表面不涂裝不銹鋼車體點焊試驗技術研究

康麗齊梁　辰魏　良彭長偉邵有發(fā)王　香楊春茹

（1.中車長春軌道客車股份有限公司工程技術部，130062，長春；2.長春中車車輛有限公司，130062，長春∥第一作者教授級高級工程師）

隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，業(yè)主對軌道交通車輛的新穎性等需求也在不斷提高，車輛壽命及環(huán)保要求等問題越來越引起業(yè)主的關注，因此，采用高強奧氏體不銹鋼材料作為車體材料已成為業(yè)主的首選。

中車長春軌道客車股份公司目前生產多種不銹鋼軌道交通車輛，所用材料為SUS301L系列高強奧氏體不銹鋼，且車輛外表面不進行油漆涂裝。車體焊接設備是從國外引進的，焊接工藝為電阻點焊。電阻點焊具有生產效率高、自動化程度高、生產過程無煙塵等優(yōu)點，焊接外觀成型美觀，特別適用于表面不涂裝的不銹鋼車輛生產。對于SUS301L不銹鋼車體，在電阻點焊前需要進行焊接試驗，以確定合理的焊接參數。

1　試驗方法

1.1　試驗材料及要求

試驗材料選用北京地鐵5號線不銹鋼車輛項目中側墻合成工序的側墻下墻板與側墻補強板，側墻下墻板材料為1.5 mm厚SUS301L-DLT（簡稱1.5 DLT）［1］，補強板材料為1.0 mm 厚SUS301L-ST（簡稱1.0 ST）［1］，接頭形式為以上兩種材料的搭接點焊。

要求接頭最小拉伸剪切力為6.74 kN［2］，焊核直徑D大于4.2 mm［2］，凹坑深度在1.0 ST材料面不超過0.1 mm［2］，在1.5 DLT材料面不超過0.15 mm。在滿足焊點拉剪力的條件下，外側板表面凹痕深度越小，外觀整體效果越好。

SUS301L不銹鋼板在軋制過程中，通過控制壓延率，可以獲得5種強度等級的材料，強度等級分別為 HT、MT、DLT、ST、LT。SUS301L 系列不銹鋼的化學成分及ST、DLT級不銹鋼機械性能分別見表1和表 2［4-5］。

1.2　試驗及檢測設備

試驗設備選用從國外引進的上下直桿型電極點焊設備。焊接設備采用單面單點通電方式時，兩個電極分別為正極和負極，最大容量為150 kVA，電極對工件的最大加壓力為1.2 t，采用氣動加壓方式（該設備自帶空壓機）。點焊電極頭形式為半徑R=100 mm的球面，電極直徑φ=16 mm。

檢測設備和工具主要有拉剪試驗機（最大拉剪力3 t）、帶三角支架的百分表及游標卡尺等。

表1　SUS301L不銹鋼化學成分

表2　SUS301L-DLT不銹鋼機械性能

1.3　試驗步驟

在點焊試驗前，將試驗材料雙側表面擦拭干凈，特別是銹、油等影響導電的外部介質，需采用酒精進行擦拭。對點焊試樣需要分別進行凹坑檢測試驗、鑿鏟試驗、拉剪試驗和金相試驗。

鑿鏟試驗的試件搭接焊方式如圖1所示，其中F2是鑿鏟施加外力。按照圖2方式焊接試件，然后進行拉伸試驗和宏觀金相試驗。圖2中100 mm標注是拉伸機上下夾頭夾持工件的尺寸。兩個試件焊接時的搭接量為40 mm，F1是拉伸加載外力。

用圖1的點焊方式焊接5組試件，進行鑿鏟試驗。試件編號分別是1-1至1-5。用圖2的點焊方式焊接10組試件，其中5組進行拉伸試驗，試件編號分別是1-6至1-10；另外5組進行宏觀金相試驗，試件編號分別是1-11至1-15。這15組試驗在進行破壞性試驗前先進行100%的外觀檢測和表面凹坑試驗。試驗采用統(tǒng)一的點焊參數（見表3）。

1.4　試驗內容

1.4.1外觀和凹坑深度檢測

圖1　點焊鑿鏟試驗方式

圖2　試件點焊方式

對所有點焊完成的式樣進行外觀檢測，通過肉眼檢查焊點是否存在表面裂紋。用凹痕測量機對焊點中心位置處的凹痕深度進行測量，測量結果表明，試樣兩面的凹坑深度均在0.055～0.090 mm范圍內。在外觀檢測和凹坑深度檢測均符合要求的條件下，進行拉伸、金相、鑿除等破壞性試驗。

1.4.2鑿開試驗

按照圖1的點焊方式，將試件1和試件2的板邊一端對齊后，在試件中心位置進行點焊。對齊端夾緊在臺式虎鉗上，夾緊位置是板邊。將鑿鏟放置在試件1和試件2之間，用外力按照圖1中F2的方向對鑿鏟施加外力。將2個試件鑿開后，用游標卡尺測量焊核直徑，測量結果見表4。試驗結果表明，試件兩表面的凹坑深度尺寸符合要求。

表4　點焊鑿鏟試驗焊核直徑

1.4.3拉伸試驗

拉伸試驗要求在室溫下進行。將試件在拉剪試驗機上夾緊，試驗時拉力要勻速緩慢增加，直到點焊試件拉斷為止，得出最大的拉伸剪切力（見表5）。拉伸加力方式如圖2中F1所示。

1.4.4斷面試驗

表5　點焊試件拉伸剪切力

斷面測試在與試件焊點位置垂直的斷面上進行。首先采用機械加工方法，在焊點中心位置對斷面進行研磨與腐蝕，然后用金相顯微鏡檢測焊核的直徑，以及裂紋、縮孔等內部缺陷情況［3］。焊核直徑，見表6，其中編號1-11和1-12試件的金相圖如圖3所示。

表6　點焊金相試驗焊核直徑

圖3　點焊試件宏觀金相圖

2　試驗結果與討論

在拉伸剪切試驗中，表5中的的焊核直徑尺寸符合標準要求。在宏觀金相試驗中，表6中的焊核直徑尺寸符合標準要求。圖3中的金相圖顯示，試件熔合良好，熔核符合要求，沒有縮孔等缺陷，母材的熱影響區(qū)狀態(tài)良好。

SUS301L不銹鋼具有較低的熱導率（是碳鋼的1/3），因此，一般的熔化極氣體保護電弧焊（MIG）和熔化極活性氣體保護電弧焊（MAG）會導致較大的焊接變形，特別是對表面不涂裝的不銹鋼車輛，這種變形是業(yè)主不可接受的;采用點焊，則可以解決低熱導率材料焊接變形的問題。對奧氏體不銹鋼薄板的點焊，采用中等偏硬的焊接規(guī)范，可以滿足焊接性能要求。

3　結論

通過對點焊試件的系列破壞性試驗，驗證了所設焊接參數的正確性，并得到以下結論：

（1）對于采用表面不涂裝SUS301L系列不銹鋼材料的車體，電阻點焊是適合的焊接工藝。

（2）在點焊焊接前，需要通過一系列的破壞性試驗，如凹坑檢測、鑿開試驗、拉伸試驗、宏觀金相試驗等，驗證焊接參數的正確性，然后再開始電阻點焊施工作業(yè)。

（3）對于SUS301L系列不銹鋼薄板的點焊作業(yè)，應采用中等偏硬的焊接規(guī)范，以保證接頭外觀、焊核尺寸及力學性能達到標準要求。

［1］日本標準協(xié)會.鐵道車輛用不銹鋼板焊接接頭設計方法：JIS E 4049—1990［S］.東京：日本標準協(xié)會，1991.

［2］日本標準協(xié)會.點焊作業(yè)標準（日本企業(yè)標準）：YC-IH—2002［S］.東京：日本標準協(xié)會，2002.

［3］日本標準協(xié)會.點焊接頭斷面試驗方法：JIS Z 3139—1978［S］.東京：日本標準協(xié)會，1978.

［4］康麗齊，于菲.電阻點焊電極頭形式對高強不銹鋼焊點強度影響的試驗研究［J］.工程機械，2014（2）：56.

［5］日本標準協(xié)會.不銹鋼車輛用冷軋不銹鋼板技術條件（日本企業(yè)標準）：YC-IH—2001［S］.東京：日本標準協(xié)會，2001.

［6］日本標準協(xié)會.電阻點焊及凸焊焊接接頭剪切試驗的試驗片尺寸及試驗方法：JIS Z 3136—1999［S］.東京：日本標準協(xié)會，1999.

［7］康麗齊.電阻點焊工藝在高強奧氏體不銹鋼車輛的應用研究［J］.黑龍江科技信息，2015（11）：7.

［8］葉結和,李振江.軌道車輛不銹鋼電阻點焊工藝試驗［J］.電焊機，2015，45（1）：137.