點焊技術(shù)在不銹鋼軌道客車生產(chǎn)中的應(yīng)用

程國利 程 鵬 馬 超

(中車長春軌道客車股份有限公司資產(chǎn)能源部，130062，長春//第一作者，教授級高級工程師)

我國早期的地鐵客車生產(chǎn)中，普遍采用碳鋼作為車體材料，如北京地鐵1號線和2號線等。進入到21世紀后，我國軌道客車制造企業(yè)開始探索采用不銹鋼作為車體材料。不銹鋼車體具有外型美觀、抗腐蝕性強、強度大、車下布線便利等優(yōu)點，同時，不銹鋼車體由于采用點焊技術(shù)，焊點成型好，外表不需要采用油漆涂層，且生產(chǎn)加工過程中環(huán)境污染少。

本文主要介紹中車長春軌道客車股份有限公司(以下簡稱“長客公司”)在軌道不銹鋼客車生產(chǎn)過程中點焊技術(shù)的應(yīng)用情況。

1 點焊設(shè)備

1.1 技術(shù)論證

在不銹鋼點焊設(shè)備技術(shù)方案論證階段，長客公司在設(shè)備設(shè)計、先進性和可靠性方面進行了充分的論證，主要選取在國內(nèi)外已開始使用，且使用狀況優(yōu)良的技術(shù)方案。同時，還包括操作人員的使用習(xí)慣及車輛結(jié)構(gòu)特點，如操作過程的是否合理簡單，人機界面是否有完整的中文菜單等方面的論證。技術(shù)方案要求包括：① 采用經(jīng)過多年使用的、成熟的設(shè)計方案；② 采用操作簡單的遙控控制方式；③ 設(shè)備元器件和結(jié)構(gòu)具備先進性和適應(yīng)性；④ 滿足單面雙點和雙面單點焊接要求。

1.2 技術(shù)指標

在點焊設(shè)備的選型中，主要注意以下技術(shù)指標要求：

(1)為使電流輸出更穩(wěn)定，達到良好的焊接品質(zhì)，變壓器應(yīng)盡量靠近電流輸出的焊接電極。盡可能選取小型化、輕量化的變壓器，并安裝在焊鉗上，使之既能使焊鉗輕量化，又可減小平衡器的負載，并可提高焊鉗的可操作性，減少操作工的勞動強度。

(2)變頻控制裝置應(yīng)具備穩(wěn)定的性能，強大的輸出能力。

(3)在設(shè)計時需充分考慮設(shè)備的剛性要素，使設(shè)計出的設(shè)備能夠長年正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

(4)變頻電源應(yīng)可以快速達到所設(shè)定的電流，且可以恒流輸出控制，以保證焊接質(zhì)量的品質(zhì)與可靠。

(5)操作盒推薦采用觸摸屏形式，可分別設(shè)置操作盒和焊接條件盒，以避免焊接條件輸入錯誤，且適合現(xiàn)場操作人員的使用習(xí)慣。

2 單面雙點焊接

2.1 性能優(yōu)缺點

2.1.1 優(yōu)點

(1)從單側(cè)可以進行焊接，可以通過在單側(cè)配置加壓裝置和電極極性焊接。

(2)二次回路小，可以節(jié)省能耗。如果在大焊接材料的中心附近有焊點的情況，直接點焊需要很長的喉深，而采用單面雙點焊接則因二次回路很小可以進行焊接[1]。

2.1.2 缺點

(1)被焊接板材的上表面會產(chǎn)生無效分流，如果只通過增大電流的方式來控制分流，會造成壓痕變深，易產(chǎn)生飛濺和電極壽命縮短的情況。

(2)焊點偏移大，因為單面雙點同時產(chǎn)生兩個焊點，所以偏移會以平方的數(shù)增大。

(3)當被焊接板材為3層板、兩層厚板、上層厚板，以及焊接材料為鋁合金時，不能進行焊接。

2.2 焊點間距對焊接質(zhì)量的影響

在焊接通電初期，被焊接板材溫度較低，電阻很小，此時產(chǎn)生的無效分流非常大。隨著通電持續(xù)進行，無效分流會對板材進行加熱，電阻變大，無效分流逐步減小[2]。另外，特別是當焊點間隔小于板厚的20倍時，無效分流非常不穩(wěn)定，有時會變得非常大，導(dǎo)致焊點強度顯著下降。

近年來，隨著單面雙點焊接雙向通電法(交流)的開發(fā)及使用，顯著改善了單向通電法(直流)的不足。改善主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)可以很好地控制并保證兩個焊點的成形及焊接品質(zhì)相同；

(2)有效控制了焊核偏移所帶來的焊接品質(zhì)缺陷；

(3)延長了電極的使用壽命，并很好地控制了因電極原因帶來的焊接缺陷；

(4)通過雙向電流通電方式可以很好地抑制兩個電極之間的飛濺產(chǎn)生，保證了焊接質(zhì)量；

(5)通過大功率交流電源使單面雙點焊接方式用于3層板或厚板焊接成為可能。

3 交流變頻電源

3.1 直流變頻電源缺點

(1)在不使用銅臺電極的情況下，直流變頻焊接為單向通電，焊核受到正負極的影響而造成焊核偏移(極性效應(yīng))。極性效應(yīng)導(dǎo)致左右焊核大小不一致、成形位置不一致，左右焊點的焊接質(zhì)量不同(見圖1)。

圖1 直流變頻焊接的焊核不一致

(2)直流變頻焊接時，電流會從已經(jīng)焊完的焊點進行分流，造成左右兩個焊點電阻及電流不一樣，導(dǎo)致焊核大小也不相同，嚴重情況下會有一側(cè)焊點焊不上去。這種直流變頻焊接特有現(xiàn)象并不是每次施焊時都會發(fā)生，是不規(guī)律的，所以控制起來非常困難。

(3)進行單面雙點焊接時，被焊工件成為導(dǎo)體，產(chǎn)生分流現(xiàn)象，而分流是造成焊接飛濺的原因之一。與交流變頻相比，直流變頻為單向電流，其焊接產(chǎn)生的飛濺一般為單個電極(見圖2)，即產(chǎn)生分流電極，會導(dǎo)致兩個焊核不同。

圖2 直流變頻焊接單電極飛濺

(4)由于直流變頻焊接為單向通電，導(dǎo)致正負兩個電極的損耗情況不一致(正電極損耗快)。當電極頭表面狀態(tài)不一致時，導(dǎo)致左右焊點出現(xiàn)偏差，造成焊接質(zhì)量下降。

3.2 交流變頻電源優(yōu)點

(1)交流變頻電源在啟動時，恒流精度和焊核穩(wěn)定區(qū)域等都與直流變頻電源有相同的特性。

(2)交流變頻焊接不受極性效應(yīng)影響，不會出現(xiàn)焊核偏移的情況。

(3)交流變頻焊接可以使兩個電極保持相同的狀態(tài)，兩個電極會相互抑制飛濺現(xiàn)象，所以兩個焊點是一致的(見圖3)。

(4)雖然交流變頻電源在焊接時焊接電流也會從工件表面進行分流，但交流變頻控制器以其精細的電流控制、縝密的焊接時間、多種通電控制模式等優(yōu)點改善了直流變頻電源焊接的不足之處[3]。

圖3 交流變頻焊接焊核一致

長客公司在軌道不銹鋼客車底架焊接時，考慮到板材較厚，采用直流變頻電源單面雙點焊接無法保證焊接質(zhì)量，故采用交流變頻電源單面雙點焊接方式施焊。

4 焊接精度

長客公司的不銹鋼點焊設(shè)備中，無論是自動設(shè)備還是手動設(shè)備，都具備激光打點位置識別功能。即在焊鉗接近電極的部位追加激光標示器，通過兩個激光標示器發(fā)出的激光束交叉點來確定打點位置。激光標示器的激光束位置可調(diào)整，以滿足更換電極后，打點位置偏離后的校準，這給確認程序及示教帶來了方便。同時，自動焊接時也可以使用此功能來減少工人操作強度，增加工作效率。

5 結(jié)語

交流變頻雙點焊接技術(shù)繼承了直流變頻焊接技術(shù)焊接電流穩(wěn)定和焊接高效的優(yōu)點；改變了從兩側(cè)焊接的傳統(tǒng)焊接工藝，采用單側(cè)焊接，簡化了焊接工裝程序，提高了焊接效率；解決了直流變頻焊接工藝中焊核偏移的缺陷，提高了焊接質(zhì)量；提高了較厚鋼板的焊接質(zhì)量。