等离子焊接技术在轨道车辆密封焊方面的应用研究

王福全，王素环，李刚卿，丁明飞

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

0 前 言

对于车体侧墙通长部件，目前国内外都采用激光焊接技术代替电阻点焊方法，来满足侧墙焊接的气密性要求。但是，在车体总组工序中，侧墙与底架之间以及车顶与侧墙之间的4条通长连续搭接焊缝，从其工艺适应性程度上来看，不适合采用激光焊接方法。因此，为减小焊接变形，提高焊缝成型质量，同时结合车体总组工序各大部件的组装工艺特点，拟采用等离子焊接技术，实现密封焊接，同时提高车体商品化质量。

1 试验设备、材料与及方法

试验采用PTW1500型等离子焊接设备，配以FANUC Robot M - 10iA机器人；使用的试验材料选用不锈钢车体制造用的SUS301L和SUS304奥氏体不锈钢板材，2种材料均满足JIS G 4305中规定的化学成分和力学性能要求。焊丝型号AWS A5.9 308LSi(φ1.0 mm)。

选取某地铁车型4种典型密封焊接头分别进行等离子焊接工艺试验，并确定合适的焊接工艺参数[1,2]。采用不同板厚组合的350 mm×150 mm标准焊接试板，两板相互搭接后沿长度方向进行焊接。不锈钢搭接试板的形状尺寸如图1所示。不同材质板厚组合的不锈钢典型焊接接头及接头型式见表1。通过改变等离子电流以及焊接速度等参数来确定合适的焊接工艺参数。

表1 不同材质板厚组合的不锈钢典型焊接接头及接头型式

注：以“1+3”为例，表示1 mm厚板与3 mm厚板的搭接组合。

通过KEYENCE VHX - 1000E视频显微镜、OLYMPUS - BX51M光学显微镜分析评价不同材质及板厚组合接头的焊接熔合性和接头宏微观组织形态，考核焊接质量及焊接工艺参数合理性。采用岛津AG - IC100KN电子万能试验机对等离子焊搭接接头进行拉伸试验。用JSM - 6360LV型电子扫描电镜进行拉伸试样的断口分析。

本试验考察不同材质及板厚组合下不锈钢等离子焊的搭接接头的基本力学性能，力学性能试验为搭接接头拉剪强度试验。等离子焊搭接接头的剪切拉伸试验参照JISZ3136:1999制备拉伸剪切试样。为了防止拉伸剪切过程中试样产生偏心现象，在上下两板两侧各焊接垫板。等离子焊搭接接头的剪切拉伸试样形状尺寸如图2所示。

2 结果与分析

通过大量焊接工艺参数优化试验，可以获得表面成型均匀、连续、美观，无咬边、无飞溅，填充完全并且宏观焊缝截面无气孔、无夹渣、没有未熔合、未焊透、焊接裂纹等缺陷的焊缝。4种典型接头优化的等离子焊接工艺参数列于表2。

表2 车体典型接头标准试板等离子焊接工艺参数

2.1 力学性能分析

由拉剪试验数据处理结果可知，本试验各材料及板厚组合的等离子搭接接头，其平均剪切载荷和最小剪切载荷均大大超过JIS E 4049标准规定值，满足铁道车辆用不锈钢焊接接头的技术条件。

表3 等离子搭接接头拉剪试验数据结果

2.2 等离子焊接接头宏微观组织分析

观察等离子焊缝宏观断面(图3a～图6a)可以看出，在本焊接工艺参数的范围内，焊缝与母材熔合良好， 没有出现气孔、裂纹、夹杂等焊接缺陷。观察接头各区的宏微观组织(图3b，3c～图6b，6c)，焊缝为柱状晶组织，少量点状的δ铁素体晶粒在奥氏体晶界析出，奥氏体呈柱状排列形式，为典型的焊缝显微组织[3,4]；熔合区及HAZ过热区组织呈不规则的块状奥氏体组织,经焊接热循环作用后在邻近熔合线HAZ晶粒尺度有所增大,但不显著,这是由于等离子焊接热输入量较小的缘故,可见工艺试验所用焊接参数基本合适。

3 结论及建议

(1)4种典型接头在分别确定的焊接工艺参数条件下，可以获得表面成型良好、焊道均匀连续且没有咬边、气孔、夹杂以及未熔合、未焊透等缺陷的焊缝。

(2)采用等离子焊焊接的4种典型搭接接头，其拉剪强度满足标准规定的要求。

(3)观察焊缝宏观断面熔合性和接头各区微观组织，4种典型接头的焊缝熔合良好，没有发现因装配间隙不均匀等因素而产生的未熔合、未焊透以及气孔、夹杂等缺陷。焊缝为奥氏体柱状晶，晶间析出少量点状δ铁素体晶粒；热影响区因焊接热输入量较小没有发现块状奥氏体晶粒异常长大现象。