碳鋼動車組點焊工藝的應(yīng)用

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

隨著城市間鐵路客車交通的發(fā)展，在速度提升的同時還需要滿足車輛的安全性以及人體感知的舒適性。本研究通過材質(zhì)的抗拉強度的要求，詳細描述了碳鋼點焊工藝評定制造以及點焊參數(shù)選擇。點焊工藝在碳鋼鐵路客車中的成功應(yīng)用，提高了碳鋼車的焊接質(zhì)量，降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了碳鋼車輛外觀美觀的制造要求，獲得用戶好評，引領(lǐng)了鐵路客車轉(zhuǎn)為碳鋼動車組的發(fā)展新趨勢。

電阻點焊在不銹鋼地鐵車輛中應(yīng)用較為廣泛，認可度較高，但未應(yīng)用于碳鋼動車中。本研究利用電阻點焊加熱時間短、熱影響區(qū)小、變形與應(yīng)力小的特性，通過焊接試驗以及應(yīng)用證明在碳鋼側(cè)墻中應(yīng)用電阻點焊的可行性。

焊接設(shè)備功率大、機械化和自動化程度較高，可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，從而降低焊工的勞動強度，避免焊接煙塵對人員造成的傷害，滿足人機工程學(xué)的要求。

利用合理的工藝制造方案“劃整為散”，將焊接量、焊接變形、焊接應(yīng)力等劃整為散，即將整體集中的工作量通過分段方式轉(zhuǎn)化為分散式工作，可以有效提高側(cè)墻的焊接質(zhì)量、減小焊接變形、降低焊接應(yīng)力，保證側(cè)墻平面度要求。

1 焊接材料和試驗

1.1 材質(zhì)選擇

板厚2.5 mm的材質(zhì)Q310NQL2符合標(biāo)準(zhǔn)TB/T1979-2014[1]，板厚3.0 mm的Q345NQR2符合標(biāo)準(zhǔn)TB/T1979-2014。焊點焊核直徑及最低剪切力如表1所示。根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)的抗拉強度要求360 MPa＜Rm＜510 MPa，執(zhí)行EN15085-3中標(biāo)F.4[2]的要求，并按照表1的要求確認焊核直徑以及最低剪切拉力。

表1 焊點焊核直徑及最低剪切拉力

對比表1中兩種最低剪切拉力值，選擇較低者，即拉伸值需滿足最小值16.5 kN，焊核直徑要求滿足最小8.0 mm。

1.2 焊接試驗要求及焊接形式

1.2.1 焊接試驗要求

按照EN ISO15614-12-2001-“金屬材料焊接方法要求和鑒定-焊接方法試驗—第12部分：點焊、滾縫焊和凸焊”中檢驗和試驗[3]的要求，整理確認焊接試驗項點，如表2所示。

表2 點焊試驗項點

根據(jù)電阻點焊的特性，進行目視檢測、剪切拉力試驗11組、鑿子試驗11組、宏觀磨樣檢測11組等試驗，其中拉剪試驗按照ISO14273標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[4]；宏觀按照EN1321標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[5]。

1.2.2 焊接形式

剪切拉力試驗、宏觀磨樣檢測試驗、鑿子試驗樣件的點焊形式如圖1所示。

1.3 焊接參數(shù)及焊接試驗

焊接試驗按照PWPS焊接參數(shù)執(zhí)行，見表3。

（1）剪切拉力試驗。按照圖1樣件的搭接形式焊接11組試驗片，對11組焊接試樣分別進行編號并進行剪切拉力試驗，檢查剪切拉力值大于16.5 MPa的要求，剪切拉力值如表4所示。

圖1 雙面單點焊接

表3 碳鋼點焊參數(shù)

表4 剪切拉力值

（2）宏觀磨樣檢測試驗。目測檢查焊核成形狀態(tài)及表面狀態(tài)，在無表面缺陷、焊核成形良好的狀態(tài)下加工試樣。先將試件的橢圓型焊核中心位置垂直截斷，用不同粒度的砂紙逐級進行初始磨制，然后后用研磨機打磨后放入3%～4%硝酸中腐蝕，之后用溫水沖洗試樣，再用軟刷清理、吹干，在顯微鏡下觀察熔核直徑以及熔核中存在的缺陷，宏觀磨樣結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 焊核直徑9.2 mm，無缺陷

（3）鑿子試驗，剝離結(jié)果如圖4所示。

圖3 焊核直徑8.3 mm，無缺陷

圖4 11組試樣母材均撕裂

按照PWPS焊接文件完成剪切拉力試驗11組、宏觀磨樣檢測11組、鑿子試驗11組的結(jié)果全部合格，方可證明焊接參數(shù)的可行性，編制WPQR焊接工藝評定報告書以及正式WPS焊接文件。

2 試驗結(jié)果和分析

（1）剪切拉力值在 31.48～36.21 MPa，接近材質(zhì)Q310NQL2要求最小剪切拉力值（16.5MPa）的2倍，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）宏觀金相中的焊核直徑分別為9.2 mm（無缺陷）和8.3 mm（無缺陷），符合標(biāo)準(zhǔn)要求。（3）剝離試驗均為母材撕裂，撕裂后的焊核輪廓值均超過8.0 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 焊接應(yīng)用與檢測

（1）焊接應(yīng)用。

碳鋼電阻點焊已成功應(yīng)用于時速160 km碳鋼動車組產(chǎn)品側(cè)墻部件。側(cè)墻部件采用分段方式制造方案，將整體結(jié)構(gòu)“劃整為散”（即弧焊、點焊的總體焊接量“劃整為散”），焊接量由整車焊接轉(zhuǎn)化為分段骨架焊接，避免焊接集中問題；將生產(chǎn)制造中的焊接應(yīng)力以及反變形量“劃整為散”，將整車變形量轉(zhuǎn)化為分段骨架變形。側(cè)墻平面度由3～4mm/m提高到1～1.5 mm/m。

（2）焊接準(zhǔn)備。

在點焊墻板與骨架時，為保證點焊質(zhì)量，對于側(cè)墻骨架鋪裝墻板前的要求為：①鋪裝墻板前仔細檢查側(cè)墻骨架與墻板接觸面的焊接飛濺是否清理，灰塵、油污、導(dǎo)電雜質(zhì)是否清除，骨架的焊縫處理是否打磨光滑。②設(shè)備電極冷卻狀態(tài)良好，電極球面R100，電極維氏硬度大于130，電極導(dǎo)電率大于70%。

（3）焊接檢測。

使用凍干機換熱板隨機對檢測側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)點焊焊點成型、焊點連接面、等效直徑，隨機檢查焊點的編號2726～2729，形成數(shù)據(jù)如表6所示，X向、Y向的檢測范圍均為12.2 mm，通過凍干機換熱板檢測2層板形成焊點后的連接面結(jié)大小，通過軟件換算出等效直徑，等效直徑近似焊核直徑，通過此檢測方法確認焊核的有效值。等效直徑檢測如表5所示。

表5 等效直徑檢測

4 結(jié)論

（1）通過材料強度選擇、點焊參數(shù)確定、焊接試驗實施、點焊成型檢測等手段驗證電阻點焊在碳鋼中應(yīng)用的可靠性。

（2）碳鋼電阻點焊已在時速160 km碳鋼動車組產(chǎn)品中成功應(yīng)用，與手工氬弧焊相比，電阻點焊更加自動化、智能化，降低了作業(yè)強度，并有效提高了產(chǎn)能，同時實現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境無塵化。

（3）在部分結(jié)構(gòu)采用電阻點焊替代氬弧焊，采用母材間熔合替代焊材與母材的熔合，既可以減少焊材成本，又可以避免產(chǎn)品質(zhì)量的增加，滿足鐵路客車輕量化的要求；電阻點焊使碳鋼車焊接變形小，焊接應(yīng)力降低，焊接質(zhì)量、外觀要求均得到有效的提升，其成功應(yīng)用可以作為在后續(xù)鐵路客車技術(shù)投標(biāo)的亮點之一。