焊接方向調(diào)整成從橫梁管的外側(cè)向縱向梁方向起弧，這樣能夠有效地減少焊接變形的產(chǎn)生。

橫梁組成機(jī)械手焊接順序經(jīng)調(diào)整以后，橫梁組成焊接變形量在3mm以內(nèi)，焊接變形量得到了有效地控制。99%的橫梁組成只需一次火焰調(diào)修即可達(dá)到尺寸合格并交出流轉(zhuǎn)至下道工序。

（2）焊接缺陷的控制

機(jī)器人焊qiang角度的調(diào)整：在焊接過程中焊木倉的角度對焊縫成形有著很大的影響，以橫梁管與電動機(jī)吊座環(huán)形焊縫為例，焊木倉在垂直于橫梁管方向（即焊木倉行走角）存在一定角度時(shí)，保護(hù)氣會將電弧吹向焊木倉傾斜方向的反方向，不利于焊縫根部的熔合。焊木倉在平行于橫梁管方向（即焊木倉工作角）的角度α太大的話，填充材料會過多凝固于橫梁管一側(cè)，造成橫梁管一側(cè)產(chǎn)生咬邊的缺陷，電動機(jī)吊座一側(cè)坡口未填滿；反之，焊木倉工作角的角度太小的話，填充材料會過多凝固于電機(jī)吊座一側(cè)，造成橫梁管一側(cè)產(chǎn)生未熔合，電動機(jī)吊機(jī)一側(cè)鐵液下墜造成未熔。

經(jīng)過試焊對焊縫成形的觀察總結(jié)出：在焊接打底層時(shí)，將焊木倉行走角調(diào)整為90°，工作角為70°（見圖4）。這樣的焊木倉角度可以得到比較理想的打底層熔深和焊縫成形，為2、3、4層的焊接打好基礎(chǔ)。在焊接2、3、4層時(shí)，焊木倉行走角的角度始終保持90°。平行于橫梁管方向上逐漸增大焊木倉與橫梁管的距離b，同時(shí)適當(dāng)減小焊木倉工作角的角度α，到蓋面層時(shí)工作角減小到45°左右。這樣的焊木倉角度焊接蓋面層，可以達(dá)到滿足焊腳要求且成形美觀，無焊接缺陷產(chǎn)生。

焊接參數(shù)控制：①適當(dāng)增加電流：在其他參數(shù)一定條件下，電流與焊縫的熔深成正比。所以將電流適當(dāng)?shù)脑黾樱杀ＷC焊縫的熔深和熔合質(zhì)量。②蓋面層增加電壓：在其他參數(shù)一定條件下，電壓與焊縫成形的寬度成正比，那么在蓋面層增加適當(dāng)?shù)碾妷海杀ＷC蓋面層的寬度達(dá)到要求。③調(diào)整弧長修正：在打底層適當(dāng)減少弧長修正數(shù)值，保證打底層的熔深符合要求；在蓋面層適當(dāng)增加弧長修正數(shù)值，使焊縫的成形美觀。④適當(dāng)增加焊接速度：在其他參數(shù)一定條件下，焊接速度與焊縫余高成正比，鑒于改進(jìn)前的焊縫存在著余高過高和打磨量過大等缺點(diǎn)，那么可增加焊接速度，以達(dá)到減小余高過高、打磨量過剩的缺點(diǎn)。⑤開啟“脈沖焊接”方式：帶來的優(yōu)點(diǎn)是焊接飛濺少，焊縫成形美觀。

通過多次的試焊接并進(jìn)行外觀檢查，總結(jié)得出了福州地鐵轉(zhuǎn)向架橫梁組成橫梁管與電動機(jī)吊座焊縫的焊接參數(shù)，如附表所示。

5. 結(jié)語

（1）使用焊接機(jī)器人可以穩(wěn)定的提高焊接質(zhì)量，確保焊接質(zhì)量的均勻性，在大焊接量的工件焊接中，明顯地體現(xiàn)了機(jī)器人的優(yōu)越性。焊接機(jī)器人可以連續(xù)地生產(chǎn)，改善工人的勞動條件，同時(shí)還能解放勞動力，集中更多優(yōu)勢電焊工攻關(guān)其他難點(diǎn)，從而能提高勞動生產(chǎn)率。

（2）通過對焊接順序的調(diào)整和對層間溫度的控制，解決了焊接變形量大的問題。在減輕焊后調(diào)修工作量的同時(shí)減少了熱輸入量，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向架的整體強(qiáng)度。

（3）通過改進(jìn)焊qiang姿態(tài)、焊接參數(shù)，有效避免了焊接缺陷的產(chǎn)生。降低了橫梁組成的返修率，節(jié)約了車間的生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

作者簡介：付瑤，中車唐山機(jī)車車輛有限公司轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心；樊亞斌，中車唐山機(jī)車車輛有限公司轉(zhuǎn)向架廠。

文章來源：《金屬加工（熱加工）》2017年第6期，第13-15頁。

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