轨道车辆不锈钢气体保护拉弧螺柱焊

叶结和

轨道车辆不锈钢气体保护拉弧螺柱焊

叶结和

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

介绍电弧螺柱焊焊接方法的分类及焊接工艺原理，阐述气体保护拉弧螺柱焊在轨道车辆不锈钢材料上的应用。采用BMK-12W电弧式螺柱焊机进行工艺试验，焊后根据相关标准进行外观检验、弯曲试验和宏观检验。结果表明，气体保护拉弧螺柱焊技术在轨道车辆不锈钢材料的应用良好，能够获得优质的焊接接头。

轨道车辆；不锈钢；气体保护拉弧螺柱焊

0　前言

电弧螺柱焊（Arc stud welding）是将一端与板件（或管件）表面接触，通电引弧、待接触面熔化后，给螺柱一定压力完成焊接的方法。电弧螺柱焊是焊接紧固件的一种快速连接方法。与普通电弧焊相比，电弧螺柱焊熔合区小、结晶速度快，其生产效率和薄板连接是普通电弧焊无法达到的[1]。按工件位置的要求，可进行平焊、立焊或仰焊[2]。

电弧螺柱焊用圆柱头焊钉适用高层钢骨结构建筑、工业厂房建筑、公路、铁路、桥梁、塔架、汽车、能源、交通设施建筑、机场、车站、电站、管道支架、起重机械及其他钢结构等。

1　电弧螺柱焊分类

根据引弧方法的性质，可分为拉弧螺柱焊和尖端引弧螺柱焊。每种方法均需要有适当的电源、启动装置、螺柱和附件（如瓷环）。螺柱焊的特点是极短的电弧燃烧时间（大约0.5～3 000 ms）和伴随的快速受热与冷却。通常情况下，尖端引弧螺柱焊的螺柱直径可以达到10 mm，拉弧螺柱焊的螺柱直径可达到25 mm。

1.1拉弧螺柱焊（DS）

拉弧螺柱焊可通过运用焊枪机械或自动进行操作。将螺柱装入夹头放置在工件上（如有必要可配置适当规格的瓷环）。焊接开始时，通过机械装置提升螺柱，通常情况下首先在螺柱凸台和工件之间产生引弧，然后产生主弧，从而使螺柱凸台向工件渗透并导致螺柱和工件的熔合，当焊接时间消逝，螺柱通过一种较小的压力（小于100 N）熔入熔池。然后关闭电源，去除瓷环。

拉弧螺柱焊方法最早应用于造船领域[3]，随着工业技术的不断发展，此项技术已经广泛应用于建筑、钢结构、汽车制造、桥梁、炉窑保温层挂件、锅炉、变压器等行业[4-5]。

不同的工作范围、不同焊接时间和不同的电弧、熔池保护方式都有与其相适应的螺柱焊接设备。拉弧螺柱焊一般分为三种方法：带瓷环保护或气体保护的拉弧螺柱焊（783）；短周期拉弧螺柱焊（784）；电容放电拉弧螺柱焊（785）。

1.2电容放电尖端引燃螺柱焊

电容放电尖端引燃螺柱焊有两种焊接方式：接触式和间隙式。

（1）接触式焊接。将螺柱插入夹头中，并将凸台直接定位在工件表面。通过焊枪中的弹簧将螺柱压至金属工件表面。当接通电容器电源时，凸台突然放电且部分汽化，从而产生电弧。螺柱不断地向金属板推进并且最终熔化凝固。焊接时间小于等于3 ms。

（2）间隙式焊接工艺与上述描述方法的区别：在焊接开始之前，螺柱被提升至离工件规定且可调节的距离处。

轨道车辆常用的电弧螺柱焊方法是带瓷环保护或气体保护的拉弧螺柱焊（783），在此介绍气体保护拉弧螺柱焊方法。

2　不锈钢材料气体保护拉弧螺柱焊工艺试验

2.1试验条件及方法

2.1.1焊机选择

焊接选用SOYER公司BMK-12W电弧式螺柱焊机。可焊接不锈钢及耐热钢，可焊接螺柱尺寸为M3～M12；φ2～11 mm，采用PH-3N焊枪。其技术参数如表1所示。

表1　BMK-12W螺柱焊机技术参数

2.1.2试验材料选择

试验采用轨道车辆常用板材3mm X2CrNiN18-7（EN 10088-2 1.4318）冷轧不锈钢板。交货状态为2B切边，晶间腐蚀完好。化学成分见表2，力学性能见表3。

表2　X2CrNiN18-7不锈钢化学成分％

表3　X2CrNiN18-7不锈钢力学性能

选用A2-70不锈钢螺柱螺柱，螺柱直径M10。化学成分如表4所示。

表4　A2-70螺柱化学成分％

2.1.3接头设计及工艺参数

焊接接头采用全焊透的T形对接接头。焊接位置采用轨道车辆产品焊接的最典型位置——横焊位置（PC）。螺柱焊接头设计示意如图1所示。

图1　螺柱焊接头设计

在设备调试、摸索工艺参数的基础上，选取如表5所示工艺参数，采用高纯氩气保护（ISO14175 I1）。准备12个以上的螺柱，12个螺柱在相同的工况条件和工艺参数下进行焊接，焊后全部进行外观检验，10个进行60°弯曲试验，2个加工后进行宏观检验（偏移螺柱中心位置90°）。

表5　螺柱焊工艺参数

2.2试验和结果分析

2.2.1焊缝成形与外观检验

对气体保护的拉弧螺柱焊接，根据其应用的适当情况，外观检验用于评估以下方面：焊缝的形状及尺寸的均衡性；焊接后螺柱的位置、长度和角度。

合格的外观螺柱焊接头示意如图2所示。焊后通过外观检验，焊缝余高规则，光洁和完整。过渡平缓，没有产生焊接裂纹、烧穿、气孔、咬边、焊瘤、等缺陷。焊后长度在公差允许范围内。

图2　螺柱焊接头合格外观示意

2.2.2弯曲试验

弯曲试验是通过对选定焊接参数进行大致检查的一种简单弯曲检验方式。在实验过程中，以一种非限定的方式对焊接螺柱进行弯曲。弯曲试验如图3所示。

图3　弯曲试验示意

使用气体保护的拉弧螺柱焊接，要求螺柱弯曲达到60°。

为防止焊接试验的偶然性，确保焊接试验的可靠性，选取10个螺柱进行焊接，焊接后按图3方式进行弯曲，弯曲结果如图4所示，所有弯曲试验均无断裂现象。

2.2.3宏观检验

宏观试验主要是检验成形后螺柱的形状和高度。实验评定是通过一个最大放大倍数为10倍的设备进行检测。任何焊接的断裂表面的焊接不完整均不得超过螺柱直径的20％。直径少于0.5 mm的气孔可以忽略不计。

图4　螺柱焊弯曲试验结果

宏观检验如图5所示。焊接接头熔合区过渡良好，熔合线明显，没有明显焊接缺陷。

图5　宏观检验图片

3　结论

采用BMK-12W电弧式螺柱焊机进行气体保护拉弧螺柱焊方法焊接的不锈钢焊接接头成形良好，无明显外观缺陷。焊后采用60°弯曲试验无断裂现象，接头质量稳定。宏观检验无明细焊接缺陷，其接头符合ISO 14555标准的相关要求。气体保护拉弧螺柱焊方法能够满足轨道车辆不锈钢的焊接要求。

[1]亢书生，王伟.电弧螺柱焊及其在轿车生产中的应用[J].电焊机，2000，40（5）：30-32.

[2]柳咏枝.螺柱焊焊接工艺[J].焊接技术，2002，30（4）：20-21.

[3]Singleton R C.The growth of stud welding[J].Welding Engineering，1963，48（7）：27-31.

[4]ChambersHarryA.Principlesandpracticesof stud welding[J]. PCI Journal，2001，46（5）：46-58.

[5]Ramasamy Siva.Drawn arc aluminumstud welding for automotive applications[J].Aluminum，2002，54（8）：44-46.

Drawn arc stud welding with shielding gas for stainless steel of rail vehicle

YE Jiehe
（CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

This paper introduced the classification and operational principle of arc stud welding，and stated application of drawn arc stud welding with shielding gas in stainless steel material of rail vehicles.The process experiment was carried out with BMK-12W arc stud welding machine，after welding，visual testing，bending testing and macroscopic examination were carried out according to the related standards.The test results showed that drawn arc stud welding with shielding gas has been a good application in stainless steel material of rail vehicles and obtained high quality welded joint.

rail vehicle；stainless steel；drawn arc stud welding with shielding gas

TG453+.3

B

1001－2303（2016）01－0074-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.17

2014－08－05；

2015－05－13

叶结和（1979—），男，安徽望江人，高级工程师，硕士，主要从事轨道车辆焊接技术研究、焊接管理和焊工培训与考试方面的工作。