轨道车辆电容储能式电阻点焊工艺研究

徐 野 韩晓辉 叶结和 刘 桐 刘 勇

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111)

0 前言

轨道车辆的车体结构除了底架仍然采用碳钢材料外，其他大部件基本上都采用奥氏体不锈钢材料[1-3]。对于无涂装的不锈钢车体结构来说，其制造工艺要求较高，不仅要保证结构上的安全可靠性，而且要求焊后车体的外观平整光滑。现有无涂装不锈钢轨道车辆多采用电阻点焊工艺，但点焊车体外表面焊点部位存在明显的痕迹[4-6]，其中车体侧墙中点焊痕迹较为明显的区域主要为门四角和立柱处，该区域由于钢板的叠加层数较多，所需点焊参数较大，易于导致点焊后出现明显痕迹[7-8]，车体点焊痕迹和侧墙平面度是制约无涂装不锈钢电阻点焊车辆商品化程度进一步提高的两个主要问题。

下文针对不锈钢地铁车辆点焊质量问题，采用电容储能式电阻点焊工艺对典型板厚组合进行工艺试验研究，并分析其点焊接头外观质量、内部组织及力学性能，在点焊参数优化的基础上完成点焊痕迹轻微、外观质量较高的侧墙试验单元制作，为该工艺方法在不锈钢轨道车辆制造中的应用提供理论依据和试验数据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料采用SUS301L系列的冷轧不锈钢，依据现车情况选用表1中的典型板厚组合作为试验对象，并以此进行点焊参数优化。

表1 试验材料

1.2 点焊设备及工艺

1.2.1电容储能式电阻点焊机

电容储能式电阻点焊机采用双面点焊形式，电极为铬铜材质，上电极选用ø14 mm×R300 mm球面、下电极选用ø16 mm×平面，每点焊 20点时需将电极表面修磨一次，如图1所示，其相关规格如表2所示。

图1 Origin 6AS电容储能式电阻点焊设备

表2 Origin 6AS电阻点焊机规格

1.2.2焊接工艺

点焊参数优化试验首先以典型板厚组合的小试板进行点焊试验，试验主要确认压痕深度、熔核直径及拉剪载荷。优化试验后的点焊参数如表3所示。

表3 点焊参数(6AS)

2 试验结果与分析

2.1 点焊接头表面质量检验

分别对以上8组典型的点焊试件在1.5 mm-2G侧墙外板一侧的焊点压痕深度进行测量，测量的结果如表4所示，焊点压痕表面的宏观形貌如图2所示。

表4 点焊接头压痕深度测量结果 /mm

图2 点焊接头疲劳裂纹宏观形貌

由表4可以看出，在该点焊参数下，各组的点焊接头在外板表面压痕深度均低于标准要求值，并且对比现有中频逆变点焊工艺测量结果可知，电容储能式电阻点焊工艺在焊点外观质量方面要优于现有点焊工艺。

2.2 点焊接头熔核尺寸及拉剪载荷

选取典型板厚组合1.5-2G+1.5-HT对比分析电容储能式与中频逆变式两种点焊方式在熔核直径、熔透率及力学性能方面的差异性，试验结果如表5所示。

表5 熔核直径及接头拉剪载荷数据处理结果

从试验结果可知，电容储能式电阻点焊方法相比于传统中频逆变式点焊形成的焊点内部熔核形态更加圆润而均匀，熔核外貌大而平，整体熔核直径大，熔透率略小，拉剪强度明显得到提高。

2.3 点焊接头拉剪疲劳极限及S-N曲线

2.3.1疲劳形貌

1.5-2G+1.5-HT点焊接头的脉动拉剪疲劳裂纹微观特征如图3所示。

图3 点焊接头拉剪疲劳断口SEM照片

从点焊疲劳试样的断裂形态上看，所有试样的疲劳裂纹源均起始于焊点与母材交界的熔合界面区域，先从焊点压痕周边应力集中处开始，沿着周边切线薄弱区域扩展，然后再从试样两侧方向延伸直至断裂。

2.3.2疲劳极限

采用升降法测得点焊接头试样疲劳拉剪载荷值如图4所示，拟合S-N曲线如图5所示，计算得存活率50%中值疲劳极限为2 150 N。

图4 点焊接头疲劳升降图

图5 点焊接头拉剪疲劳曲线

2.4 侧墙试验单元制作

通过小试板点焊试验优化并确认点焊参数条件可行后，进行侧墙试验单元的制作。用天车吊挂侧墙单元，并以水平仪确认点焊作业面与电极垂直，从而获得最佳的点焊质量。采用电容储能式点焊机焊接制作的侧墙单元如图6所示。经过解剖侧墙的典型接头，其焊点压痕深度的测量结果如表6所示。

图6 电容储能点焊侧墙单元

表6 侧墙试验单元外观质量测量结果 /mm

显然，采用电容储能式电阻点焊工艺的侧墙试验单元所有典型部位的1.5 mm-2G不锈钢一侧焊点压痕深度均远小于0.15 mm的要求，并且均明显小于中频逆变点焊结果，该种点焊工艺在现车应用中能够实现减轻焊点压痕、提升部件点焊外观质量的效果。

3 结论

(1)电容储能式点焊工艺相比现有的中频逆变点焊方法，其焊点外观质量、熔核直径大小、拉剪力学性能等工程指标在满足标准要求的同时均有明显提升。

(2)电容储能式点焊工艺所形成的焊点内部熔核形态更加圆润，呈现大而平的特点，熔透率适中，更加符合现车对焊点外观及内部质量的双向要求。

(3)电容储能式点焊存活率50%中值疲劳极限为2.15 kN，疲劳裂纹源均起始于焊点与母材交界的熔合界面区域，先从焊点压痕周边应力集中处开始，沿着周边切线薄弱区域扩展，然后向试样两侧方向延伸直至断裂。

(4)电容储能式点焊工艺所制作的侧墙单元焊点压痕明显小于传统中频逆变点焊工艺，具有提高轨道车辆点焊外观质量的工程化应用意义。