客车空调螺柱电弧式螺柱焊的实验研究

黄海滨 ， 刘建春 ， 柯晓龙 ， 林晓晖

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024；2.精密驱动与传动福建省高校重点实验室，福建厦门361024）

0 引言

电弧螺柱焊的应用始于1936年,最开始出现在造船业上。螺柱焊接技术由于具有快速、可靠、操作简单和成本低等优点［1-2］，目前在西方发达国家的应用已经相对成熟，螺柱的焊接大约有80%以上是通过电容式和电弧式螺柱焊机完成的。

近年来，随着我国经济水平的快速、稳定提升，电弧式螺柱焊接技术涉及的领域也日益广泛，国内许多机构和学者对各种应用领域的螺柱焊技术进行了大量研究。王克鸿［3］利用散型磁场使得电弧沿螺柱壁旋转的原理,提出了空心螺柱旋弧焊接新工艺，针对外径12 mm、壁厚3 mm的空心螺柱，实现了螺柱焊电弧绕螺柱四周壁的均匀旋转，接头强度可保持在330～390 MPa 区间；池强［4］研制开发了一种步进式电弧螺柱焊枪及其控制系统，提出螺柱低速送进的同时提供足够的挤压力可以实现电弧螺柱焊接，并通过弯曲试验表明螺柱焊接头能满足使用要求；葛佳棋［5］对Q235钢螺柱和6061铝合金进行钎焊，利用光学显微镜、扫描电镜、能谱分析等表征方法，对接头的组织、成分和相组成等进行了分析，力学性能测试表明,接头的抗剪强度最大为65 MPa；黄志林［6］通过对0.7 mm板厚低碳钢选用相应的材料进行支撑后进行定位焊接，解决了焊接过程中热量过多导致的焊接缺陷问题，并保证了螺柱位置精度；刘振国［7］提出焊接前对工件各表面进行自动寻位检测，焊接过程中对螺柱位置进行修正，并添加了自动补偿功能以防止出现断弧或虚焊缺陷；刘志颖［8］通过螺柱焊技术在660 kW风力发电机组地锚焊接过程中大量的生产实践，总结了螺柱焊易出现的缺欠和缺陷，对焊接接头产生偏焊的原因进行了分析，提出了预防偏焊、改善焊缝质量的措施；耿雪霏［9］在汽车制造过程中，对厚度为0.8～2.0 mm的汽车顶棚和大隔板采用短周期拉弧式螺柱焊，解决其焊接强度和效率问题。

本文提出一种针对客车空调紧固件——螺栓的电弧式螺柱焊接方式，研究客车空调螺栓电弧式螺柱焊的焊接机理，通过电弧式螺柱焊的机械拉伸实验，观察焊接接头的外观形貌和焊接质量，以求满足缩短客车顶盖整体焊接工作节拍，提高焊接质量，提升客车运行的安全性和可靠性。

1 螺柱焊枪机构设计

国内客车厂家在客车空调的焊接方式上普遍采用传统的螺栓预埋工艺，如图1、图2所示，该方式由于实现上需要诸如槽钢钻孔、攻丝、螺栓预埋与焊接、蒙皮补焊等多道繁琐的工艺过程，从而使客车顶盖整体焊装生产节拍较长，且所采用的CO2气体保护焊接方式焊接表面质量差，焊缝不均匀，密封性差，最终导致客车顶盖平整度不佳。

图1 空调螺栓预埋外观

图2 顶盖蒙皮与空调螺栓手工弧焊外观

为了提高生产节拍和焊接质量，本文针对客车空调固定螺栓的焊接，提出使用电弧式螺柱焊方式替代原有的螺栓预埋气体保护焊方式，设计了可以自行更换螺柱的螺柱焊枪，其总体结构如图3所示。

图3 螺柱焊枪机构

所设计的公交车车顶空调螺柱焊接装置包括了电磁机构、引弧提升机构、复位弹簧机构、自动送料机构以及夹具等，焊枪设计中采用电磁铁的原理，通过动铁心将螺柱提升引弧，断电后在弹簧的恢复力的作用下送入熔池。其中，自动送料机构的设计依据左轮手枪换弹原理，和夹具搭配使用，一次可以装夹6根螺柱，完成1只螺柱焊接后，通过手动拨动转轮，调节至下一只螺柱进行焊接，可大大减少螺柱装夹时间，提高焊接工作效率。

2 搭建螺柱焊实验平台

为了进行螺柱穿透焊，验证实际焊接效果，搭建了客车空调螺柱焊接实验平台，图4所示为焊接平台的硬件示意图。

在完成螺柱焊实验平台的硬件搭建后，按照如下步骤进行螺柱穿透焊实验：

1）为了适应客车空调的运行环境要求，焊接实验所选择的螺柱直径为φ10 mm，为8.8级高强度螺柱，其抗拉强度为640 N/mm2；

图4 螺柱焊实验平台示意图

2）依据经验公式，焊接电流I＝焊接面直径×110 A，焊接时间 t＝I×0．04 ms，由此设置焊机的焊接电流为900 A，焊接时间为60 ms；

3）利用焊接工作台的夹具将1.2 mm厚的Q235A蒙皮样板和3 mm厚的骨架样件（A3钢槽型折弯件）搭接稳固，骨架与蒙皮样件接触面的不平整度应小于1 mm；

4）使用螺柱焊枪（带陶瓷套圈的拉弧螺柱焊方式）将M10的螺柱穿透蒙皮样板焊在槽型折弯骨架样件上。

焊接实验的主要技术参数如表1所示。

表1 焊接实验的主要技术参数

使用螺柱焊机（带陶瓷套圈的拉弧螺柱焊方式）将M10的螺柱穿透Q235A（1.2 mm）的板焊在A3钢槽型折弯件（3 mm），图5所示为试件焊接完成后的外观照片。

由图5（a）可以看出，螺柱与蒙皮的焊缝区域存在轻微飞溅现象，但整体外观质量较好。由图5（b）螺柱焊实验完成后骨架背面的外观可以看出，螺柱穿透了蒙皮，较好地焊接在骨架上。

3 螺柱拉伸实验

空调螺柱在客车运行过程中，受到轴向力和径向力的双重作用，为了保证行驶安全，螺柱在抗拉强度和抗剪切强度上都有一定的质量要求，其中抗剪切强度取决于螺柱材料强度，而螺柱焊接后的抗拉强度则取决于螺柱焊缝的抗拉强度和螺柱本身的抗拉强度，如果螺柱焊缝的抗拉强度大于螺柱本身抗拉强度，则认为螺柱焊接质量是好的。为了验证螺柱焊接的质量，搭建了螺柱焊接实验平台，并按照国标GB/T2651-2008/ISO4136：2001中规定的焊接接头拉伸试验方法，使用万能试验机进行螺柱拉伸试验。

图5 客车空调螺柱焊外观

在万能材料试验机上进行拉伸试验时，所设定拉力F 的计算公式为 F=π×d2σb/4。式中，d为螺柱直径，σb为螺柱的抗拉强度。由公式计算可得，拉力F为50240 N。

利用工装夹具将螺柱和骨架试件一上一下分别装夹，设定拉力值F=50 kN，使用万能试验机进行螺柱拉伸试验，将焊接的螺柱沿着轴向力方向拔直至断裂，图6所示为螺柱焊拉伸试验的螺柱断面外观图。

由图6中螺柱断面外观形貌可见，经过足够的变形后，螺柱或母材在焊缝区域以外断裂，表明焊接质量较好。

4 结论

图6 螺柱焊拉伸试验断面外观图

1）针对客车空调固定螺栓的焊接，使用电弧式螺柱焊方式替代原有的螺栓预埋气体保护焊方式，设计了可以自行更换螺柱的螺柱焊枪，完成了三维CAD图纸的绘制。

2）完成螺柱焊实验平台的硬件搭建后，使用直径为10 mm的螺柱，进行电弧式螺柱焊的实验，依据经验公式设定焊接电流为900A，焊接时间为60ms时，完成了客车空调螺柱的焊接成型。

3）用万能试验机进行螺柱拉伸试验，通过螺柱断面外观形貌观察，验证了螺柱穿透焊的焊接质量。

［1］ Chambers H A.Principles and Practices of Stud Welding［J］.PCI Journal，2001，46（5）：46-59.

［2］ Clay N，Ramasamy S.Design-of-Experiments Study to Examine the Effect of Different Factors onDrawn Arc Stud Welding［J］.Journal of Materials Processing& Manufacturing Science，2001，9（4）：251-261.

［3］ 王克鸿，张德库，郑石雄，等.空心螺柱旋弧焊接方法［J］.焊接学报，2008，29（12）：101-103，108.

［4］ 池强，张建勋，付继飞，等.电弧螺柱焊中实现螺柱的低速送进［J］.焊接学报，2005，26（5）：23-26.

［5］ 葛佳棋，蒋勇，王克鸿，等.包覆钎料铝-钢螺柱焊接头组织及性能［J］.焊接学报，2012，33（7）：97-100.

［6］ 黄志林，张亮.一种有效改善薄板螺柱焊焊接质量及精度的方式［J］.电焊机，2013，43（7）：99-102.

［7］ 刘振国，金武飞，雷霆，等.不锈钢高压开关柜机器人螺柱焊应用［J］.电焊机，2012，42（12）：56-58.

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