不銹鋼軌道車輛電阻點(diǎn)焊設(shè)備焊接性能檢驗(yàn)技術(shù)研究*

康麗齊 孫志鵬 呂冬連 邵有發(fā) 張雪峰 牛 闖 高 雅

(中車長春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心,130062,長春//第一作者,正高級工程師)

采用奧氏體高強(qiáng)度不銹鋼作為軌道車輛的基本結(jié)構(gòu)材料，既能保證車體強(qiáng)度要求，又可以用較薄的不銹鋼板取代相同強(qiáng)度較厚的碳鋼板，從而使整車重大幅降低。不銹鋼車輛外表面基本不進(jìn)行油漆涂裝，僅在部分位置粘貼彩色貼膜。對車體鋼結(jié)構(gòu)外表面的弧焊工藝的焊縫成形對車輛美觀性影響較大。電阻點(diǎn)焊外觀呈均勻圓形印記，比較美觀，得到業(yè)主的接受。

1 軌道車輛高強(qiáng)奧氏體不銹鋼材料的焊接性能

軌道車輛采用的高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼材料，具有良好的變形能力和抗腐蝕能力，其抗腐蝕能力是普通碳鋼的100倍以上，并可通過形變硬化提高其材料的強(qiáng)度，經(jīng)過冷軋加工后，其強(qiáng)度可成倍增長。在軌道車輛中，選用5種不同強(qiáng)度等級的SUS301L系列不銹鋼[1]，應(yīng)用于車體不同部位，可實(shí)現(xiàn)對車輛強(qiáng)度的需求。該不銹鋼材料的熱傳導(dǎo)性差，弧焊后焊接變形亦較大。特別是采用薄板的不銹鋼車輛，弧焊的焊接變形控制難度相對更大；而電阻點(diǎn)焊采用的是大電極壓力、大焊接電流、短焊接時(shí)間的焊接，焊接變形非常小，因此可將其應(yīng)用在不銹鋼材質(zhì)車輛的焊接中。

2 電阻點(diǎn)焊設(shè)備的性能特點(diǎn)

中車長春軌道客車股份有限公司制造了多個(gè)項(xiàng)目的不銹鋼車輛，使用的材料均為SUS301L系列高強(qiáng)不銹鋼，同時(shí)從國外引進(jìn)了多套不同結(jié)構(gòu)形式、不同性能特點(diǎn)、不同能力的電阻點(diǎn)焊設(shè)備焊接不銹鋼車輛。一條不銹鋼車輛焊接生產(chǎn)線的點(diǎn)焊設(shè)備，資產(chǎn)超過2 000萬美金。點(diǎn)焊設(shè)備復(fù)雜、成本高、工藝性能強(qiáng)，主要由主體鋼結(jié)構(gòu)、焊接電源、控制系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、焊接監(jiān)測系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、焊鉗結(jié)構(gòu)、點(diǎn)焊電極、設(shè)備軌道等組成。設(shè)備制造完成后，對走形功能、機(jī)械操作功能、工藝焊接范圍進(jìn)行驗(yàn)證，重點(diǎn)對焊接性能進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證合格的點(diǎn)焊設(shè)備才能用于軌道車輛的焊接生產(chǎn)。

3 電阻點(diǎn)焊設(shè)備的焊接性能檢驗(yàn)方法

3.1 焊接前試件的準(zhǔn)備要求

焊接前，將影響點(diǎn)焊設(shè)備焊接性能造成錯(cuò)誤判斷的外界因素均排除。對焊接試件的要求是：①選用材料是SUS301L系列的不銹鋼；②材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能符合JIS E 4049—1990《鐵道車輛用不銹鋼板焊接接頭設(shè)計(jì)方法》的要求[2]。

所有搭接焊接位置的不銹鋼材料的接觸面位置以及與電極接觸面位置均要擦拭干凈，不能有銹和油脂等影響焊接導(dǎo)電的物質(zhì)。采用酒精或丙酮進(jìn)行擦拭。

3.2 電阻點(diǎn)焊焊接性能檢驗(yàn)分析

使用電阻點(diǎn)焊設(shè)備焊接試件的檢驗(yàn)分為單件試件的焊接檢驗(yàn)和焊接試件連續(xù)焊接檢驗(yàn)兩種。

按照AF級(最高級)的標(biāo)準(zhǔn)對單件試件的焊接進(jìn)行檢驗(yàn)。要求對焊接試樣進(jìn)行外觀檢測、斷面試驗(yàn)檢測、拉伸試驗(yàn)檢測、凹痕深度檢測試驗(yàn)[1]等。其中，外觀試驗(yàn)為20組，斷面試驗(yàn)為10組，拉伸剪切試驗(yàn)為10組，凹痕深度檢測試驗(yàn)為10組[3]。

連續(xù)焊接試驗(yàn)檢驗(yàn)試件，焊接后，采用剪床剪切成單個(gè)試樣，連續(xù)焊接22點(diǎn)，將第1點(diǎn)和最后1點(diǎn)去除，不作為檢驗(yàn)試件。隨機(jī)選用其中10組做拉伸剪切試驗(yàn)檢驗(yàn)，其余10組做金相試驗(yàn)檢驗(yàn)。

3.2.1 單件試件的焊接檢驗(yàn)

3.2.1.1 焊接試件制作

采用沖壓剪切下料方式，加工不銹鋼焊接試驗(yàn)片。采用SUS301L-HT材料，厚度為3 mm和2 mm，搭接有2種方式。方式1：采用3 mm HT+3 mm HT的搭接方式(見圖1)，搭接量為40 mm。方式2：采用3 mm HT+2 mm HT+2 mm HT的搭接方式(見圖2)，搭接量為40 mm。其中，3 mm HT試樣長度為150 mm，寬度為50 mm；2 mm HT試樣長度為125 mm，寬度為40 mm[4]。采用方式1和方式2各焊接20組。

圖1 3 mm HT+3 mm HT焊接

圖2 3 mm HT+2 mm HT+2 mm HT焊接

3.2.1.2 焊接試件檢驗(yàn)及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

針對2種方式焊接完成后的試樣，隨機(jī)各選出10組進(jìn)行外觀檢測；試樣外觀檢測合格的條件下，進(jìn)行凹痕深度檢測試驗(yàn)；深度檢測合格后，才可以進(jìn)行剪切試驗(yàn)和金相試驗(yàn)的破壞性試驗(yàn)。

外觀檢測的標(biāo)準(zhǔn)是目測焊點(diǎn)是否有裂紋，壓痕四周的圓形壓印是否均勻。圖3所示的焊接壓痕不均勻，即屬于不合格的焊接外觀成型。

圖3 壓痕不合格的焊接外觀成型

采用凹痕檢測儀進(jìn)行凹痕深度檢測(見圖4)。凹痕檢測儀安裝在基座上?；?個(gè)基準(zhǔn)支撐，中心開通孔，安裝凹痕檢測儀?；?個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)放置在焊點(diǎn)外側(cè)，調(diào)整檢測儀數(shù)值歸零，平移基座，移到焊點(diǎn)位置，上下左右移動(dòng)基座，將凹痕檢測儀的中心觸點(diǎn)移到焊點(diǎn)中心位置，測量凹痕檢測儀上的數(shù)值，即焊點(diǎn)凹痕深度。凹痕深度是指焊點(diǎn)中心位置的壓痕中心與焊點(diǎn)四周位置板表面的高度差，即圖5[5]所示的h。

圖4 凹痕深度檢測圖

圖5 凹痕深度

凹痕試驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)是：h的最大值不超過檢測面材質(zhì)厚度的10%[3]。如檢測材料面厚度為2 mm，則h的最大值不大于0.2 mm。

采用方式1和方式2各完成20組焊接試件，隨機(jī)各選取10組進(jìn)行剪切試驗(yàn)。剪切試驗(yàn)于室溫條件下，在5 t拉伸機(jī)上進(jìn)行。試樣上下端夾持在拉伸機(jī)的上下夾頭中，要求垂直夾持，才能保證拉伸剪切力的準(zhǔn)確性。對于圖1中2層板的搭接方式，最小拉伸剪切力要大于47.9 kN[6]；對于圖2中3層板的搭接方式，最小拉伸剪切力要大于47.9 kN[7]。

在上述20組焊接試樣的拉伸試驗(yàn)的拉伸力均符合要求的前提下，對其余各10組焊接試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)。圖1所示2層板搭接的焊接試樣中，D≥9.1 mm[6]時(shí)試樣合格。圖2所示3層板點(diǎn)焊方式的熔核直徑，見圖6所示的D1和D2，其中D1≥6.8 mm，D2≥6.8 mm[6]。當(dāng)氣孔缺陷位于2 mm HT板與3 mm HT板接觸面位置時(shí)，熔核缺陷氣孔的長度總和L<0.25D2，即L<1.7 mm；當(dāng)氣孔缺陷在2 mm HT板與2 mm HT板接觸面位置時(shí)，L<0.25D1，即L<1.7 mm。

圖6 3層板焊接試樣的熔核直徑

3.2.2 連續(xù)試件的焊接檢驗(yàn)

在單件焊接試樣進(jìn)行的外觀檢測、凹痕深度檢測、剪切試驗(yàn)和金相試驗(yàn)均符合要求的前提下，對連續(xù)焊接試樣進(jìn)行焊接性能檢測。連續(xù)焊接試樣和單件焊接試樣的焊接參數(shù)均相同，整個(gè)焊接過程焊接參數(shù)不能改變。特別要求連續(xù)焊接試樣的焊接頻率，不能高于點(diǎn)焊設(shè)備的設(shè)計(jì)點(diǎn)焊頻率。原因是點(diǎn)焊設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，采用氣缸加壓方式為點(diǎn)焊電極施加壓力，焊接頻率過快，會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)不能及時(shí)為氣缸補(bǔ)充壓縮氣體，使得電極作用在焊接過程中的壓力不足，影響焊接性能。焊接檢驗(yàn)不合格的焊接試樣，將不能判斷是設(shè)備問題還是焊接參數(shù)問題。

3.2.2.1 焊接試件制作

采用沖壓剪切下料方式，加工不銹鋼焊接試驗(yàn)片。采用SUS301L-HT材料，厚度為3 mm，長度和寬度分別為1 000 mm和150 mm。采用如圖1所示的方式1進(jìn)行搭接，即3 mm HT+3 mm HT的搭接方式，連續(xù)焊接20點(diǎn)。焊接形式見圖7。其中，10點(diǎn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，另外10點(diǎn)進(jìn)行金相試驗(yàn)。焊接后采用剪床將焊接試樣進(jìn)行切割，切割位置見圖7。采用風(fēng)動(dòng)角向磨光機(jī)對切割斷面的毛刺進(jìn)行打磨，保證在拉伸試驗(yàn)過程中，試樣夾持在拉伸機(jī)夾頭位置，且能夠牢固夾持。

圖7 連續(xù)焊接試件

3.2.2.2 焊接試件檢驗(yàn)及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

針對切割完成的編號為2—21組焊接試樣，在室溫條件下，完全自然冷卻后，用清水清洗干凈。隨機(jī)抽取10組進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，另外10組進(jìn)行金相試驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)和金相試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考本文3.2.1.2節(jié)單個(gè)試驗(yàn)中方式1焊接試件的焊接方式和檢驗(yàn)方式。

4 焊接試驗(yàn)結(jié)果分析

40組單個(gè)試樣和20組連續(xù)焊接試樣焊接完成后，檢查外觀未出現(xiàn)裂紋，焊點(diǎn)壓痕四周均勻且呈圓形。凹痕深度檢測結(jié)果顯示，凹痕深度均在0.10～0.15 mm之間，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用單件焊接方式1的10組焊接試樣、方式2的10組焊接試樣及10組連續(xù)焊接試樣進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，剪切力均在50.1～53.2 kN之間，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用單件焊接方式1的10組焊接試樣、10組連續(xù)焊接試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)。結(jié)果顯示，熔核直徑均在9.3～9.7 mm之間；采用方式2的10組焊接試樣熔核直徑均在7.0～7.3 mm之間；兩種方式下的焊接試樣均無焊接氣孔缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

按照上述試樣焊接和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，完成從日本、韓國、意大利、德國等多個(gè)國家進(jìn)口的點(diǎn)焊設(shè)備焊接性能的檢驗(yàn)，并將檢驗(yàn)合格后的設(shè)備應(yīng)用在不銹鋼車輛焊接中。采用2005年起國際上生產(chǎn)不銹鋼軌道車輛時(shí)使用的點(diǎn)焊設(shè)備完成焊接的車輛，目前在現(xiàn)場運(yùn)行情況良好，未出現(xiàn)任何開焊等質(zhì)量缺陷。

5 結(jié)論

1) 采用新安裝或更新的焊接電源的電阻點(diǎn)焊設(shè)備完成其機(jī)械性能、電器性能、工藝性能檢測合格后，需要對設(shè)備的焊接性能進(jìn)行試樣的焊接以及一系列檢測。只有外觀檢測、宏觀金相檢測、拉伸剪切檢測都合格的條件下，才可將設(shè)備應(yīng)用于產(chǎn)品焊接中。

2) 焊接試樣檢驗(yàn)分單個(gè)試樣檢驗(yàn)和連續(xù)試樣檢驗(yàn)，兩種檢驗(yàn)方式均需進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)和金相試驗(yàn)。試樣焊接及試驗(yàn)過程簡單、用料少、成本低，對保證采用焊接設(shè)備完成產(chǎn)品焊接起到有效作用。