等離子焊接技術(shù)在軌道車輛密封焊方面的應(yīng)用研究

王福全，王素環(huán)，李剛卿，丁明飛

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 前 言

對于車體側(cè)墻通長部件，目前國內(nèi)外都采用激光焊接技術(shù)代替電阻點焊方法，來滿足側(cè)墻焊接的氣密性要求。但是，在車體總組工序中，側(cè)墻與底架之間以及車頂與側(cè)墻之間的4條通長連續(xù)搭接焊縫，從其工藝適應(yīng)性程度上來看，不適合采用激光焊接方法。因此，為減小焊接變形，提高焊縫成型質(zhì)量，同時結(jié)合車體總組工序各大部件的組裝工藝特點，擬采用等離子焊接技術(shù)，實現(xiàn)密封焊接，同時提高車體商品化質(zhì)量。

1 試驗設(shè)備、材料與及方法

試驗采用PTW1500型等離子焊接設(shè)備，配以FANUC Robot M - 10iA機器人；使用的試驗材料選用不銹鋼車體制造用的SUS301L和SUS304奧氏體不銹鋼板材，2種材料均滿足JIS G 4305中規(guī)定的化學(xué)成分和力學(xué)性能要求。焊絲型號AWS A5.9 308LSi(φ1.0 mm)。

選取某地鐵車型4種典型密封焊接頭分別進行等離子焊接工藝試驗，并確定合適的焊接工藝參數(shù)[1,2]。采用不同板厚組合的350 mm×150 mm標準焊接試板，兩板相互搭接后沿長度方向進行焊接。不銹鋼搭接試板的形狀尺寸如圖1所示。不同材質(zhì)板厚組合的不銹鋼典型焊接接頭及接頭型式見表1。通過改變等離子電流以及焊接速度等參數(shù)來確定合適的焊接工藝參數(shù)。

表1 不同材質(zhì)板厚組合的不銹鋼典型焊接接頭及接頭型式

注：以“1+3”為例，表示1 mm厚板與3 mm厚板的搭接組合。

通過KEYENCE VHX - 1000E視頻顯微鏡、OLYMPUS - BX51M光學(xué)顯微鏡分析評價不同材質(zhì)及板厚組合接頭的焊接熔合性和接頭宏微觀組織形態(tài)，考核焊接質(zhì)量及焊接工藝參數(shù)合理性。采用島津AG - IC100KN電子萬能試驗機對等離子焊搭接接頭進行拉伸試驗。用JSM - 6360LV型電子掃描電鏡進行拉伸試樣的斷口分析。

本試驗考察不同材質(zhì)及板厚組合下不銹鋼等離子焊的搭接接頭的基本力學(xué)性能，力學(xué)性能試驗為搭接接頭拉剪強度試驗。等離子焊搭接接頭的剪切拉伸試驗參照JISZ3136:1999制備拉伸剪切試樣。為了防止拉伸剪切過程中試樣產(chǎn)生偏心現(xiàn)象，在上下兩板兩側(cè)各焊接墊板。等離子焊搭接接頭的剪切拉伸試樣形狀尺寸如圖2所示。

2 結(jié)果與分析

通過大量焊接工藝參數(shù)優(yōu)化試驗，可以獲得表面成型均勻、連續(xù)、美觀，無咬邊、無飛濺，填充完全并且宏觀焊縫截面無氣孔、無夾渣、沒有未熔合、未焊透、焊接裂紋等缺陷的焊縫。4種典型接頭優(yōu)化的等離子焊接工藝參數(shù)列于表2。

表2 車體典型接頭標準試板等離子焊接工藝參數(shù)

2.1 力學(xué)性能分析

由拉剪試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，本試驗各材料及板厚組合的等離子搭接接頭，其平均剪切載荷和最小剪切載荷均大大超過JIS E 4049標準規(guī)定值，滿足鐵道車輛用不銹鋼焊接接頭的技術(shù)條件。

表3 等離子搭接接頭拉剪試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

2.2 等離子焊接接頭宏微觀組織分析

觀察等離子焊縫宏觀斷面(圖3a～圖6a)可以看出，在本焊接工藝參數(shù)的范圍內(nèi)，焊縫與母材熔合良好， 沒有出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷。觀察接頭各區(qū)的宏微觀組織(圖3b，3c～圖6b，6c)，焊縫為柱狀晶組織，少量點狀的δ鐵素體晶粒在奧氏體晶界析出，奧氏體呈柱狀排列形式，為典型的焊縫顯微組織[3,4]；熔合區(qū)及HAZ過熱區(qū)組織呈不規(guī)則的塊狀奧氏體組織,經(jīng)焊接熱循環(huán)作用后在鄰近熔合線HAZ晶粒尺度有所增大,但不顯著,這是由于等離子焊接熱輸入量較小的緣故,可見工藝試驗所用焊接參數(shù)基本合適。

3 結(jié)論及建議

(1)4種典型接頭在分別確定的焊接工藝參數(shù)條件下，可以獲得表面成型良好、焊道均勻連續(xù)且沒有咬邊、氣孔、夾雜以及未熔合、未焊透等缺陷的焊縫。

(2)采用等離子焊焊接的4種典型搭接接頭，其拉剪強度滿足標準規(guī)定的要求。

(3)觀察焊縫宏觀斷面熔合性和接頭各區(qū)微觀組織，4種典型接頭的焊縫熔合良好，沒有發(fā)現(xiàn)因裝配間隙不均勻等因素而產(chǎn)生的未熔合、未焊透以及氣孔、夾雜等缺陷。焊縫為奧氏體柱狀晶，晶間析出少量點狀δ鐵素體晶粒；熱影響區(qū)因焊接熱輸入量較小沒有發(fā)現(xiàn)塊狀奧氏體晶粒異常長大現(xiàn)象。