不銹鋼軌道車輛電阻點焊設備焊接性能檢驗技術研究*

康麗齊 孫志鵬 呂冬連 邵有發 張雪峰 牛 闖 高 雅

(中車長春軌道客車股份有限公司工程技術中心,130062,長春//第一作者,正高級工程師)

采用奧氏體高強度不銹鋼作為軌道車輛的基本結構材料，既能保證車體強度要求，又可以用較薄的不銹鋼板取代相同強度較厚的碳鋼板，從而使整車重大幅降低。不銹鋼車輛外表面基本不進行油漆涂裝，僅在部分位置粘貼彩色貼膜。對車體鋼結構外表面的弧焊工藝的焊縫成形對車輛美觀性影響較大。電阻點焊外觀呈均勻圓形印記，比較美觀，得到業主的接受。

1 軌道車輛高強奧氏體不銹鋼材料的焊接性能

軌道車輛采用的高強度奧氏體不銹鋼材料，具有良好的變形能力和抗腐蝕能力，其抗腐蝕能力是普通碳鋼的100倍以上，并可通過形變硬化提高其材料的強度，經過冷軋加工后，其強度可成倍增長。在軌道車輛中，選用5種不同強度等級的SUS301L系列不銹鋼[1]，應用于車體不同部位，可實現對車輛強度的需求。該不銹鋼材料的熱傳導性差，弧焊后焊接變形亦較大。特別是采用薄板的不銹鋼車輛，弧焊的焊接變形控制難度相對更大；而電阻點焊采用的是大電極壓力、大焊接電流、短焊接時間的焊接，焊接變形非常小，因此可將其應用在不銹鋼材質車輛的焊接中。

2 電阻點焊設備的性能特點

中車長春軌道客車股份有限公司制造了多個項目的不銹鋼車輛，使用的材料均為SUS301L系列高強不銹鋼，同時從國外引進了多套不同結構形式、不同性能特點、不同能力的電阻點焊設備焊接不銹鋼車輛。一條不銹鋼車輛焊接生產線的點焊設備，資產超過2 000萬美金。點焊設備復雜、成本高、工藝性能強，主要由主體鋼結構、焊接電源、控制系統、走行系統、焊接監測系統、潤滑系統、冷卻系統、焊鉗結構、點焊電極、設備軌道等組成。設備制造完成后，對走形功能、機械操作功能、工藝焊接范圍進行驗證，重點對焊接性能進行驗證，經驗證合格的點焊設備才能用于軌道車輛的焊接生產。

3 電阻點焊設備的焊接性能檢驗方法

3.1 焊接前試件的準備要求

焊接前，將影響點焊設備焊接性能造成錯誤判斷的外界因素均排除。對焊接試件的要求是：①選用材料是SUS301L系列的不銹鋼；②材料的化學成分和機械性能符合JIS E 4049—1990《鐵道車輛用不銹鋼板焊接接頭設計方法》的要求[2]。

所有搭接焊接位置的不銹鋼材料的接觸面位置以及與電極接觸面位置均要擦拭干凈，不能有銹和油脂等影響焊接導電的物質。采用酒精或丙酮進行擦拭。

3.2 電阻點焊焊接性能檢驗分析

使用電阻點焊設備焊接試件的檢驗分為單件試件的焊接檢驗和焊接試件連續焊接檢驗兩種。

按照AF級(最高級)的標準對單件試件的焊接進行檢驗。要求對焊接試樣進行外觀檢測、斷面試驗檢測、拉伸試驗檢測、凹痕深度檢測試驗[1]等。其中，外觀試驗為20組，斷面試驗為10組，拉伸剪切試驗為10組，凹痕深度檢測試驗為10組[3]。

連續焊接試驗檢驗試件，焊接后，采用剪床剪切成單個試樣，連續焊接22點，將第1點和最后1點去除，不作為檢驗試件。隨機選用其中10組做拉伸剪切試驗檢驗，其余10組做金相試驗檢驗。

3.2.1 單件試件的焊接檢驗

3.2.1.1 焊接試件制作

采用沖壓剪切下料方式，加工不銹鋼焊接試驗片。采用SUS301L-HT材料，厚度為3 mm和2 mm，搭接有2種方式。方式1：采用3 mm HT+3 mm HT的搭接方式(見圖1)，搭接量為40 mm。方式2：采用3 mm HT+2 mm HT+2 mm HT的搭接方式(見圖2)，搭接量為40 mm。其中，3 mm HT試樣長度為150 mm，寬度為50 mm；2 mm HT試樣長度為125 mm，寬度為40 mm[4]。采用方式1和方式2各焊接20組。

圖1 3 mm HT+3 mm HT焊接

圖2 3 mm HT+2 mm HT+2 mm HT焊接

3.2.1.2 焊接試件檢驗及檢驗標準

針對2種方式焊接完成后的試樣，隨機各選出10組進行外觀檢測；試樣外觀檢測合格的條件下，進行凹痕深度檢測試驗；深度檢測合格后，才可以進行剪切試驗和金相試驗的破壞性試驗。

外觀檢測的標準是目測焊點是否有裂紋，壓痕四周的圓形壓印是否均勻。圖3所示的焊接壓痕不均勻，即屬于不合格的焊接外觀成型。

圖3 壓痕不合格的焊接外觀成型

采用凹痕檢測儀進行凹痕深度檢測(見圖4)。凹痕檢測儀安裝在基座上。基座有3個基準支撐，中心開通孔，安裝凹痕檢測儀?；?個基準點放置在焊點外側，調整檢測儀數值歸零，平移基座，移到焊點位置，上下左右移動基座，將凹痕檢測儀的中心觸點移到焊點中心位置，測量凹痕檢測儀上的數值，即焊點凹痕深度。凹痕深度是指焊點中心位置的壓痕中心與焊點四周位置板表面的高度差，即圖5[5]所示的h。

圖4 凹痕深度檢測圖

圖5 凹痕深度

凹痕試驗檢測標準是：h的最大值不超過檢測面材質厚度的10%[3]。如檢測材料面厚度為2 mm，則h的最大值不大于0.2 mm。

采用方式1和方式2各完成20組焊接試件，隨機各選取10組進行剪切試驗。剪切試驗于室溫條件下，在5 t拉伸機上進行。試樣上下端夾持在拉伸機的上下夾頭中，要求垂直夾持，才能保證拉伸剪切力的準確性。對于圖1中2層板的搭接方式，最小拉伸剪切力要大于47.9 kN[6]；對于圖2中3層板的搭接方式，最小拉伸剪切力要大于47.9 kN[7]。

在上述20組焊接試樣的拉伸試驗的拉伸力均符合要求的前提下，對其余各10組焊接試樣進行金相試驗。圖1所示2層板搭接的焊接試樣中，D≥9.1 mm[6]時試樣合格。圖2所示3層板點焊方式的熔核直徑，見圖6所示的D1和D2，其中D1≥6.8 mm，D2≥6.8 mm[6]。當氣孔缺陷位于2 mm HT板與3 mm HT板接觸面位置時，熔核缺陷氣孔的長度總和L<0.25D2，即L<1.7 mm；當氣孔缺陷在2 mm HT板與2 mm HT板接觸面位置時，L<0.25D1，即L<1.7 mm。

圖6 3層板焊接試樣的熔核直徑

3.2.2 連續試件的焊接檢驗

在單件焊接試樣進行的外觀檢測、凹痕深度檢測、剪切試驗和金相試驗均符合要求的前提下，對連續焊接試樣進行焊接性能檢測。連續焊接試樣和單件焊接試樣的焊接參數均相同，整個焊接過程焊接參數不能改變。特別要求連續焊接試樣的焊接頻率，不能高于點焊設備的設計點焊頻率。原因是點焊設備在設計時，采用氣缸加壓方式為點焊電極施加壓力，焊接頻率過快，會導致空氣壓縮機不能及時為氣缸補充壓縮氣體，使得電極作用在焊接過程中的壓力不足，影響焊接性能。焊接檢驗不合格的焊接試樣，將不能判斷是設備問題還是焊接參數問題。

3.2.2.1 焊接試件制作

采用沖壓剪切下料方式，加工不銹鋼焊接試驗片。采用SUS301L-HT材料，厚度為3 mm，長度和寬度分別為1 000 mm和150 mm。采用如圖1所示的方式1進行搭接，即3 mm HT+3 mm HT的搭接方式，連續焊接20點。焊接形式見圖7。其中，10點進行拉伸試驗，另外10點進行金相試驗。焊接后采用剪床將焊接試樣進行切割，切割位置見圖7。采用風動角向磨光機對切割斷面的毛刺進行打磨，保證在拉伸試驗過程中，試樣夾持在拉伸機夾頭位置，且能夠牢固夾持。

圖7 連續焊接試件

3.2.2.2 焊接試件檢驗及檢驗標準

針對切割完成的編號為2—21組焊接試樣，在室溫條件下，完全自然冷卻后，用清水清洗干凈。隨機抽取10組進行拉伸試驗，另外10組進行金相試驗。

拉伸試驗和金相試驗的試驗方法和檢驗標準參考本文3.2.1.2節單個試驗中方式1焊接試件的焊接方式和檢驗方式。

4 焊接試驗結果分析

40組單個試樣和20組連續焊接試樣焊接完成后，檢查外觀未出現裂紋，焊點壓痕四周均勻且呈圓形。凹痕深度檢測結果顯示，凹痕深度均在0.10～0.15 mm之間，符合標準要求。

采用單件焊接方式1的10組焊接試樣、方式2的10組焊接試樣及10組連續焊接試樣進行拉伸剪切試驗，剪切力均在50.1～53.2 kN之間，符合標準要求。

采用單件焊接方式1的10組焊接試樣、10組連續焊接試樣進行金相試驗。結果顯示，熔核直徑均在9.3～9.7 mm之間；采用方式2的10組焊接試樣熔核直徑均在7.0～7.3 mm之間；兩種方式下的焊接試樣均無焊接氣孔缺陷，符合標準要求。

按照上述試樣焊接和試驗標準的要求，完成從日本、韓國、意大利、德國等多個國家進口的點焊設備焊接性能的檢驗，并將檢驗合格后的設備應用在不銹鋼車輛焊接中。采用2005年起國際上生產不銹鋼軌道車輛時使用的點焊設備完成焊接的車輛，目前在現場運行情況良好，未出現任何開焊等質量缺陷。

5 結論

1) 采用新安裝或更新的焊接電源的電阻點焊設備完成其機械性能、電器性能、工藝性能檢測合格后，需要對設備的焊接性能進行試樣的焊接以及一系列檢測。只有外觀檢測、宏觀金相檢測、拉伸剪切檢測都合格的條件下，才可將設備應用于產品焊接中。

2) 焊接試樣檢驗分單個試樣檢驗和連續試樣檢驗，兩種檢驗方式均需進行拉伸剪切試驗和金相試驗。試樣焊接及試驗過程簡單、用料少、成本低，對保證采用焊接設備完成產品焊接起到有效作用。