客車空調(diào)螺柱電弧式螺柱焊的實(shí)驗(yàn)研究

黃海濱 ， 劉建春 ， 柯曉龍 ， 林曉暉

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024；2.精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361024）

0 引言

電弧螺柱焊的應(yīng)用始于1936年,最開始出現(xiàn)在造船業(yè)上。螺柱焊接技術(shù)由于具有快速、可靠、操作簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，目前在西方發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，螺柱的焊接大約有80%以上是通過電容式和電弧式螺柱焊機(jī)完成的。

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的快速、穩(wěn)定提升，電弧式螺柱焊接技術(shù)涉及的領(lǐng)域也日益廣泛，國(guó)內(nèi)許多機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)各種應(yīng)用領(lǐng)域的螺柱焊技術(shù)進(jìn)行了大量研究。王克鴻［3］利用散型磁場(chǎng)使得電弧沿螺柱壁旋轉(zhuǎn)的原理,提出了空心螺柱旋弧焊接新工藝，針對(duì)外徑12 mm、壁厚3 mm的空心螺柱，實(shí)現(xiàn)了螺柱焊電弧繞螺柱四周壁的均勻旋轉(zhuǎn)，接頭強(qiáng)度可保持在330～390 MPa 區(qū)間；池強(qiáng)［4］研制開發(fā)了一種步進(jìn)式電弧螺柱焊槍及其控制系統(tǒng)，提出螺柱低速送進(jìn)的同時(shí)提供足夠的擠壓力可以實(shí)現(xiàn)電弧螺柱焊接，并通過彎曲試驗(yàn)表明螺柱焊接頭能滿足使用要求；葛佳棋［5］對(duì)Q235鋼螺柱和6061鋁合金進(jìn)行釬焊，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析等表征方法，對(duì)接頭的組織、成分和相組成等進(jìn)行了分析，力學(xué)性能測(cè)試表明,接頭的抗剪強(qiáng)度最大為65 MPa；黃志林［6］通過對(duì)0.7 mm板厚低碳鋼選用相應(yīng)的材料進(jìn)行支撐后進(jìn)行定位焊接，解決了焊接過程中熱量過多導(dǎo)致的焊接缺陷問題，并保證了螺柱位置精度；劉振國(guó)［7］提出焊接前對(duì)工件各表面進(jìn)行自動(dòng)尋位檢測(cè)，焊接過程中對(duì)螺柱位置進(jìn)行修正，并添加了自動(dòng)補(bǔ)償功能以防止出現(xiàn)斷弧或虛焊缺陷；劉志穎［8］通過螺柱焊技術(shù)在660 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組地錨焊接過程中大量的生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)了螺柱焊易出現(xiàn)的缺欠和缺陷，對(duì)焊接接頭產(chǎn)生偏焊的原因進(jìn)行了分析，提出了預(yù)防偏焊、改善焊縫質(zhì)量的措施；耿雪霏［9］在汽車制造過程中，對(duì)厚度為0.8～2.0 mm的汽車頂棚和大隔板采用短周期拉弧式螺柱焊，解決其焊接強(qiáng)度和效率問題。

本文提出一種針對(duì)客車空調(diào)緊固件——螺栓的電弧式螺柱焊接方式，研究客車空調(diào)螺栓電弧式螺柱焊的焊接機(jī)理，通過電弧式螺柱焊的機(jī)械拉伸實(shí)驗(yàn)，觀察焊接接頭的外觀形貌和焊接質(zhì)量，以求滿足縮短客車頂蓋整體焊接工作節(jié)拍，提高焊接質(zhì)量，提升客車運(yùn)行的安全性和可靠性。

1 螺柱焊槍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)客車廠家在客車空調(diào)的焊接方式上普遍采用傳統(tǒng)的螺栓預(yù)埋工藝，如圖1、圖2所示，該方式由于實(shí)現(xiàn)上需要諸如槽鋼鉆孔、攻絲、螺栓預(yù)埋與焊接、蒙皮補(bǔ)焊等多道繁瑣的工藝過程，從而使客車頂蓋整體焊裝生產(chǎn)節(jié)拍較長(zhǎng)，且所采用的CO2氣體保護(hù)焊接方式焊接表面質(zhì)量差，焊縫不均勻，密封性差，最終導(dǎo)致客車頂蓋平整度不佳。

圖1 空調(diào)螺栓預(yù)埋外觀

圖2 頂蓋蒙皮與空調(diào)螺栓手工弧焊外觀

為了提高生產(chǎn)節(jié)拍和焊接質(zhì)量，本文針對(duì)客車空調(diào)固定螺栓的焊接，提出使用電弧式螺柱焊方式替代原有的螺栓預(yù)埋氣體保護(hù)焊方式，設(shè)計(jì)了可以自行更換螺柱的螺柱焊槍，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 螺柱焊槍機(jī)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的公交車車頂空調(diào)螺柱焊接裝置包括了電磁機(jī)構(gòu)、引弧提升機(jī)構(gòu)、復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)、自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)以及夾具等，焊槍設(shè)計(jì)中采用電磁鐵的原理，通過動(dòng)鐵心將螺柱提升引弧，斷電后在彈簧的恢復(fù)力的作用下送入熔池。其中，自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)左輪手槍換彈原理，和夾具搭配使用，一次可以裝夾6根螺柱，完成1只螺柱焊接后，通過手動(dòng)撥動(dòng)轉(zhuǎn)輪，調(diào)節(jié)至下一只螺柱進(jìn)行焊接，可大大減少螺柱裝夾時(shí)間，提高焊接工作效率。

2 搭建螺柱焊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了進(jìn)行螺柱穿透焊，驗(yàn)證實(shí)際焊接效果，搭建了客車空調(diào)螺柱焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖4所示為焊接平臺(tái)的硬件示意圖。

在完成螺柱焊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件搭建后，按照如下步驟進(jìn)行螺柱穿透焊實(shí)驗(yàn)：

1）為了適應(yīng)客車空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境要求，焊接實(shí)驗(yàn)所選擇的螺柱直徑為φ10 mm，為8.8級(jí)高強(qiáng)度螺柱，其抗拉強(qiáng)度為640 N/mm2；

圖4 螺柱焊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

2）依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，焊接電流I＝焊接面直徑×110 A，焊接時(shí)間 t＝I×0．04 ms，由此設(shè)置焊機(jī)的焊接電流為900 A，焊接時(shí)間為60 ms；

3）利用焊接工作臺(tái)的夾具將1.2 mm厚的Q235A蒙皮樣板和3 mm厚的骨架樣件（A3鋼槽型折彎件）搭接穩(wěn)固，骨架與蒙皮樣件接觸面的不平整度應(yīng)小于1 mm；

4）使用螺柱焊槍（帶陶瓷套圈的拉弧螺柱焊方式）將M10的螺柱穿透蒙皮樣板焊在槽型折彎骨架樣件上。

焊接實(shí)驗(yàn)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 焊接實(shí)驗(yàn)的主要技術(shù)參數(shù)

使用螺柱焊機(jī)（帶陶瓷套圈的拉弧螺柱焊方式）將M10的螺柱穿透Q235A（1.2 mm）的板焊在A3鋼槽型折彎件（3 mm），圖5所示為試件焊接完成后的外觀照片。

由圖5（a）可以看出，螺柱與蒙皮的焊縫區(qū)域存在輕微飛濺現(xiàn)象，但整體外觀質(zhì)量較好。由圖5（b）螺柱焊實(shí)驗(yàn)完成后骨架背面的外觀可以看出，螺柱穿透了蒙皮，較好地焊接在骨架上。

3 螺柱拉伸實(shí)驗(yàn)

空調(diào)螺柱在客車運(yùn)行過程中，受到軸向力和徑向力的雙重作用，為了保證行駛安全，螺柱在抗拉強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度上都有一定的質(zhì)量要求，其中抗剪切強(qiáng)度取決于螺柱材料強(qiáng)度，而螺柱焊接后的抗拉強(qiáng)度則取決于螺柱焊縫的抗拉強(qiáng)度和螺柱本身的抗拉強(qiáng)度，如果螺柱焊縫的抗拉強(qiáng)度大于螺柱本身抗拉強(qiáng)度，則認(rèn)為螺柱焊接質(zhì)量是好的。為了驗(yàn)證螺柱焊接的質(zhì)量，搭建了螺柱焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并按照國(guó)標(biāo)GB/T2651-2008/ISO4136：2001中規(guī)定的焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法，使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行螺柱拉伸試驗(yàn)。

圖5 客車空調(diào)螺柱焊外觀

在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，所設(shè)定拉力F 的計(jì)算公式為 F=π×d2σb/4。式中，d為螺柱直徑，σb為螺柱的抗拉強(qiáng)度。由公式計(jì)算可得，拉力F為50240 N。

利用工裝夾具將螺柱和骨架試件一上一下分別裝夾，設(shè)定拉力值F=50 kN，使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行螺柱拉伸試驗(yàn)，將焊接的螺柱沿著軸向力方向拔直至斷裂，圖6所示為螺柱焊拉伸試驗(yàn)的螺柱斷面外觀圖。

由圖6中螺柱斷面外觀形貌可見，經(jīng)過足夠的變形后，螺柱或母材在焊縫區(qū)域以外斷裂，表明焊接質(zhì)量較好。

4 結(jié)論

圖6 螺柱焊拉伸試驗(yàn)斷面外觀圖

1）針對(duì)客車空調(diào)固定螺栓的焊接，使用電弧式螺柱焊方式替代原有的螺栓預(yù)埋氣體保護(hù)焊方式，設(shè)計(jì)了可以自行更換螺柱的螺柱焊槍，完成了三維CAD圖紙的繪制。

2）完成螺柱焊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件搭建后，使用直徑為10 mm的螺柱，進(jìn)行電弧式螺柱焊的實(shí)驗(yàn)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)定焊接電流為900A，焊接時(shí)間為60ms時(shí)，完成了客車空調(diào)螺柱的焊接成型。

3）用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行螺柱拉伸試驗(yàn)，通過螺柱斷面外觀形貌觀察，驗(yàn)證了螺柱穿透焊的焊接質(zhì)量。

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