電阻點焊熔核檢測標準對比及分析

王大臣 劉曉琴 逯連文 王亭

摘要：以不銹鋼軌道車輛電阻點焊熔核檢測為例，分析了軌道車輛制造行業電阻點焊常用的JIS E 4048、EN15085、以及某項目指定使用的美國航空航天用電阻焊接規范AWS D17.2/D17.2M：2013對電阻點焊熔核尺寸的相關要求，并通過實例對比分析焊接缺陷及熔核厚度。結果表明，美國AWS標準明顯較其他標準要求更加嚴格。

關鍵詞：軌道車輛;電阻點焊;熔核檢測;點焊標準

0 前言

伴隨著國內軌道車輛的國際化進程，不銹鋼軌道車輛成功進入香港、巴西、美國等國際市場，且不銹鋼車輛占出口城市軌道車輛的70%以上，雖然傳統不銹鋼軌道車輛的部分點焊結構被激光焊替代，但是現階段電阻點焊仍是不銹鋼軌道車輛制造最主要的焊接工藝。由于電阻點焊的熔核在密閉空間內形成，焊接質量無法通過常規焊接檢測方法實現，因此一般通過點焊工藝參數驗證和開工前的設備狀態驗證來間接進行電阻點焊的質量控制[1-3]。

目前國內軌道車輛的電阻點焊質量標準主要來源于兩個方面，一是開發出整體承重輕量化不銹鋼車體的日本，國內20世紀90年代從日本引進不銹鋼車輛的同時采用了電阻點焊質量標準，以JIS E 4048為主要代表;二是提出并倡導成為國際通用的軌道車輛和車輛部件的焊接認證體系的歐洲焊接質量標準體系，即目前軌道交通行業的EN15085標準體系。EN15085質量標準體系對焊接企業資質、人員管理和質量管理等方面的要求比較詳細。然而，在以客戶為主的市場下需以合同中要求的執行標準為依據，如美國某不銹鋼地鐵項目指定AWS D17.2/D17.2M：2013為電阻點焊標準，因此文中將以不銹鋼點焊執行AWS標準過程中與EN15085和JIS4048的電阻點焊標準進行分析比較。

1 標準體系介紹

日本鐵路車輛客車車體點焊焊接結構設計標準是2008年修訂的JIS E 4048-2008，該標準規定了點焊的焊點距離、焊點邊距等設計準則以及拉伸強度和點焊熔核尺寸要求，而在JIS Z3139中僅給出了點焊熔核熔透率的定義和表面裂紋及內部縮孔尺寸的建議，未給出明確的質量標準[4-5]。

歐洲鐵路點焊標準體系主要來源于德國鐵路聯盟的DIN6700標準，并于2007年升級為歐盟統一標準EN15085，是目前軌道客車行業應用最微廣泛的標準，全球大部分軌道客車制造企業和地鐵公司采購車輛均以此標準為依據。EN15085-3對點焊拉伸強度、允許的焊接缺陷進行了規定[6]。

美國沒有關于軌道車輛行業的點焊標準，某項目合同要求不銹鋼車輛制造過程中執行AWS D17.2/D17.2M：2013標準，該標準是美國航天應用的電阻點焊執行標準，詳細規定了點焊拉伸強度、點焊熔核尺寸，以及缺陷允許的范圍及位置等詳細細節[7]。

為研究美國AWS D17.2/D17.2M標準與日本和歐洲鐵路車輛標準中關于斷面檢測方面的具體要求和差異，文中通過在標準執行過程中的一些例子進行詳細分析。

2 斷面檢測及標準分析

對于電阻點焊的斷面檢測，JIS E 4048、EN15085、AWS D17.2/D17.2M三個標準體系的檢測內容不盡相同，內容上主要分為熔核尺寸檢測、熔核熔透率檢測、熔核缺陷檢測，為統一檢測標準，分別對三個標準體系下的焊縫等級進行對應：JIS E4048的B級、EN15085的CP C2和AWS D17.2/D17.2M的B級。

熔核斷面檢測的點焊實驗材料是2 mm+2 mm軌道車輛用SUS301L-DHT不銹鋼，焊接設備采用日本NASTOA逆變恒流控制點焊機，點焊電極采用R100鉻鋯銅弧面電極。點焊試件焊接完成后使用線切割沿焊點直徑切割后制備金相試件，并使用萊卡M125體視顯微鏡測量熔核尺寸。

2.1 熔核尺寸檢測

熔核尺寸是衡量點焊試件是否合格的最重要指標，EN15085-3的表F.4、AWS D17.2/D17.2M標準中表格1給出各板厚組合的點焊熔核最小尺寸，JIS E 4048中要求點焊熔核直徑執行，熔合尺寸對比如圖1所示。

熔核尺寸標準對比如表1所示，可以看出，JIS E 4048標準對熔核尺寸的要求最為嚴格，EN15085和AWS D17.2/D17.2M標準對熔核尺寸的要求相同。

2.2 熔核熔透率檢測

點焊熔核熔透率是指熔核厚度占實驗材料板厚的百分比。在相同點焊熔核尺寸下，當熔核熔透率過小時點焊拉伸強度降低，當點焊熔核熔透率過大時點焊拉伸強度也降低，同時點焊的疲勞強度降低，因此熔核熔透率也是點焊質量的一個重要指標[8]。

在日本軌道車輛標準JIS E 4048中對點焊熔核熔透率未做明確說明，但在其引用的JIS Z 4140中規定熔核最大熔透率應大于20%;歐洲標準EN15085-3的表F.2中規定CP C2級點焊熔核最大熔透率為30%～90%;美國AWS D17.2/D17.2M標準4.7條中規定B級點焊的熔核直徑80%范圍內為20%～90%，但與日本和歐洲標準要求不同的是，AWS D17.2/D17.2M標準采用實驗板材點焊后除去凹坑的板材厚度，熔核下層熔透率=D/（T2-t2），如圖2所示。

點焊熔核熔透率對比如圖3所示，對應標準對比如表2所示。可以看出，JIS E 4048和EN15085標準在只要求最大熔透比的情況下極易得到合格的點焊熔核，而AWS D17.2/D17.2M標準有兩方面要求比較嚴格，一是在計算熔透率時需考慮點焊凹坑的尺寸，如試樣A中按照JIS E 4048和EN15085標準計算熔透率為1.243/1.5×100%=82.9%，熔核合格，按照AWS D17.2/D17.2M標準計算時熔透率為1.243/（1.5-0.121）×100%=90.1%，熔核不合格;另外一個方面是JIS E 4048和EN15085標準只要求了熔核最大熔透率，而AWS D17.2/D17.2M標準要求了在80%熔核直徑范圍內的最大和最小熔透率，如試樣B中下層熔核的熔透率最小為17.2%，最大為49.4%，按照JIS E 4048和EN15085標準熔核合格，但按照AWS D17.2/D17.2M標準熔核不合格。由此可以看出，在熔透率方面AWS D17.2/D17.2M標準要求要比另外兩種標準嚴格。

2.3 熔核缺陷檢測

電阻點焊過程中易出現未熔合、飛濺、縮孔及裂紋等缺陷，不銹鋼點焊試件的缺陷以縮孔和未熔合為主，在本文提到的三個標準體系中都不允許未熔合缺陷存在，對于縮孔缺陷的要求則差別很大：JIS E 4048標準中未體現熔核缺陷的要求，在其引用標準JIS Z 3139中提出不超過熔核尺寸的20%的建議值;EN15085中提出縮孔和夾雜尺寸不能超過點焊熔核尺寸的50%;AWS D17.2/D17.2M標準中提出內部缺陷不允許超過熔核直徑的15%，并且規定了熔核缺陷允許存在的區域，超出此區域的視為不合格，具體如圖4所示。

點焊熔核缺陷尺寸及位置對比如圖5所示，相應標準對比如表3所示。由圖5、表3可知，從缺陷尺寸標準要求看AWS D17.2/D17.2M標準要求最高，EN15085標準要求最低;JIS E 4048和EN15085標準對缺陷位置沒有要求，AWS D17.2/D17.2M標準要求比較嚴格，如試樣C雖然缺陷尺寸較小但由于超出缺陷允許位置所以不合格，由于點焊缺陷多出現在熔核厚度的中心線上，板厚較大的點焊試件的缺陷多數在標準允許范圍外，為不合格試件。

3 結論

（1）JIS E 4048和EN15085標準同為軌道車輛點焊標準，在熔核尺寸方面JIS E 4048要求稍高，在熔透率方面EN15085標準要求稍高，熔核缺陷尺寸方面JIS E 4048標準更為嚴格。

（2）AWS D17.2/D17.2M作為航空點焊標準，方面要求均高于JIS E 4048和EN15085標準，尤其在點焊熔核缺陷尺寸及允許出現的位置方面要求最為嚴格，板厚較大的點焊試件只要出現缺陷基本為不合格試件。

參考文獻：

[1] 趙熹華，馮吉才. 壓焊方法及設備[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

[2] 郭猛，張勇，王亭，等. 外加磁場對軌道車輛不銹鋼點焊組織性能的影響[J]. 焊接，2019（8）：61-64.

[3] 劉慶祝，王洪瀟，趙國新. 激光搭接焊工藝與電阻點焊工藝在軌道車輛不銹鋼車體中的對比分析[J]. 電焊機，2018，48（10）：44-47.

[4] JIS E 4048-2008，鐵路車輛—客車的車體結構—點焊接頭的設計方法[S]. 2008.

[5] JIS Z 3139-1978，點焊接頭端面試驗方法[S]. 1978.

[6] EN 15085-3-2007（C），鐵路的應用-鐵路車輛及其部件的焊接[S]. 2007.

[7] AWS D17.2/D17.2M：2013，航空航天用電阻焊接規范[S].

[8] Qiuyue Fan，Guocheng Xu，Ting Wang. The influence ofelectrode tip radius on dynamic resistance in spot welding[J]. The International Journal of Advanced ManufacturingTechnology，2018（95）：3899-3904.