軌道車輛不銹鋼焊接變形的氬弧矯平技術研究

孫宏宇

摘 要：不銹鋼城鐵車輛輕量化設計要求使車體表面材料厚度大多選擇1.5mm-2.0mm之間，但由于部件間梁、柱連接在薄板焊接區域，焊后形成復雜的焊接變形，而合同標準規定的整車制造技術條款有對平度等尺寸有著嚴格要求。本文提出了氬弧矯平技術，全面對氬弧加熱矯平技術在軌道車輛不銹鋼車體薄板變形中的成功應用實例及效果做詳細闡

關鍵詞： 軌道車輛 不銹鋼薄板 焊接變形 氬弧矯平

引言：

隨著城市軌道交通的快速發展，城鐵車迎來了黃金發展時期。隨著科技進步，車體鋼結構的制造材料也發生了很大的變化，鋁合金車體、不銹鋼車體得到廣泛應用，奧氏體不銹鋼材料由于耐腐蝕能力強，強度高被廣泛應用于軌道車輛車體鋼接構的生產制造。車體鋼結構表面進行裝飾主要采用兩種方式，一是涂裝噴漆、粘貼表面膜，二是利用材質本身耐腐蝕、抗氧化等特性不進行涂裝。不銹鋼車體在設計過程中充分考慮了景觀與使用效果，外表面多采用拉絲板，漂亮的外觀，低廉的擦臟等后期使用維護成本使不銹鋼車體免涂裝表面成為用戶的首選。而車體鋼結構制造過程中對外墻板、車頂板等外觀部件位置的平度有著很高的要求，變形與矯平既相互矛盾又相互存在，冷矯平錘展等工藝由于會在表面留下痕跡，因此不適用于以不銹鋼為主要材料制造的軌道車輛。熱矯平依托金屬局部受熱后所引起的變形區矯正原有的變形這一規律成為不銹鋼熱矯平的一個研究方向，通過對車體典型機組平臺焊接變形使用氧-乙炔火焰加熱矯平與氬弧低溫熱矯平技術對比，表明了氬弧低溫加熱作為一項全新工藝技術在軌道車輛不銹鋼薄板熱矯平方面廣闊的應用前景。

1.火焰加熱矯平分析

1.1火焰矯平原理

眾所周知，金屬材料有熱漲冷縮的特性，火焰矯正就是利用金屬局部加熱后所產生的塑性變形冷卻后抵消原有的變形從而達到矯正的目的。火焰矯正與焊接同樣會產生應力，不恰當的矯正產生的應力與焊接應力和負載應力疊加會產生更復雜的應力，從而對結構的承載能力產生不良影響。

1.2火焰加熱常用傳統方式

火焰加熱矯正常用的是氧-乙炔焰和霞普氣焰，氧-乙炔焰是由氧氣與乙炔混合燃燒所形成的火焰，通過調節氧氣閥門和乙炔閥門，可改變氧氣和乙炔的混合比例得到不同的溫度，霞普氣是近年來的一種溶解乙炔換代產品，主要成分為丙烯（CH3-CH=CH2）。霞普氣適用于切割、釬焊、加熱、變形矯正等多種作業。

1.3火焰加熱矯正對金屬組織的影響

軌道車輛行業在生產制造過程中廣泛使用了不銹鋼材料，在制造過程中會根據材料的變形進行調修矯正。但火焰調修影響不銹鋼材料的性能，特別是晶間腐蝕。通過對經過450°C-850°C熱處理的不銹鋼試樣進行晶間腐蝕試驗，結果表明加熱溫度越高，不銹鋼晶間腐蝕越大，特別是在650°C敏化溫度區停留時間過長，在晶間會形成貧鉻區，在受到外力作用時會沿晶粒方向脆斷，從而降低材料力學性能。不銹鋼車體機組平臺多采用1.5mm-2.0mm的奧氏體不銹鋼制成，但受車體連接焊接影響，這種大面積區域焊接常產生復雜的變形，而這種變形就需要采用點狀加熱矯正。霞普氣火焰在薄板1.5mm的板材上點狀加熱，加熱時間僅0.5秒，火焰加熱點直徑及熱影響區達到30mm，該區域溫度達到718°C，通過金相分析，母材晶粒粗大組織破壞影響嚴重，降低了材料的耐腐蝕性能和力學性能，生產過程中如大面積高溫加熱調修矯正，將降低整車設計使用壽命。

2.氬弧焊機功能轉變熱能輸出工作原理

2.1鎢極氬弧焊焊機點焊工作原理

針對不銹鋼車體結構薄板焊接區域產生的凸起、波浪等變形分析，點狀加熱矯平是非常好的一種方法。選擇合適的一種可控的薄板加熱溫度成為一個新的研究方向，不銹鋼薄板焊接常用鎢極氬弧焊，由于鎢極氬弧焊采用難熔的金屬鎢作為電極，采用含量為99.9%的純氬氣作為保護氣體，氬氣作為惰性氣體在燃燒過程中不與其它熔熔金屬發生化學反應，這樣燃燒的鎢極產生電弧和熱量就可以作為加熱熱源使用成為一種可能。通過研究將焊機本身焊接功能進行轉化，加熱溫度可由增加和減小焊接電流、焊接時間進行相應的控制，具備產生低溫（150°C-240°C）適用于不銹鋼薄板（1.5mm-2.0mm）的點狀加熱矯平所需最佳溫度。

2.2加熱溫度范圍及組織變化

通過對相同厚度為1.5mm、材質為SUS304的奧氏體不銹鋼進行加熱試驗，得出母材最小溫度為150°C，最高溫度為240°C，得出通過對焊接電流的增加，電弧輸出溫度明顯增強，加熱點直徑隨著溫度的增加而增加，通過3組實驗表明，當加熱電流分別為45A、55A、65A；加熱時間分別為1.5秒；母材的溫度分別為150°C、190°C、240°C，熱影響區直徑分別為5mm、7mm、9mm。通過檢測對比，晶粒組織力學性能沒有改變。

2.3生產過程中的應用實例對比

使用傳統氧-霞普氣對同一車型同一位置的加熱矯平效果對比，使用氧-霞普氣加熱矯平后，由于加熱溫度過高造成加熱點熱影響區范圍擴大，加熱點直徑過大，冷卻收縮后形成明顯凹痕平度超差達5mm，而使用氬弧焊可調節產生的熱量熱矯平后整體尺寸平度達到2米2mm，達到設計制造工藝標準要求。

2.4軌道車輛車體鋼結構其他位置的應用

由于通過調節焊接電流，改變輸出電弧熱量，達到調節加熱溫度的目標，控制適合點狀加熱的溫度。通過研究與應用，該方法不僅是用于開闊面積的薄板變形也同樣適用余狹長薄板1.5mm-2.0mm板厚波浪變形矯正如圖，可根據實際焊接區域變型大小與板厚進行隨機調整加熱溫度。根據變形區域與大小選取不同的加熱位置和加熱點密集度，達到熱矯平后直線度，平面度達到制造工藝標準要求。

3.結論

通過大量的對比試驗及在軌道車輛不銹鋼車體鋼結構生產中的成功應用，得出對于軌道車輛不銹鋼薄板焊接產生的不規則波浪變形，使用傳統氧-乙炔、火氧-霞普氣進行變形區域點狀加熱矯正反而適得其反，不但沒有達到加熱矯平的目的，反而由于加熱溫度過高，加熱面積過大造成母材產生更復雜的變形形成凹陷，母材材質本身力學、物理、化學性能下降，形成過燒，從而使材料的抗拉強度、疲勞強度下降，降低了車體的全使用壽命周期。而作為一項新工藝技術，利用氬弧焊機鎢極燃燒時產生的熱量對變形區域進行加熱，通過對加熱溫度和加熱時間的調整，達到了加熱溫度均勻一致的效果，較低的加熱溫度不會導致母材材質本身發生改變，適用于軌道車輛生產制造過程中復雜變形的熱矯正，此項技術填補了國內在這一領域的空白，依托焊機本身功能實現一機多用途完成焊接、熱矯平兩項工作。無需額外購置專門用于熱矯平的設備，無需設置專門調修場地，熱矯正效果良好，并可在石化、醫療衛生、食品炊具儲藏罐體等不銹鋼薄板焊接焊接制造領域進行推廣和應用。

參考文獻：

1. 王震激，等. 氣體保護焊工藝和設備[M]. 北京：國防工業出版社，1982

2. 王文翰，等. 焊接技術手冊[M]. 鄭州：河南科學技術出版社，2000