表面不涂装不锈钢车体点焊试验技术研究

康丽齐梁　辰魏　良彭长伟邵有发王　香杨春茹

（1.中车长春轨道客车股份有限公司工程技术部，130062，长春；2.长春中车车辆有限公司，130062，长春∥第一作者教授级高级工程师）

随着轨道交通行业的不断发展，业主对轨道交通车辆的新颖性等需求也在不断提高，车辆寿命及环保要求等问题越来越引起业主的关注，因此，采用高强奥氏体不锈钢材料作为车体材料已成为业主的首选。

中车长春轨道客车股份公司目前生产多种不锈钢轨道交通车辆，所用材料为SUS301L系列高强奥氏体不锈钢，且车辆外表面不进行油漆涂装。车体焊接设备是从国外引进的，焊接工艺为电阻点焊。电阻点焊具有生产效率高、自动化程度高、生产过程无烟尘等优点，焊接外观成型美观，特别适用于表面不涂装的不锈钢车辆生产。对于SUS301L不锈钢车体，在电阻点焊前需要进行焊接试验，以确定合理的焊接参数。

1　试验方法

1.1　试验材料及要求

试验材料选用北京地铁5号线不锈钢车辆项目中侧墙合成工序的侧墙下墙板与侧墙补强板，侧墙下墙板材料为1.5 mm厚SUS301L-DLT（简称1.5 DLT）［1］，补强板材料为1.0 mm 厚SUS301L-ST（简称1.0 ST）［1］，接头形式为以上两种材料的搭接点焊。

要求接头最小拉伸剪切力为6.74 kN［2］，焊核直径D大于4.2 mm［2］，凹坑深度在1.0 ST材料面不超过0.1 mm［2］，在1.5 DLT材料面不超过0.15 mm。在满足焊点拉剪力的条件下，外侧板表面凹痕深度越小，外观整体效果越好。

SUS301L不锈钢板在轧制过程中，通过控制压延率，可以获得5种强度等级的材料，强度等级分别为 HT、MT、DLT、ST、LT。SUS301L 系列不锈钢的化学成分及ST、DLT级不锈钢机械性能分别见表1和表 2［4-5］。

1.2　试验及检测设备

试验设备选用从国外引进的上下直杆型电极点焊设备。焊接设备采用单面单点通电方式时，两个电极分别为正极和负极，最大容量为150 kVA，电极对工件的最大加压力为1.2 t，采用气动加压方式（该设备自带空压机）。点焊电极头形式为半径R=100 mm的球面，电极直径φ=16 mm。

检测设备和工具主要有拉剪试验机（最大拉剪力3 t）、带三角支架的百分表及游标卡尺等。

表1　SUS301L不锈钢化学成分

表2　SUS301L-DLT不锈钢机械性能

1.3　试验步骤

在点焊试验前，将试验材料双侧表面擦拭干净，特别是锈、油等影响导电的外部介质，需采用酒精进行擦拭。对点焊试样需要分别进行凹坑检测试验、凿铲试验、拉剪试验和金相试验。

凿铲试验的试件搭接焊方式如图1所示，其中F2是凿铲施加外力。按照图2方式焊接试件，然后进行拉伸试验和宏观金相试验。图2中100 mm标注是拉伸机上下夹头夹持工件的尺寸。两个试件焊接时的搭接量为40 mm，F1是拉伸加载外力。

用图1的点焊方式焊接5组试件，进行凿铲试验。试件编号分别是1-1至1-5。用图2的点焊方式焊接10组试件，其中5组进行拉伸试验，试件编号分别是1-6至1-10；另外5组进行宏观金相试验，试件编号分别是1-11至1-15。这15组试验在进行破坏性试验前先进行100%的外观检测和表面凹坑试验。试验采用统一的点焊参数（见表3）。

1.4　试验内容

1.4.1外观和凹坑深度检测

图1　点焊凿铲试验方式

图2　试件点焊方式

对所有点焊完成的式样进行外观检测，通过肉眼检查焊点是否存在表面裂纹。用凹痕测量机对焊点中心位置处的凹痕深度进行测量，测量结果表明，试样两面的凹坑深度均在0.055～0.090 mm范围内。在外观检测和凹坑深度检测均符合要求的条件下，进行拉伸、金相、凿除等破坏性试验。

1.4.2凿开试验

按照图1的点焊方式，将试件1和试件2的板边一端对齐后，在试件中心位置进行点焊。对齐端夹紧在台式虎钳上，夹紧位置是板边。将凿铲放置在试件1和试件2之间，用外力按照图1中F2的方向对凿铲施加外力。将2个试件凿开后，用游标卡尺测量焊核直径，测量结果见表4。试验结果表明，试件两表面的凹坑深度尺寸符合要求。

表4　点焊凿铲试验焊核直径

1.4.3拉伸试验

拉伸试验要求在室温下进行。将试件在拉剪试验机上夹紧，试验时拉力要匀速缓慢增加，直到点焊试件拉断为止，得出最大的拉伸剪切力（见表5）。拉伸加力方式如图2中F1所示。

1.4.4断面试验

表5　点焊试件拉伸剪切力

断面测试在与试件焊点位置垂直的断面上进行。首先采用机械加工方法，在焊点中心位置对断面进行研磨与腐蚀，然后用金相显微镜检测焊核的直径，以及裂纹、缩孔等内部缺陷情况［3］。焊核直径，见表6，其中编号1-11和1-12试件的金相图如图3所示。

表6　点焊金相试验焊核直径

图3　点焊试件宏观金相图

2　试验结果与讨论

在拉伸剪切试验中，表5中的的焊核直径尺寸符合标准要求。在宏观金相试验中，表6中的焊核直径尺寸符合标准要求。图3中的金相图显示，试件熔合良好，熔核符合要求，没有缩孔等缺陷，母材的热影响区状态良好。

SUS301L不锈钢具有较低的热导率（是碳钢的1/3），因此，一般的熔化极气体保护电弧焊（MIG）和熔化极活性气体保护电弧焊（MAG）会导致较大的焊接变形，特别是对表面不涂装的不锈钢车辆，这种变形是业主不可接受的;采用点焊，则可以解决低热导率材料焊接变形的问题。对奥氏体不锈钢薄板的点焊，采用中等偏硬的焊接规范，可以满足焊接性能要求。

3　结论

通过对点焊试件的系列破坏性试验，验证了所设焊接参数的正确性，并得到以下结论：

（1）对于采用表面不涂装SUS301L系列不锈钢材料的车体，电阻点焊是适合的焊接工艺。

（2）在点焊焊接前，需要通过一系列的破坏性试验，如凹坑检测、凿开试验、拉伸试验、宏观金相试验等，验证焊接参数的正确性，然后再开始电阻点焊施工作业。

（3）对于SUS301L系列不锈钢薄板的点焊作业，应采用中等偏硬的焊接规范，以保证接头外观、焊核尺寸及力学性能达到标准要求。

［1］日本标准协会.铁道车辆用不锈钢板焊接接头设计方法：JIS E 4049—1990［S］.东京：日本标准协会，1991.

［2］日本标准协会.点焊作业标准（日本企业标准）：YC-IH—2002［S］.东京：日本标准协会，2002.

［3］日本标准协会.点焊接头断面试验方法：JIS Z 3139—1978［S］.东京：日本标准协会，1978.

［4］康丽齐，于菲.电阻点焊电极头形式对高强不锈钢焊点强度影响的试验研究［J］.工程机械，2014（2）：56.

［5］日本标准协会.不锈钢车辆用冷轧不锈钢板技术条件（日本企业标准）：YC-IH—2001［S］.东京：日本标准协会，2001.

［6］日本标准协会.电阻点焊及凸焊焊接接头剪切试验的试验片尺寸及试验方法：JIS Z 3136—1999［S］.东京：日本标准协会，1999.

［7］康丽齐.电阻点焊工艺在高强奥氏体不锈钢车辆的应用研究［J］.黑龙江科技信息，2015（11）：7.

［8］叶结和,李振江.轨道车辆不锈钢电阻点焊工艺试验［J］.电焊机，2015，45（1）：137.