高速列车天线梁TOP-TIG焊接工艺研究

２０１６第二届轨道交通先进金属加工及检测技术交流会
2016年 增刊1 598
冷加工
高速列车天线梁TOP-TIG焊接工艺研究
中车长春轨道客车股份有限公司 （吉林 130062） 李凯 何广忠 彭长伟 廖攀 李业雄
【摘要】TOP-TIG 焊接方法是一种高效TIG 焊接方法，文中以TOP-TIG 在天线梁产品生产中的应用为主要研究目标，阐述了生产应用中涉及的自动化装备配置、工艺参数及评定问题，并通过试验验证了采用TOP-TIG 自动焊接方法后，天线梁制造中对接工序的效率提高近2.5倍，能够满足该产品的高效自动化焊接需求。

关键词：TOP-TIG; 自动化焊接; 列车天线梁
1. 概述
CRH380B 系列动车组中，头车转向架上安装有天线梁，该部件的天线梁管与管座的对接接头制造精度要求较高，在生产中过程中采用了TIG 焊接方法。

传统手工TIG 填丝焊接虽然具有良好的焊缝成形和高品质的焊缝质量，但其生产效率低、对焊工要求高等因素制约了该方法的广泛应用，因此在我公司的产品中，只有少量质量等级要求较高的产品中使用。

为了提高焊接生产效率、避免焊工因素影响产品质量，需采用一种高效的自动TIG 焊接技术实现天线梁产品的制造，因此，本文针对TOP-TIG 焊接方法应用于高速列车天线梁生产进行了工艺研究，对该产品实现稳定、高效的焊接生产提供了技术支持。

2. TOP-TIG 焊接方法介绍
TOP-TIG 技术最主要的改变是将传统TIG 填丝焊中焊丝与钨极间的夹角由近90°减小至20°，如图 1所示，焊丝从喷嘴中穿过，焊丝在导丝嘴的精确定位下能够精确的接近钨极，从而焊丝能够在TIG 电弧温度较高的部位获取热能，获得比较高的熔覆效率。

此外，TOP-TIG 焊枪还进行了优化设计，如图
2所示，一方面为了增加机器人焊接时的位置可达性，减小了焊枪尺寸，使某些小角度的角接接头焊接成为可能；另一方面，为了适应自动化焊接生产，焊枪加入了钨极快换装置，可以实现钨极的机器人自动更换，进一步提高了生产效率。

3. 传统TIG 焊接工艺及产品结构形式
CRH380B 型车所采用的天线梁材料为S355，共有两种结构形式，如图 3所示，天线梁管与两端的管座有两个环焊缝需要焊接，两种形式的天线梁产品的坡口形式均插接结构，坡口形式如图4所示。

传统生产工艺为手工T I G 填丝焊接上述环焊缝，每个焊缝需焊接三层焊道，在手动变位机上进
图1 TOP-TIG 焊枪结构示意
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焊接技术
行工件姿态调整，如图 5
所示。

为了获得比较好的
焊接位置，焊接时每层焊
道需要手动调整变位机4
次来改变工件位置，因此
每层焊道的焊接过程需要
临时终止三次才能完成。

由于起弧、熄弧位置
极易引起缺陷，这些熄弧
后再燃弧的部位需要进行
打磨处理，如图 6所示，
才能避免产生焊接缺陷。

此外，焊工在左侧施焊
时，左手持焊丝进行填丝
操作，右手持TIG焊枪并实时调整焊枪姿态，需要
焊工左右手熟练配合，加之管两端均有焊缝需要焊
接，当焊工在右侧施焊时，双手需要交换焊枪和焊
丝，才能保证比较好的焊接姿态，对焊工技艺水平
要求很高，也增加了车间培训焊工的难度。

4. 天线梁的自动焊装备及工艺验证
为了实现高效自动化T I G焊接过程，从而降
低工人的劳动强度、改善生产过程，开发了一套
TOP-TIG自动焊装备，该装备主要包括TOP-TIG焊
接系统、OTC六轴机器人、可与机器人协同运动的
2轴旋倾变位机，自动装卡定位工装、尾架装置，
如图 7所示。

其中自动装卡定位工装改变了以往天线梁通过
螺栓与工装连接的模式，如图8所示，它采用了压
缩空气驱动气缸，推动锁紧滑块在锁紧导轨上运
动，从而完成天线梁的自动装卡作业，大幅缩短了
焊接准备时间；并在天线梁的一侧设置定位挡块，
实现轴线方向的可靠定位；同时利用天线梁管座的
通孔作为定位孔进行周向定位。

进行焊接工艺评定的管接头模拟件外径为
108mm，内径95.4mm，长度90mm，材料S355，焊
接填充材料为ER70S-A1，f1.2mm保护气流量8L/
min，焊接参数如表1所示。

图2 TOP-TIG焊枪实物图
图3 天线梁产品结构形式
图4 环焊缝坡口形式
图5 天线梁的手工TIG焊接过程
图6 手工TIG填丝焊缝成形
图7 TOP-TIG自动焊工作站照片
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表1 试验参数
焊接参数打底焊填充焊盖面焊
焊接电流/A150150150
送丝速度/m∙min-10.50.90.5
钨极高度/mm4 4.5 4.5
摆幅/mm无摆动无摆动 1.5
摆动频率/Hz无摆动无摆动1
焊接速度/cm∙min-114178
在施焊过程中，打底焊采用上坡焊用以获得最
佳的熔透和侧壁熔合，盖面焊和填充焊为了提高效
率，采用平焊或接近下坡焊位置；根据送丝速度与
焊接速度匹配不同，TOP-TIG熔滴过渡存在几种形
式，分别为大滴过渡、细颗粒过渡、连续过渡。

采
用表1的焊接参数进行施焊时，打底焊熔滴过渡形
式为细颗粒过渡，填充焊为连续过渡，盖面焊为细
颗粒过渡与连续过渡的混合过渡形式。

焊接工艺评定执行ISO15614-1标准，其结果如
图9所示，X射线达到EN1435的B级标准，磁粉探
伤结果达到EN1291规定的1级标准，正弯与背弯所
有试样凸面均无任何宏观缺陷，两组试样的抗拉强
度分别为610MPa、615MPa，断裂位置为母材处。

检测结果均满足ISO标准的相关要求，所获得的焊
缝成形如图 10所示。

图9 工艺评定结果
图8 自动装卡定位机构组成
1.手动释放手柄
2.锁紧气缸
3.定位销
4.天线梁
5.待焊焊缝
6.定位挡块
7.锁紧滑块
8.滑动导轨
图10 TOP-TIG焊缝成形
5. 生产效率分析
将TOP-TIG自动焊与传统手工焊的天线梁对接
工序内作业时间进行统计，其结果如表2所示。

表2 TOP-TIG工艺与TIG焊生产效率对比
工艺方法手工填丝TIG自动化TOP-TIG
组对时间/min2020
待焊工件装卡时间/min101
打底焊时间/min3 2.2
打底焊变位机调整时间/min60.4
填充焊时间/min3 1.8
打底焊变位机调整时间/min60.4
盖面焊时间/min5 3.9
盖面焊变位机调整时间/min60.4
熄弧燃弧区域打磨/min150
总计7430.1
通过对比可以看出，TO P-T I G焊接方法相比
手工焊，纯焊接时间减少3.1min，减少幅度20%以
上；由于采用了自动焊接方法和自动工装，避免了
手动装卡、变位、打磨作业，使焊接辅助时间减少
了40.8min，减少幅度在60%以上。

该工序的整体
生产效率提高了近2.5倍，同时也降低了劳动者的
操作强度，作业环境得到改善。

6. 结语
（1）在天线梁产品制造中TOP-TIG焊接工艺
能够替代手工填丝TIG焊接，实现高品质的焊缝质
量要求。

（2）采用自动化的TOP-TIG焊接工艺后天线
梁对接工序效率提高近2.5倍，能够满足该产品的
高效焊接需求。

参考文献：
[1] 段珍珍, 张雪红, 谷晓鹏. 轨道车辆焊接制造工
艺现状及发展趋势[J]. 焊接技术, 2011, 11(40):
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[2] T. Opderbecke, S. Guiheux, 张世龙. 用于焊接机
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