不銹鋼軌道車輛用電阻點焊設備的組成與應用

康麗齊 呂冬連 程國利

摘要：針對不銹鋼軌道車輛的材料的性能，適合采用電阻點焊技術進行焊接。分別從電阻點焊的工作原理、焊接設備的整體結構形式、焊接系統、走行系統、控制系統、焊接監測系統、潤滑系統、冷卻系統、焊鉗結構、點焊電極、設備焊接能力、設備的輔助裝置等方面分析了電阻點焊設備各系統的組成與應用，指出了生產不銹鋼軌道車輛用電阻點焊設備的基本組成、應用特點及要求。

關鍵詞：不銹鋼車輛;電阻點焊;設備;性能

中圖分類號：TG438.2 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）04-0053-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.10

0 ? ?前言

軌道交通的發展是解決城市交通擁堵的主要途徑，質量輕是城軌車輛選用的重要指標，不僅能夠大幅降低運營成本，還能提高牽引和制動部件的壽命。一臺B型不銹鋼材料車輛的車體鋼結構質量約為6 t，是同等長度的碳鋼材料車輛質量的2/3，且車輛表面無需油漆涂裝，車輛制造成本和后期維護保養成本也大為降低。不銹鋼材料采用電阻點焊工藝，焊接過程中無需填充焊接材料，沒有焊接煙塵，有利于保護環境。

中車長春軌道客車股份有限公司已制造了多個項目的不銹鋼車輛，使用材料為SUS301L系列高強不銹鋼。公司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，布置了一條不銹鋼材料車輛的焊接生產線，設備資產超過2 000萬美元。

1 SUS301L系列高強奧氏體不銹鋼材料性能和焊接工藝分析

SUS301L系列高強度奧氏體不銹鋼材料在軋制過程中，根據需要可獲得HT、MT、DLT、ST和LT五個強度等級，其化學成分完全相同，但機械性能完全不同[1]，機械性能如表1所示。產品不同部位采用不同等級的材料。金屬在長時間的高溫環境下（如電弧焊接），材料的拉伸強度會急速下降。采用電阻點焊，在短時間內完成焊接，能夠保證材料的機械性能。且必須采用較高的電極壓力，以防止產生氣孔、裂紋等缺陷，焊接時及時采用外部冷水進行冷卻，防止焊接變形。材料塑性好，能夠較好地完成拉彎成型。

近幾年，表面不涂裝的不銹鋼材質的車輛應用較為廣泛，電阻點焊焊點表面成形美觀，焊接變形小，焊后無需修磨焊點表面，避免了對不銹鋼金屬材料表面狀態的破壞，因此電阻點焊是不銹鋼軌道車輛的最佳焊接工藝之一。

2 不銹鋼軌道車輛用電阻點焊設備組成

用于不銹鋼軌道車輛的電阻點焊設備為大型的非標準設備，其結構復雜，根據產品結構特點和工作范圍需要單獨定制，成本高、工藝性強、制造周期長，一般為國外進口。設備由主體結構、焊接系統、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、設備軌道等部分組成。以焊接車頂部件的雙腿龍門結構設備為例，整體布局如圖1所示。

（1）主體結構。

主體結構采用有鋼性的框架結構，如圖1中件號1所示的雙腿龍門框架結構。龍門根據需要產品特點和生產場地工藝布局要求設計不同的結構。其重要功能是搭載設備各部件，如焊鉗，運行到需要焊接的產品位置。

框架龍門采用高強度鋼焊接組對完成，具有足夠的強度和剛性，能夠連續焊接16 h，龍門不發生結構變形。龍門腿端部設計有安全防碰撞裝置（見圖2），當龍門遇到障礙物時，防碰撞裝置先接觸到障礙物，將信息傳遞至控制系統，控制系統緊急控制龍門立即停止移動，防止龍門損壞。

龍門架上方根據需要搭載電阻電焊設備的各系統部件，如空氣壓縮機、空氣干燥器、冷卻機等柜式設施。在龍門架的上方設計有安全護欄，護欄高1.2 m，由圓鋼管結構焊接組成，保護設備和設備檢修人員的安全。龍門側面布置有爬梯，方便人員攀登到龍門上部。

（2）焊接系統。

焊接變壓器是電阻點焊設備焊接系統中的重要部件，重要功能是將電流通過被焊材料產生電阻熱，熔化金屬，完成焊接要求。焊接變壓器的性能決定設備的焊接能力。車頂部件的焊接設備（見圖1中件號2）采用中頻逆變的焊接變壓器，質量比交流焊接變壓器減輕70%，體積減少50%，尺寸小，布置在靠近焊鉗位置，可減少電流損耗，局部如圖3所示，將交流電經過增幅機形成高電流、低電壓后經過二極管轉換直流電，通過焊鉗進行焊接，電流控制精度不超過預設定的±3%;對于車頂焊接，焊接電源的容量130 kVA可滿足焊接需要，變壓器質量16 kg，輸入周波1 kHz，無負載2次電壓能夠達到9 V。

（3）走行系統。

走行系統包括設備龍門框架沿著車輛長度方向的移動（又稱作X軸方向移動）、多關節平衡器和焊鉗裝置在龍門架橫梁下部沿著車輛寬度方向的走行（又稱作Y軸方向移動）。

車頂部件長度約為20 m，一般采用產品固定不動、設備移動的焊接方式。在車輛長度方向，地面鋪設固定軌道（圖1中件號3），整個龍門框架由齒輪齒條電機驅動沿著軌道移動，兩個龍門腿下部各布置一套電機（圖1中件號4），左右電機同步控制，龍門走行速度控制在0～20 m/mim，采用逆變控制方式，實現無級調整啟動和停止動作，使設備行走更加柔和。對于手動操作的設備其軌道采用普通鐵路軌道。軌道安裝的平行度和水平度控制要求為≤1 mm/30 m。

為實現在各角度對產品進行焊接，在龍門框架上部橫梁的底部，沿車輛寬度方向布置了線性走行軌道（圖1中件號5）。多關節平衡器和焊鉗裝置沿著車輛寬度方向Y軸的走形控制方式與X軸方向移動相同。

（4）控制系統。

控制系統是電阻點焊設備的中樞系統。有2個重點部分——系統控制和焊接控制。

系統控制器（圖1中件號6）采用PLC機型的Q00系列的產品，輸入程序的控制方式，有自診斷功能、異常檢測功能、存儲數據的功能，存儲數據容量可達14 kbyte，處理各種功能、異常信息的能力速度可達1～2.3 μS/step。在設備龍門結構上布置有操作臺，操作臺上可顯示設備的開/關、異常停機等信息，在輸入盤上按鍵輸入焊接參數，焊接狀態的讀數就可在顯示操作盤上顯示。

對于焊接控制器，設定存儲256個焊接參數的能力，一般選用可靠性較好的德國博世的產品。通過焊接變壓器進行恒流控制，恒流精度達到±1.5%以內，可實現多級點焊功能（可進行3次通電）。對高強不銹鋼材料的焊接，采用多次通電的方式實現焊接要求。

（5）點焊監測系統[4]。

設備配有點焊監測系統（見圖4），通過焊機電極焊接參數輸出端配置的信號收集傳感器，傳遞到監測系統中進行分析，并顯示監測結果（見圖5），形成數據庫管理。在點焊監測系統中設置焊接電流、通電時間、電極壓力等參數的許可范圍，實際輸出參數一旦超出許可范圍，系統予以報警并停止焊接。操作者分析報警原因，解決問題后再進行焊接。

由于電阻點焊不能進行破壞性的檢查，監控焊接過程是非常重要的。

（6）冷卻系統。

電阻點焊采用大電流的焊接規范，較好的冷卻裝置可以保證10 000 A電流點焊的連續性。設備配有內部強制自循環冷卻系統，冷卻水流量35 L/min，冷卻系統配有過濾裝置，保證點焊作業連續進行。冷卻水循環過程為：冷卻器→焊接控制器→變壓器→焊槍→冷卻器。

（7）潤滑系統。

設備安裝有可靠的潤滑系統，如在設備橫向、縱向、高度方向移動的部件軌道均布置有自動潤滑單元裝置，該裝置能夠實現定時定量自動提供潤滑油脂，保證系統各運動部件的移動、旋轉等功能，增加設備的使用壽命。

（8）焊鉗及點焊電極。

焊鉗是焊接系統中直接執行焊接的關鍵設備，采用電機無級控制方式能夠繞直垂地面的軸進行-180°～+180°的旋轉，轉到任意角度，焊鉗均能實現自鎖功能。焊接車頂用焊鉗為C型焊鉗，其材料選用A5052型鋁合金材質，整體質量降低，便于平衡器對焊鉗的抓舉。C型焊鉗有喉深W和喉高H的尺寸要求，如圖7所示，W=600 mm，H=540 mm。

為了防止在焊接過程中焊鉗與工裝接觸，在焊鉗的鉗體上噴涂一層厚度2 mm的絕緣材料。

對手動控制的設備，焊鉗上方采用關節式氣動平衡器（見圖1中件號7）懸掛焊鉗。平衡器機構設定工作范圍半徑達到2 000 mm，可以持重的焊槍質量一般大于300 kg。使用平衡器，操作者對提升和下降300 kg的焊槍都能達到操作自如，且平衡器有自鎖功能，當提升或下降至任何一個位置，均能保持穩定停到指定位置，實現焊接。

設備焊接點焊電極，電流從電極的正極出來，通過工件，再流轉到電極的負極，形成一個焊接電流流轉回路，完成對工件的加熱、熔化、加壓，完成焊接。電極頭形式為R100 mm的球面形式。電極材質為CuCrZr，硬度≥160 HV，相對導電率≥70%[5]，其中Cr含量為0.4%～1.0%，Zr含量為0.02%～0.45%，增加Cr元素是為了增加電極硬度，能夠提高焊點成型質量。

3 生產應用及后期改進分析

按照功能系統的性能特點要求，完成車頂部件工序點焊設備的采購技術條件的編制、制造和設備驗收。從2005年生產不銹鋼軌道車輛開始使用這些焊接設備，車輛現場運行良好。

焊鉗平衡器的旋轉臂，設計加長形式，目的是增加設備在寬度方向的可達范圍，對寬度3.2 m的車輛也能實現點焊操作。旋轉臂在空間±360°旋轉的工作范圍，設計相同范圍，對設備安裝無需特定方向，以提高設備的適用性。在平衡器與焊鉗之間增加快速換鉗機構，便于后期對設備進行改造，通過更換不同規格的焊鉗代替設備整體采購，降低成本。

對焊接控制器，存儲焊接參數的能力還需增強，可以存儲不同車輛的焊接參數。對焊接加壓力的控制方式，目前大部分采用氣動方式控制，存在調整壓力范圍不精確問題，后期可以研究伺服電機控制方式，實現無級調整，目前已應用于汽車行業，在軌道車輛行業還未得到廣泛開發應用。

4 結論

（1）生產不銹鋼軌道車輛的電阻點焊設備是非標準化的大型設備，其工藝性強。針對不同點焊的產品結構特點，設備的技術性能和焊接能力差別大，需要針對圖紙結構特點分析研究設備的性能特點和工作范圍。

（2）生產不銹鋼軌道車輛的電阻點焊設備價格高、結構復雜，為確保設備的性能，生產過程中對設備的定期保養非常重要。

參考文獻：

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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，2014，45（2）：56-59.

收稿日期：2021-04-09

作者簡介：康麗齊（1971—），女，學士，教授級高工，主要從事不銹鋼、碳鋼車輛車體鋼結構焊接工藝技術的研究。E-mail：kangliqi@cc car.com.cn。