軌道車輛電容儲(chǔ)能式電阻點(diǎn)焊工藝研究

徐 野 韓曉輝 葉結(jié)和 劉 桐 劉 勇

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266111)

0 前言

軌道車輛的車體結(jié)構(gòu)除了底架仍然采用碳鋼材料外，其他大部件基本上都采用奧氏體不銹鋼材料[1-3]。對(duì)于無涂裝的不銹鋼車體結(jié)構(gòu)來說，其制造工藝要求較高，不僅要保證結(jié)構(gòu)上的安全可靠性，而且要求焊后車體的外觀平整光滑?，F(xiàn)有無涂裝不銹鋼軌道車輛多采用電阻點(diǎn)焊工藝，但點(diǎn)焊車體外表面焊點(diǎn)部位存在明顯的痕跡[4-6]，其中車體側(cè)墻中點(diǎn)焊痕跡較為明顯的區(qū)域主要為門四角和立柱處，該區(qū)域由于鋼板的疊加層數(shù)較多，所需點(diǎn)焊參數(shù)較大，易于導(dǎo)致點(diǎn)焊后出現(xiàn)明顯痕跡[7-8]，車體點(diǎn)焊痕跡和側(cè)墻平面度是制約無涂裝不銹鋼電阻點(diǎn)焊車輛商品化程度進(jìn)一步提高的兩個(gè)主要問題。

下文針對(duì)不銹鋼地鐵車輛點(diǎn)焊質(zhì)量問題，采用電容儲(chǔ)能式電阻點(diǎn)焊工藝對(duì)典型板厚組合進(jìn)行工藝試驗(yàn)研究，并分析其點(diǎn)焊接頭外觀質(zhì)量、內(nèi)部組織及力學(xué)性能，在點(diǎn)焊參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上完成點(diǎn)焊痕跡輕微、外觀質(zhì)量較高的側(cè)墻試驗(yàn)單元制作，為該工藝方法在不銹鋼軌道車輛制造中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用SUS301L系列的冷軋不銹鋼，依據(jù)現(xiàn)車情況選用表1中的典型板厚組合作為試驗(yàn)對(duì)象，并以此進(jìn)行點(diǎn)焊參數(shù)優(yōu)化。

表1 試驗(yàn)材料

1.2 點(diǎn)焊設(shè)備及工藝

1.2.1電容儲(chǔ)能式電阻點(diǎn)焊機(jī)

電容儲(chǔ)能式電阻點(diǎn)焊機(jī)采用雙面點(diǎn)焊形式，電極為鉻銅材質(zhì)，上電極選用?14 mm×R300 mm球面、下電極選用?16 mm×平面，每點(diǎn)焊 20點(diǎn)時(shí)需將電極表面修磨一次，如圖1所示，其相關(guān)規(guī)格如表2所示。

圖1 Origin 6AS電容儲(chǔ)能式電阻點(diǎn)焊設(shè)備

表2 Origin 6AS電阻點(diǎn)焊機(jī)規(guī)格

1.2.2焊接工藝

點(diǎn)焊參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)首先以典型板厚組合的小試板進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，試驗(yàn)主要確認(rèn)壓痕深度、熔核直徑及拉剪載荷。優(yōu)化試驗(yàn)后的點(diǎn)焊參數(shù)如表3所示。

表3 點(diǎn)焊參數(shù)(6AS)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 點(diǎn)焊接頭表面質(zhì)量檢驗(yàn)

分別對(duì)以上8組典型的點(diǎn)焊試件在1.5 mm-2G側(cè)墻外板一側(cè)的焊點(diǎn)壓痕深度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果如表4所示，焊點(diǎn)壓痕表面的宏觀形貌如圖2所示。

表4 點(diǎn)焊接頭壓痕深度測(cè)量結(jié)果 /mm

圖2 點(diǎn)焊接頭疲勞裂紋宏觀形貌

由表4可以看出，在該點(diǎn)焊參數(shù)下，各組的點(diǎn)焊接頭在外板表面壓痕深度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，并且對(duì)比現(xiàn)有中頻逆變點(diǎn)焊工藝測(cè)量結(jié)果可知，電容儲(chǔ)能式電阻點(diǎn)焊工藝在焊點(diǎn)外觀質(zhì)量方面要優(yōu)于現(xiàn)有點(diǎn)焊工藝。

2.2 點(diǎn)焊接頭熔核尺寸及拉剪載荷

選取典型板厚組合1.5-2G+1.5-HT對(duì)比分析電容儲(chǔ)能式與中頻逆變式兩種點(diǎn)焊方式在熔核直徑、熔透率及力學(xué)性能方面的差異性，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 熔核直徑及接頭拉剪載荷數(shù)據(jù)處理結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可知，電容儲(chǔ)能式電阻點(diǎn)焊方法相比于傳統(tǒng)中頻逆變式點(diǎn)焊形成的焊點(diǎn)內(nèi)部熔核形態(tài)更加圓潤(rùn)而均勻，熔核外貌大而平，整體熔核直徑大，熔透率略小，拉剪強(qiáng)度明顯得到提高。

2.3 點(diǎn)焊接頭拉剪疲勞極限及S-N曲線

2.3.1疲勞形貌

1.5-2G+1.5-HT點(diǎn)焊接頭的脈動(dòng)拉剪疲勞裂紋微觀特征如圖3所示。

圖3 點(diǎn)焊接頭拉剪疲勞斷口SEM照片

從點(diǎn)焊疲勞試樣的斷裂形態(tài)上看，所有試樣的疲勞裂紋源均起始于焊點(diǎn)與母材交界的熔合界面區(qū)域，先從焊點(diǎn)壓痕周邊應(yīng)力集中處開始，沿著周邊切線薄弱區(qū)域擴(kuò)展，然后再從試樣兩側(cè)方向延伸直至斷裂。

2.3.2疲勞極限

采用升降法測(cè)得點(diǎn)焊接頭試樣疲勞拉剪載荷值如圖4所示，擬合S-N曲線如圖5所示，計(jì)算得存活率50%中值疲勞極限為2 150 N。

圖4 點(diǎn)焊接頭疲勞升降圖

圖5 點(diǎn)焊接頭拉剪疲勞曲線

2.4 側(cè)墻試驗(yàn)單元制作

通過小試板點(diǎn)焊試驗(yàn)優(yōu)化并確認(rèn)點(diǎn)焊參數(shù)條件可行后，進(jìn)行側(cè)墻試驗(yàn)單元的制作。用天車吊掛側(cè)墻單元，并以水平儀確認(rèn)點(diǎn)焊作業(yè)面與電極垂直，從而獲得最佳的點(diǎn)焊質(zhì)量。采用電容儲(chǔ)能式點(diǎn)焊機(jī)焊接制作的側(cè)墻單元如圖6所示。經(jīng)過解剖側(cè)墻的典型接頭，其焊點(diǎn)壓痕深度的測(cè)量結(jié)果如表6所示。

圖6 電容儲(chǔ)能點(diǎn)焊?jìng)?cè)墻單元

表6 側(cè)墻試驗(yàn)單元外觀質(zhì)量測(cè)量結(jié)果 /mm

顯然，采用電容儲(chǔ)能式電阻點(diǎn)焊工藝的側(cè)墻試驗(yàn)單元所有典型部位的1.5 mm-2G不銹鋼一側(cè)焊點(diǎn)壓痕深度均遠(yuǎn)小于0.15 mm的要求，并且均明顯小于中頻逆變點(diǎn)焊結(jié)果，該種點(diǎn)焊工藝在現(xiàn)車應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)減輕焊點(diǎn)壓痕、提升部件點(diǎn)焊外觀質(zhì)量的效果。

3 結(jié)論

(1)電容儲(chǔ)能式點(diǎn)焊工藝相比現(xiàn)有的中頻逆變點(diǎn)焊方法，其焊點(diǎn)外觀質(zhì)量、熔核直徑大小、拉剪力學(xué)性能等工程指標(biāo)在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)均有明顯提升。

(2)電容儲(chǔ)能式點(diǎn)焊工藝所形成的焊點(diǎn)內(nèi)部熔核形態(tài)更加圓潤(rùn)，呈現(xiàn)大而平的特點(diǎn)，熔透率適中，更加符合現(xiàn)車對(duì)焊點(diǎn)外觀及內(nèi)部質(zhì)量的雙向要求。

(3)電容儲(chǔ)能式點(diǎn)焊存活率50%中值疲勞極限為2.15 kN，疲勞裂紋源均起始于焊點(diǎn)與母材交界的熔合界面區(qū)域，先從焊點(diǎn)壓痕周邊應(yīng)力集中處開始，沿著周邊切線薄弱區(qū)域擴(kuò)展，然后向試樣兩側(cè)方向延伸直至斷裂。

(4)電容儲(chǔ)能式點(diǎn)焊工藝所制作的側(cè)墻單元焊點(diǎn)壓痕明顯小于傳統(tǒng)中頻逆變點(diǎn)焊工藝，具有提高軌道車輛點(diǎn)焊外觀質(zhì)量的工程化應(yīng)用意義。