最新刊期
      2024 年 第 54 卷 第 9 期

        轨道车辆高性能焊接制造

      • 韩晓辉,刘桐,李刚卿,方喜风
        2024, 54(9): 1-13. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.01
        摘要：随着轨道交通产业的快速发展，对列车的核心指标提出了更高的要求。车辆用材料强度级别不断提高、厚度不断减薄，合金成分更加复杂，以碳纤维为代表的轻质复合材料，在车辆部件中的应用逐步扩大。三维复杂结构、超薄壁及大差异异质连接需求不断增加，对连接技术提出了新的挑战。文中剖析了传统连接方式在质量、成本、效率等方面存在的不足，提出了轨道客车连接技术的发展趋势。通过在电弧焊、电阻焊等传统方法上叠加新的能量场，实现了焊接质量及作业效率的提升；通过开发激光焊、激光-电弧复合焊等高能密度热源焊接方法，解决了长大、薄壁部件的高强韧、高精度连接难题；通过开发搅拌摩擦焊、感应钎焊等绿色焊接技术，改善了焊接作业环境，降低焊接能耗；随着机器人及信息技术的快速发展，数字化、智能化的连接制造模式渐成主流；通过焊接-粘接-铆接-栓接等多种连接方法综合运用，解决了多材料体系下的异质连接难题。  
        关键词：轨道客车;连接技术;材料;焊接   
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        发布时间：2024-10-11
      • 武永寿,韩晓辉,陈姬,李刚卿,李帅贞,左帅
        2024, 54(9): 14-23. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.02
        摘要：利用外加磁场改善电弧焊焊接工艺，具有成本低、附加耗能少、易操作等优点，已成为当今研究的热点之一。针对高速MIG焊时焊缝成形不良及焊接接头质量差等问题，在焊枪上装配一紧凑型脉冲复合磁场发生器，同时调控电弧和熔滴的左右摆动及前倾行为；并开展不同焊接参数下的铝合金车体长大薄壁型材对接接头焊接工艺试验，以研究高速焊条件下的最佳焊接工艺。研究发现，对于铝合金车体焊缝，励磁参数为8 A、120 Hz，焊接参数为265 A、23.5 V、1.2 m/min时，焊缝成形质量最佳。利用金相显微镜以及背向散射电子衍射（EBSD）技术表征了不同焊接参数下焊接接头的微观组织，分析了外加脉冲复合磁场对焊接接头组织的影响。结果表明，在高速焊接条件下（>1.0 m/min），焊接接头的晶粒相较于常规焊速时明显粗化，且熔合区宽度有所增加。然而，引入脉冲复合磁场后，晶粒尺寸和熔合区宽度均降低至与常规焊速相当的水平。开展不同焊接参数下的焊接接头力学性能测试，结果表明，外加脉冲复合磁场对焊接接头的机械性能具有显著的改善作用，焊缝区的平均硬度提高了21.37%，而接头的平均抗拉强度达到187 MPa，与传统焊接速度时的193 MPa相当接近。在保证焊缝成形质量和接头机械性能的前提下，最终将焊接速度从0.75 m/min提高到1.2 m/min，实现了优质高效的焊接过程。  
        关键词：铝合金;复合磁场;励磁参数;磁控弧焊;微观组织;力学性能;高效焊接   
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        发布时间：2024-10-11
      • 马国龙,马寅,李帅贞,杨志斌,韩晓辉
        2024, 54(9): 24-29. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.03
        摘要：针对8 mm厚6005A-T6铝合金，分别采用I形坡口和Y形坡口进行激光-MIG复合焊接试验，通过对比研究不同坡口形式接头的焊缝成形、组织特征、硬度分布和拉伸性能，分析坡口形式对接头性能的影响规律。结果表明，两种坡口形式均能获得高质量的焊缝，但I形坡口焊缝的电弧主要作用区熔深更大。焊缝中心均为树枝状晶并且晶粒尺寸类似，与Y形坡口相比，I形坡口焊缝柱状晶区的宽度更大，且热影响区存在晶粒粗大的现象。I形坡口焊缝区和熔合线附近的硬度均低于Y形坡口，而热影响区的硬度高于Y形坡口。I形坡口和Y形坡口接头的平均抗拉强度分别为202.0 MPa和205.2 MPa，试样均断裂在熔合线附近，断裂路径与熔合线一致，断口呈现典型的塑性断裂特征。  
        关键词：铝合金;激光-MIG复合焊;坡口形式;焊缝成形;组织性能   
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      • 林森,党键,韩晓辉,李刚卿,张铁浩,赵存金
        2024, 54(9): 30-37. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.04
        摘要：为研究焊接速度对6082铝合金搅拌摩擦焊（FSW）接头微观组织和力学性能的影响，并建立基于焊接速度的FSW接头组织与性能调控规律。通过金相观察、电子背散射衍射（EBSD）分析、硬度测试、室温拉伸和弯曲试验等手段，对四种不同焊接速度（500 mm/min、750 mm/min、1 000 mm/min、1 250 mm/min）下FSW接头的微观组织和力学性能进行表征。结果表明，随着焊接速度的增大，FSW接头的微观组织发生显著变化。焊核区（NZ）发生连续动态再结晶，形成细小的再结晶晶粒组织，其平均晶粒尺寸从3.8 μm减小至2.3 μm，再结晶分数从83%减小至57.3%；热机影响区（TMAZ）发生部分动态回复和部分动态再结晶，晶界处出现少量细小等轴晶粒，晶内形成大量亚晶组织。亚结构比例和小角度晶界比例显著增加，分别为69.2%和60.1%；受焊接热影响，热影响区（HAZ）相比母材区（BM）的晶粒尺寸略有增大，再结晶程度和晶界角度分布与母材相似。力学性能方面，随着焊接速度增大，FSW接头硬度最低值从72.3 HV增大至81.2 HV，焊接系数从74.7%提升至89.0%，热影响软化区明显缩小，但在1 250 mm/min焊速下FSW接头背弯试样产生裂纹。基于焊接速度的调控模式，1 000 mm/min焊接速度下FSW接头具有最优的力学性能。  
        关键词：6082铝合金;搅拌摩擦焊;焊接速度;微观组织;力学性能   
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      • 胡亮,林森,韩晓辉
        2024, 54(9): 38-46. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.05
        摘要：为研究焊接热裂纹萌生机理，以薄壁7003铝合金型材与6111铝合金板材MIG焊接所得角焊缝裂纹失效件为研究对象，采用渗透探伤、金相观察、扫描电镜、能谱分析、硬度分布等手段分析了焊接裂纹的萌生机制。研究结果表明：位于板材侧的焊接裂纹1、2均为液化裂纹，其长度分别为4 235.2 μm和1 357.4 μm，且裂纹2距焊缝边缘最近距离约为165 μm；型材侧和板材侧的硬度分布的数值方差分别为7.66和76.89，板材侧波动更大且硬度最大差值达34.32 HV，表明板材受焊接热影响组织与性能恶化更为严重；能谱分析表明裂纹周围的杂质相为沿晶偏聚分布的硬脆AlFeSi低熔点共晶相，其熔化温度低于铝合金熔点且会导致晶界韧性降低，熔化后形成晶间液膜受焊接收缩应力影响易被撕裂导致沿晶液化裂纹的萌生。通过对比分析焊前、焊中、焊后三种状态，研究了晶粒尺寸、焊接应力、低熔点杂质相对铝合金焊接液化裂纹产生机制差异性的影响。  
        关键词：异种铝合金;热裂纹;焊接液化裂纹;低熔点AlFeSi杂质相;MIG焊   
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      • 刘静,李巧艳,徐海龙,王宸,薛子奇
        2024, 54(9): 47-54. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.06
        摘要：为了研究焊修次数对电力机车转向架关键零部件30CrMo合金钢空心轴组织及性能的影响，并优化其焊修工艺，对30CrMo合金钢空心轴行了三次焊修试验，并对每次焊修后的接头进行了静强度试验、金相试验和疲劳试验。静强度试验包括拉伸和弯曲试验，金相试验观察了接头各区域的显微组织，疲劳试验采用旋转弯曲加载方式，以确定接头的疲劳极限。结果表明：多次焊修后，接头的拉伸性能良好，拉伸试件断于母材；弯曲性能良好，弯曲角度达180°时无断裂或裂纹产生；室温和低温冲击性能在多次焊修后略有下降，符合标准要求；三次焊修焊缝硬度在330~340 HV之间，明显高于母材及热影响区硬度值。金相组织分析表明，空心轴母材的组织为回火索氏体、上贝氏体及块状铁素体，热影响区的主要组织为回火索氏体和少量块状铁素体，熔合区的组织为回火索氏体，焊缝组织为经过调质后产生的回火索氏体。接头疲劳极限满足强度要求，第三次焊修中值疲劳极限最高，在指定寿命为1×107次循环下的中值疲劳极限为399 MPa。焊后调质处理可以有效地改善多次焊修对接头性能的影响。多次焊修后的30CrMo合金钢空心轴接头具有良好的拉伸、弯曲和疲劳性能，且随着焊修次数的增加，接头的疲劳强度逐渐提高。该研究结果为电力机车转向架关键部件的焊修工艺优化提供了理论依据。  
        关键词：30CrMo合金钢空心轴;焊修次数;金相组织;力学性能;疲劳性能   
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      • 徐野,叶结和,李卓然,夏裕俊,李永兵,韩晓辉
        2024, 54(9): 55-62. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.07
        摘要：针对轨道车辆高强不锈钢材料电阻点焊存在的压痕明显、熔核直径波动较大、熔核中心缩孔等问题，探索了磁控电阻点焊技术对提升焊接质量和接头性能的潜力。通过在现有电阻点焊设备上增加环形永磁体，利用外加磁场对熔融金属进行电磁搅拌，发现磁控电阻点焊能够显著改善焊点质量和接头性能。与传统电阻点焊相比，磁控点焊可降低凸痕高度80.6%，增大熔核直径12.0%，并将熔核等轴晶区的枝晶间比例从29%改善至6%。此外，磁控点焊接头的拉剪断裂载荷提高11.8%，疲劳强度也得到了提升。通过微观组织观测发现，磁控点焊能够有效细化熔核晶粒，使枝晶间比例大幅下降，从而提高接头表面强度，降低压痕深度。疲劳试验结果表明，磁控点焊接头的疲劳寿命显著提高，且断裂模式由传统点焊的界面断裂转变为高韧性的纽扣断裂模式。研究为磁控电阻点焊技术在不锈钢轨道车辆制造中的应用提供了实验数据支持，并为无涂装车辆高可靠无痕点焊提供了借鉴。  
        关键词：磁控电阻点焊;高强不锈钢;轨道车辆;力学性能;焊接质量   
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        发布时间：2024-10-11
      • 刘勇,裴夤崟,梁赛,姜春鹏,李刚卿,韩晓辉
        2024, 54(9): 63-68. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.08
        摘要：为解决传统火焰钎焊和高温银钎料存在的质量问题、环境污染、安全风险、成本高昂等问题，研究了一种适用于高速列车铜合金管路密封连接的绿色钎焊技术。采用低银复合钎料BAg34CuZnSn复合钎料和感应钎焊技术，对TP2Y2紫铜管套接接头进行钎焊连接，通过OM、SEM、EDS及拉伸试验等分析测试方法，分析了复合钎料感应钎焊紫铜管钎缝形貌、钎料填充深度、钎焊接头界面组织、力学性能以及钎焊热循环对紫铜管组织性能的影响。结果表明，在输出功率40 kW、钎焊电流100 A和钎焊时间40 s的条件下，钎料能够完全有效填缝，实现TP2Y2紫铜管套接接头的密封和高强连接，钎缝外观光滑、连续，母材无凹陷性熔蚀。钎缝组织主要由Ag固溶体和Cu固溶体组成，钎缝组织连续致密，无气孔、裂纹等缺陷。紫铜管钎焊接头的平均抗剪强度达到222.7 MPa，能够满足大熔深铜管结构的可靠连接。  
        关键词：紫铜管;感应钎焊;微观组织;剪切性能;绿色制造   
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        发布时间：2024-10-11
      • 钟凡
        2024, 54(9): 69-76. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.09
        摘要：机车钢结构在智能焊接过程中，受到热输入、材料变形等因素的影响，焊缝的实际位置和形状会发生变化，在焊缝跟踪时，当前视觉帧间差方法容易忽略位置信息和焊缝轨迹位置偏差，导致跟踪误差大。对此，提出基于视觉特征的机车钢结构焊接机器人焊缝跟踪方法。选取以“棋盘格&条纹”混合图像作为基础，标定机车钢结构焊接机器人立体视觉位置，对焊接机器人激光条纹的中心线特征进行捕获；通过Roberts算子提取焊缝边缘信息，引入Hough变换确定焊缝中心线，实现焊缝识别，并将焊缝坐标展开转换，将其映射至机车钢结构焊接机器人的基础坐标系，在三维空间中构建焊缝轨迹；基于焊枪当前的位置信息和焊缝轨迹计算位置偏差，通过三次分均匀有理B样条对焊缝轨迹数据进行实时修正，实现机车钢结构焊接机器人焊缝实时跟踪。试验结果表明，所提方法可以有效提升机车钢结构焊接机器人焊缝跟踪精度。  
        关键词：视觉特征;机车钢结构;焊接机器人;焊缝跟踪   
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      • 马俊成,任欣,祝弘滨,折洁,李明高,张丽娇,郭许航
        2024, 54(9): 77-84. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.10
        摘要：针对Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金焊丝，分别采用脉冲CMT（CMT-P）、脉冲MIG（MIG-P）与变极性TIG（TIG-V）对轨道交通常用5083铝合金材料进行修复，对比研究不同电弧增材工艺修复样件的微观组织及力学性能。结果表明：Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金焊丝在三种电弧增材修复工艺下均能形成细小的等轴晶组织，且焊缝区分布着大量Al3（Sc，Zr）粒子，这些粒子能够有效细化晶粒尺寸并提高力学性能。修复样件抗拉强度均可达母材强度的90%以上，其中，CMT-P热输入最小，基体强度受热输入影响损失最小，仅1.3%，修复的5083铝合金抗拉强度为293 MPa，达到母材强度的94%；TIG-V及MIG-P热输入相对较大，修复后抗拉强度分别为283 MPa、290 MPa，但基材强度受热影响损失较大，分别为16%、8.7%。  
        关键词：Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金;电弧增材修复工艺;显微组织;力学性能   
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        发布时间：2024-10-11

        焊接工艺

      • 金宝,韩佳源,齐士明,高炼玲,朱强
        2024, 54(9): 85-89. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.11
        摘要：水轮机叶片的制造工艺与质量直接关系到其服役寿命与运行安全，利用CMT电弧增材制造技术，在固定的热输入、层间温度等焊接工艺参数下，通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、0 ℃冲击试验和硬度试验等方法，研究了回火温度对CMT电弧增材制造0Cr13Ni4Mo不锈钢组织和性能的影响。结果表明，CMT电弧增材制造的0Cr13Ni4Mo不锈钢材料经过不同的温度回火，其显微组织都是典型的板条马氏体。随着回火温度升高，马氏体位相减弱，大量相邻马氏体板条界融合，马氏体板条合并的趋势加剧，逆变奥氏体含量增多。冲击试样以韧性断裂为主，断口处韧性断裂特征明显，分布有大量韧窝。借助扫描电镜能够清楚地观察到韧窝底部的夹杂物，EDS分析表明该圆形粒子主要为Mn、Si氧化物。冲击韧性随回火温度升高而升高，硬度先升高后降低。综合研究表明，经610 ℃回火处理并保温8 h的试样综合力学性能优异，满足工程实际需求。  
        关键词：CMT增材制造;回火温度;0Cr13Ni4Mo不锈钢;组织性能   
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        发布时间：2024-10-11
      • 吴林恩,夏培培,肖健,靳海成,马子薇
        2024, 54(9): 111-117. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.15
        摘要：环焊缝的强度匹配形式和耐腐蚀性对管道可靠运行至关重要。文中分别采用低强匹配、等强匹配和高强匹配三种匹配形式对D1219×18.4 mm X80螺旋焊管进行焊条电弧焊，对焊接接头进行抗氢致开裂（HIC）试验，并综合包括化学成分、微观组织、接头强度和韧性等各种因素分析，研究不同强度匹配形式对X80管线钢环焊缝抗氢致裂纹性能的影响。结果表明，三种匹配方式下的X80管线钢焊接接头的抗HIC性能均能满足相关要求，且采用三种强度匹配焊条焊接接头的裂纹长度敏感率（CLR）、裂纹厚度敏感率（CTR）以及裂纹敏感率（CSR）随着匹配强度的升高而升高；焊缝金属的C、P、S含量对HIC敏感性有显著影响，降低这些元素的含量有助于提高焊缝的抗HIC性能；微观组织观察表明，焊缝金属的组织类型和形态对HIC敏感性也有重要影响，热力学平衡且稳定的细小组织是抗HIC的理想组织。  
        关键词：强度匹配;X80管线钢;环焊缝;氢致开裂   
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      • 陈恬曦,芦丽莉,林腾飞,徐少峰,冯国才,刘铖丹,陈家豪
        2024, 54(9): 96-104. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.13
        摘要：针对蒸汽发生单元钛合金管板焊接过程中焊接变形预测与控制问题，开展了焊接过程有限元仿真研究。基于顺序耦合的热弹塑性有限元法，采用ABAQUS对典型管板结构进行了不同焊接顺序下的焊接仿真分析，利用校核后的组合热源定义热流密度函数，计算得到焊接温度场、应力场及变形。结果显示，采用高斯热源与椭球体组合热源可以较为精确模拟熔池形貌，管板焊缝区域存在应力集中，且应力峰值位于管板被夹持区域，大小为631.2 MPa，超过材料屈服极限。单个环焊缝在不同路径下的应力分布因受到周围焊缝热输入的影响而出现复杂波动。采用从上至下的对称焊接顺序可以有效减小焊接变形量，最大变形量降幅可达24.3%，为后续工艺优化提供了参考依据。  
        关键词：有限元仿真;钛合金管板焊接;组合热源;顺序耦合;焊接顺序   
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      • 纪昂,陆智俊,张立平,彭根琛
        2024, 54(9): 105-110. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.14
        摘要：角焊缝等承载计算方法在角焊缝焊脚尺寸低成本设计方面发挥了重要作用，但同时该方法也对焊丝熔敷金属剪切性能的定量计算提出了新的要求。本文采用搭接接头角焊缝进行低合金钢焊丝熔敷金属剪切性能仿真及试验研究，通过提出新的焊缝抗剪强度计算公式，并基于研究结果给出推荐的剪切性能评价方法。结果表明：角焊缝的剪切开裂角度在22.5°附近，仿真计算获得的不同角度下角焊缝剪切应力变化曲线也证明了该结论。熔深的存在并不会影响开裂角度，但是会起到增大焊脚的作用。焊丝熔敷金属剪切性能评价试验应采用一般尺寸、多道焊形式，从而获得具有代表性的熔敷金属剪切强度。另外推荐采用“求和计算断裂面宽度”的方式来获得剪切强度，虽然剪切强度会降低10%左右，但由于通过直接定义开裂角度为理论角度，断裂面宽度为“焊脚+熔深”，因此可以尽可能地减少测量导致的误差因素，有效增加计算结果的普遍适用性。  
        关键词：熔敷金属;剪切性能;剪切膜应力;断裂角度   
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      • 姚新宇,乔云鹏,周小猛,卢昌福
        2024, 54(9): 90-95. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.12
        摘要：针对800 MPa级高强钢焊丝，采用外加横向磁场辅助MAG焊的方法进行了熔敷金属的制备，通过高速摄像的方法观察和分析了外加横向磁场作用下的电弧形态和熔滴过渡特征，并借助OM和EBSD等方法对比分析了有无外加横向磁场作用下熔敷金属的微观组织形貌，同时测试了熔敷金属的力学性能。研究结果表明：外加横向磁场会使电弧形态和熔滴发生偏转，熔敷金属的组织晶粒平均尺寸相比无磁场时细化了9.3%，织构种类转变为｛111｝<110>，｛111｝<112>，｛110｝<112>，｛001｝<100>；与不加磁场相比，熔敷金属的抗拉强度提高了4.65%，伸长率提升了3.4%，低温冲击韧性提高了28%。  
        关键词：横向磁场;熔敷金属;电弧形态;晶粒细化;力学性能   
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        发布时间：2024-10-11

        焊接材料

      • 陈杨科,刘亭
        2024, 54(9): 118-123. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.09.16
        摘要：钢丝绳索具在机械、桥梁和起重设备中扮演着关键角色，其可靠性主要取决于钢丝绳末端与接头的钎焊质量。传统的ZnCu6钎料在钎焊过程中存在温度过高导致钢丝软化和强度降低的问题，同时低温下钎料流动性差，难以实现良好的填充，影响接头强度。鉴于此，在不影响接头强度的前提下适当降低所用钎料的熔点成为一个可行的研究方向。文中在ZnCu1.7共晶合金的基础上添加稀土元素Yb来细化晶粒，配合适量Ag组元改善钎焊接头的强度，研发出一种新型钢丝绳接头钎焊用ZnAg2Cu1.7Yb钎料，并通过熔点测试、机械性能测试、晶粒度分析、流动性和孔隙率测试等方法，对ZnAg2Cu1.7Yb钎料进行了性能表征。试验结果表明，新型钎料的钎焊温度比ZnCu6低80 ℃，有效减少了对钢丝绳的热影响，同时接头强度提高了9.5%；此外，ZnAg2Cu1.7Yb钎料的晶粒得到细化，流动性增强，接头内部孔隙率显著降低。  
        关键词：钎料;机械性能;破断力;孔隙率   
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        发布时间：2024-10-11
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