軌道車輛不銹鋼車體電阻點焊缺陷產生及預防工藝

劉永剛，韓曉輝，馬明菊，王素環(huán)

(南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266031)

軌道車輛不銹鋼車體電阻點焊缺陷產生及預防工藝

劉永剛，韓曉輝，馬明菊，王素環(huán)

(南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266031)

結合生產實際情況，介紹了不銹鋼電阻點焊基本原理、冷作硬化不銹鋼板電阻點焊的工藝特性、軌道車輛不銹鋼車體電阻點焊常見缺陷類型，如：焊核直徑不符合要求、縮孔、飛濺、未熔合、熔透率不達標、過燒、焊點外觀不良等。分析缺陷產生的原因并制定預防措施，如焊接電流、電極壓力、通電時間、工件裝配及電極形狀材質等影響因素。通過相應的工藝手段，提升焊點質量，保障產品的焊接和商品化質量。

點焊；不銹鋼；缺欠；預防

0 前言

隨著焊接技術的不斷發(fā)展，電阻點焊以其熱量集中，焊接變形小、操作簡單易于實現(xiàn)機械化、自動化生產率高、無填充金屬成本低、勞動環(huán)境潔凈環(huán)保等優(yōu)點得到了日益廣泛的應用，尤其在軌道車輛不銹鋼車體上的應用，據(jù)統(tǒng)計平均每輛車體有2萬多個焊點。但在電阻點焊質量控制方面，目前尚無有效的無損檢測方法，因此優(yōu)化不銹鋼電阻點焊工藝，預防焊點缺陷產生，對保證軌道車輛不銹鋼車體的焊接質量尤為重要。

結合生產實際、電阻點焊原理以及車體用冷作硬化不銹鋼材料的焊接工藝特點，對不銹鋼電阻點焊的缺陷類型進行總結，分析產生原因并提出預防措施，為不銹鋼點焊的應用提供參考。

1 電阻點焊原理

電阻點焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間，利用電流流經工件接觸面和鄰近區(qū)域產生的電阻熱效應將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，進行焊接的一種方法。

(1)焊接熱的產生和影響產熱的因素。

點焊時產生的熱量

式中 Q為產生的熱量(單位：J)；I為焊接電流(單位：A)；R為電極間電阻(單位：Ω)；t為焊接時間(單位：s)。

(2)電阻R及其影響因素。

電極間電阻包括工件本身電阻Rw、兩工件間接觸電阻Rc、電極與工作間接觸電阻Rcw，如圖1所示。

圖1 點焊時的電阻分布

點焊時的電阻

2 冷作硬化不銹鋼板電阻點焊工藝特點

軌道車輛不銹鋼車體材料為0.8～4.0 mm的冷作硬化奧氏體不銹鋼薄板，這種材料較普通的碳鋼材料有強度高、硬度大、電阻率高、導熱性差以及線膨脹系數(shù)大的焊接冶金特點[1]。因此點焊時產熱易而散熱難，焊點容易產生未熔合、縮孔、飛濺等焊接缺陷。因此為保證冷作硬化不銹鋼板的點焊質量，需結合該種材料的點焊工藝特點，采用較小的焊接電流、較多的脈沖通電次數(shù)、較長的焊接時間和較大的電極壓力進行點焊。

3 不銹鋼電阻點焊缺陷的產生原因和預防措施

點焊接頭的外部和內部缺陷是評定點焊質量的重要指標。電阻點焊的缺陷大致有以下幾種：焊核直徑不符合要求、縮孔、飛濺、未熔合、電極壓痕過深、過燒、熔透率不符合要求、外觀不良等。

3.1 焊核直徑不符合要求

焊核直徑大小是衡量焊點強度最重要的指標，按照JIS Z 4305標準要求[2-3]，不同板厚組合的不銹鋼點焊接頭有不同的直徑要求。焊核直徑偏小會導致焊點強度不足，主要產生原因是焊接電流偏小或者通電時間不足；焊核直徑超出標準值過多，焊點變形較大，而且會影響焊點的疲勞強度，主要原因是焊接參數(shù)偏大[4-5]。建議焊點直徑為標準值。不銹鋼點焊焊核直徑要求如表1所示。

3.2 縮孔

縮孔是冷作硬化不銹鋼板點焊最常見的焊接缺陷之一。車體用不銹鋼材料為冷作硬化不銹鋼板，材料表面的硬度很高，收縮率很大，若電極壓力不足，焊核液態(tài)金屬由外向內凝固時，縮孔處得不到有效的擠壓從而形成縮孔，可以通過加大電極壓力、增加焊后保壓時間來解決。縮孔形態(tài)如圖2所示。

表1 不銹鋼點焊焊核直徑要求

圖2 縮孔

3.3 飛濺

焊接飛濺也是冷作硬化不銹鋼板點焊最常見的焊接缺陷之一。飛濺形式表現(xiàn)為表面飛濺和內部飛濺，會影響焊點的外觀和質量。電流過大、焊接時間過長、電極壓力過小、工件間間隙過大、焊點距工件邊距過小、工件表面清理不徹底均可能導致飛濺。圖3為焊點表面和內部飛濺示意圖。生產過程中連續(xù)產生三個焊點飛濺，須立即停止焊接，分析飛濺原因進行點焊試驗合格后方可繼續(xù)生產。

圖3 飛濺

在實際生產中發(fā)生飛濺的原因主要有：

(1)工件間隙過大。不銹鋼點焊工件一般為薄板折彎、壓型件，工件折彎數(shù)量較多時，應優(yōu)先保證點焊位置的尺寸，確保工件配合密貼。在焊接剛性較弱、焊點較多的工件時，應采用合理的點焊順序，比如由中心向四周、間隔數(shù)個的跳躍方式點焊。

(2)工件表面清理不徹底。工件下料時在工件表面會殘留油污、鐵屑等雜質，在點焊前必須清除干凈，保證工件間、工件與電極接觸面清潔。在焊接過程中及時觀察電極接觸面狀態(tài)，電極帽或電極前端有明顯磨損或雜質時，應及時更換電極帽或研磨整形。

(3)工件壓力過小。隨著點焊設備的使用，氣缸等部件狀態(tài)會逐漸產生變化，在出現(xiàn)頻繁飛濺時，在排除其他因素后，利用壓力計、電流計驗證設備。

(4)焊點距工件邊距過小。手動點焊設備出現(xiàn)該現(xiàn)象多數(shù)是操作人員焊接手法問題，應提升操作人員的操作能力、責任心。如果是自動點焊設備出現(xiàn)問題，應及時檢查工件位置、工裝和自動焊接程序。

3.4 未熔合

未熔合是對點焊接頭強度影響最為嚴重的缺陷之一，直接影響點焊接頭強度，尤其是疲勞強度。通常未熔合是由于熱輸入量不足造成，可通過加大焊接電流、電極壓力或焊接時間加以改善。未熔合形態(tài)如圖4所示。

3.5 熔透率不達標

熔透率是判斷焊點質量是否合格的重要指標，過高或過低都會影響接頭強度和外觀質量。JIS Z 3140中指出，焊核的熔透率應為20%～80%[6]。圖5為熔透率過高的焊核宏觀照片。影響熔透率的因素較多，重要的有電流、焊接時間、電極壓力、電極材料、電極形狀等，電流、焊接時間、電極壓力過大時易造成熔透率過大，電流、焊接時間、電極壓力過小時易造成熔透率過小。上下電極材料不一致同樣易造成熔透率過大，圖5中焊核焊接時上、下電極的材料分別為鎢銅和鉻銅，鎢銅硬度高、散熱慢，導致與上電極接觸的母材側熔透率過大。

圖4 未熔合

圖5 熔透率過大

在實際生產中解決熔透率問題的方法主要有：

(1)設計產品時應盡量滿足不銹鋼工件的最大厚度比，根據(jù)實際經驗，不銹鋼的最大厚度比為：板厚總和／外側薄板厚度小于等于5。

(2)采取一定的工藝措施，如改變電極前端形狀、更換電極材質等。

3.6 過燒

過燒后的焊點狀態(tài)如圖6所示，表面有鉻碳化物沉積，影響無涂裝不銹鋼車體的商品化質量。過燒通常由于焊接時間太長、焊后冷卻時間過短造成。應檢查點焊設備的冷卻水循環(huán)、保護氣體流量是否正常，或對焊接參數(shù)進行優(yōu)化，盡量采用氬氣保護。

圖6 焊點過燒

3.7 焊點外觀不良

常見的焊點外觀不良表現(xiàn)為焊點形狀橢圓、月牙形狀凸起、壓痕過深等，如圖7所示。

圖7 外形橢圓及月牙形凸起

(1)形狀橢圓。主要原因為電極與工件接觸面磨損，應及時更換電極帽或研磨電極。

(2)月牙形凸起。主要原因為電極與工件不垂直或兩電極不同軸，應改變點焊機的焊接角度或調整兩電極的同軸度。

(3)焊點壓痕過深。主要原因是焊接參數(shù)不匹配，電極壓力過大導致。對于無涂裝要求的城軌不銹鋼車體，一般要求材料上的電極壓痕一定不要深于可見表面板材厚度的10%。

4 結論

(1)通過分析軌道車輛不銹鋼車體用材料的點焊特性，統(tǒng)計現(xiàn)車體生產中出現(xiàn)的點焊質量問題，分析產生原因并提出預防措施，對不銹鋼點焊缺陷的預防和質量提高有一定參考價值。

(2)實際生產中影響焊點質量的因素眾多，如供電環(huán)境、點焊設備穩(wěn)定性。應做好焊前點檢、日常點焊工藝試驗、焊接過程控制和焊后檢驗工作。

[1] JIS Z 4305-2005，冷扎不銹鋼板及鋼帶[S].

[2]謝 堅.電阻點焊研究發(fā)展(上)[J].電焊機，1994，24(1)：1-8.

[3]周 嵐，於建偉，曹 靜.電阻點焊質量監(jiān)控技術的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].電焊機，2008，38(12)：37-40.

[4]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊·材料的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[5]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[6] JIS Z 3140-1969，點焊焊接區(qū)的檢驗方法[S].

Study on production and prevention of defects in resistance spot welding for stainless steel carbody of rail vehicle

LIU Yong-gang，HAN Xiao-hui，MA Ming-ju，WANG Su-huan
(Sifang Locomotive＆Rolling Stock Ltd.，CSR，Qingdao 266031，China)

In this paper，it were introduced the basic principles and process characteristics of resistance spot welding for the rolling stainless steel plate according to the actual production.The welding defects were emphatically introduced，such as：the weld nugget diameter no meeting the standard，shrinkage，welding spatter，lack of fusion，the lacking penetration rate，over-burning，bad appearance.Causes for the defects were analyzed and preventive measures were taked，such as the following influencing factors：welding current，electrode force，welding time，the workpiece assembly，electrode shape and material，and etc.The commercial quality of stainless steel car body has improved through technology means to enhance the quality of solder joint.

spot welding；stainless steel；imperfection；prevent

TG453+.9

B

1001-2303(2012)04-0097-03

2012-01-17

劉永剛(1979—)，男，山東青島人，工程師，學士，主要從事軌道車輛焊接工藝的研究工作。