劉永剛，韓曉輝，馬明菊，王素環(huán)

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266031)

軌道車輛不銹鋼車體電阻點(diǎn)焊缺陷產(chǎn)生及預(yù)防工藝

劉永剛，韓曉輝，馬明菊，王素環(huán)

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266031)

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，介紹了不銹鋼電阻點(diǎn)焊基本原理、冷作硬化不銹鋼板電阻點(diǎn)焊的工藝特性、軌道車輛不銹鋼車體電阻點(diǎn)焊常見缺陷類型，如：焊核直徑不符合要求、縮孔、飛濺、未熔合、熔透率不達(dá)標(biāo)、過燒、焊點(diǎn)外觀不良等。分析缺陷產(chǎn)生的原因并制定預(yù)防措施，如焊接電流、電極壓力、通電時(shí)間、工件裝配及電極形狀材質(zhì)等影響因素。通過相應(yīng)的工藝手段，提升焊點(diǎn)質(zhì)量，保障產(chǎn)品的焊接和商品化質(zhì)量。

點(diǎn)焊；不銹鋼；缺欠；預(yù)防

0 前言

隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，電阻點(diǎn)焊以其熱量集中，焊接變形小、操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)率高、無填充金屬成本低、勞動(dòng)環(huán)境潔凈環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到了日益廣泛的應(yīng)用，尤其在軌道車輛不銹鋼車體上的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)平均每輛車體有2萬多個(gè)焊點(diǎn)。但在電阻點(diǎn)焊質(zhì)量控制方面，目前尚無有效的無損檢測(cè)方法，因此優(yōu)化不銹鋼電阻點(diǎn)焊工藝，預(yù)防焊點(diǎn)缺陷產(chǎn)生，對(duì)保證軌道車輛不銹鋼車體的焊接質(zhì)量尤為重要。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際、電阻點(diǎn)焊原理以及車體用冷作硬化不銹鋼材料的焊接工藝特點(diǎn)，對(duì)不銹鋼電阻點(diǎn)焊的缺陷類型進(jìn)行總結(jié)，分析產(chǎn)生原因并提出預(yù)防措施，為不銹鋼點(diǎn)焊的應(yīng)用提供參考。

1 電阻點(diǎn)焊原理

電阻點(diǎn)焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間，利用電流流經(jīng)工件接觸面和鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，進(jìn)行焊接的一種方法。

(1)焊接熱的產(chǎn)生和影響產(chǎn)熱的因素。

點(diǎn)焊時(shí)產(chǎn)生的熱量

式中 Q為產(chǎn)生的熱量(單位：J)；I為焊接電流(單位：A)；R為電極間電阻(單位：Ω)；t為焊接時(shí)間(單位：s)。

(2)電阻R及其影響因素。

電極間電阻包括工件本身電阻Rw、兩工件間接觸電阻Rc、電極與工作間接觸電阻Rcw，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)焊時(shí)的電阻分布

點(diǎn)焊時(shí)的電阻

2 冷作硬化不銹鋼板電阻點(diǎn)焊工藝特點(diǎn)

軌道車輛不銹鋼車體材料為0.8～4.0 mm的冷作硬化奧氏體不銹鋼薄板，這種材料較普通的碳鋼材料有強(qiáng)度高、硬度大、電阻率高、導(dǎo)熱性差以及線膨脹系數(shù)大的焊接冶金特點(diǎn)[1]。因此點(diǎn)焊時(shí)產(chǎn)熱易而散熱難，焊點(diǎn)容易產(chǎn)生未熔合、縮孔、飛濺等焊接缺陷。因此為保證冷作硬化不銹鋼板的點(diǎn)焊質(zhì)量，需結(jié)合該種材料的點(diǎn)焊工藝特點(diǎn)，采用較小的焊接電流、較多的脈沖通電次數(shù)、較長(zhǎng)的焊接時(shí)間和較大的電極壓力進(jìn)行點(diǎn)焊。

3 不銹鋼電阻點(diǎn)焊缺陷的產(chǎn)生原因和預(yù)防措施

點(diǎn)焊接頭的外部和內(nèi)部缺陷是評(píng)定點(diǎn)焊質(zhì)量的重要指標(biāo)。電阻點(diǎn)焊的缺陷大致有以下幾種：焊核直徑不符合要求、縮孔、飛濺、未熔合、電極壓痕過深、過燒、熔透率不符合要求、外觀不良等。

3.1 焊核直徑不符合要求

焊核直徑大小是衡量焊點(diǎn)強(qiáng)度最重要的指標(biāo)，按照J(rèn)IS Z 4305標(biāo)準(zhǔn)要求[2-3]，不同板厚組合的不銹鋼點(diǎn)焊接頭有不同的直徑要求。焊核直徑偏小會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度不足，主要產(chǎn)生原因是焊接電流偏小或者通電時(shí)間不足；焊核直徑超出標(biāo)準(zhǔn)值過多，焊點(diǎn)變形較大，而且會(huì)影響焊點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度，主要原因是焊接參數(shù)偏大[4-5]。建議焊點(diǎn)直徑為標(biāo)準(zhǔn)值。不銹鋼點(diǎn)焊焊核直徑要求如表1所示。

3.2 縮孔

縮孔是冷作硬化不銹鋼板點(diǎn)焊最常見的焊接缺陷之一。車體用不銹鋼材料為冷作硬化不銹鋼板，材料表面的硬度很高，收縮率很大，若電極壓力不足，焊核液態(tài)金屬由外向內(nèi)凝固時(shí)，縮孔處得不到有效的擠壓從而形成縮孔，可以通過加大電極壓力、增加焊后保壓時(shí)間來解決?？s孔形態(tài)如圖2所示。

表1 不銹鋼點(diǎn)焊焊核直徑要求

圖2 縮孔

3.3 飛濺

焊接飛濺也是冷作硬化不銹鋼板點(diǎn)焊最常見的焊接缺陷之一。飛濺形式表現(xiàn)為表面飛濺和內(nèi)部飛濺，會(huì)影響焊點(diǎn)的外觀和質(zhì)量。電流過大、焊接時(shí)間過長(zhǎng)、電極壓力過小、工件間間隙過大、焊點(diǎn)距工件邊距過小、工件表面清理不徹底均可能導(dǎo)致飛濺。圖3為焊點(diǎn)表面和內(nèi)部飛濺示意圖。生產(chǎn)過程中連續(xù)產(chǎn)生三個(gè)焊點(diǎn)飛濺，須立即停止焊接，分析飛濺原因進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)合格后方可繼續(xù)生產(chǎn)。

圖3 飛濺

在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生飛濺的原因主要有：

(1)工件間隙過大。不銹鋼點(diǎn)焊工件一般為薄板折彎、壓型件，工件折彎數(shù)量較多時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證點(diǎn)焊位置的尺寸，確保工件配合密貼。在焊接剛性較弱、焊點(diǎn)較多的工件時(shí)，應(yīng)采用合理的點(diǎn)焊順序，比如由中心向四周、間隔數(shù)個(gè)的跳躍方式點(diǎn)焊。

(2)工件表面清理不徹底。工件下料時(shí)在工件表面會(huì)殘留油污、鐵屑等雜質(zhì)，在點(diǎn)焊前必須清除干凈，保證工件間、工件與電極接觸面清潔。在焊接過程中及時(shí)觀察電極接觸面狀態(tài)，電極帽或電極前端有明顯磨損或雜質(zhì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換電極帽或研磨整形。

(3)工件壓力過小。隨著點(diǎn)焊設(shè)備的使用，氣缸等部件狀態(tài)會(huì)逐漸產(chǎn)生變化，在出現(xiàn)頻繁飛濺時(shí)，在排除其他因素后，利用壓力計(jì)、電流計(jì)驗(yàn)證設(shè)備。

(4)焊點(diǎn)距工件邊距過小。手動(dòng)點(diǎn)焊設(shè)備出現(xiàn)該現(xiàn)象多數(shù)是操作人員焊接手法問題，應(yīng)提升操作人員的操作能力、責(zé)任心。如果是自動(dòng)點(diǎn)焊設(shè)備出現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)檢查工件位置、工裝和自動(dòng)焊接程序。

3.4 未熔合

未熔合是對(duì)點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度影響最為嚴(yán)重的缺陷之一，直接影響點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度，尤其是疲勞強(qiáng)度。通常未熔合是由于熱輸入量不足造成，可通過加大焊接電流、電極壓力或焊接時(shí)間加以改善。未熔合形態(tài)如圖4所示。

3.5 熔透率不達(dá)標(biāo)

熔透率是判斷焊點(diǎn)質(zhì)量是否合格的重要指標(biāo)，過高或過低都會(huì)影響接頭強(qiáng)度和外觀質(zhì)量。JIS Z 3140中指出，焊核的熔透率應(yīng)為20%～80%[6]。圖5為熔透率過高的焊核宏觀照片。影響熔透率的因素較多，重要的有電流、焊接時(shí)間、電極壓力、電極材料、電極形狀等，電流、焊接時(shí)間、電極壓力過大時(shí)易造成熔透率過大，電流、焊接時(shí)間、電極壓力過小時(shí)易造成熔透率過小。上下電極材料不一致同樣易造成熔透率過大，圖5中焊核焊接時(shí)上、下電極的材料分別為鎢銅和鉻銅，鎢銅硬度高、散熱慢，導(dǎo)致與上電極接觸的母材側(cè)熔透率過大。

圖4 未熔合

圖5 熔透率過大

在實(shí)際生產(chǎn)中解決熔透率問題的方法主要有：

(1)設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)盡量滿足不銹鋼工件的最大厚度比，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，不銹鋼的最大厚度比為：板厚總和／外側(cè)薄板厚度小于等于5。

(2)采取一定的工藝措施，如改變電極前端形狀、更換電極材質(zhì)等。

3.6 過燒

過燒后的焊點(diǎn)狀態(tài)如圖6所示，表面有鉻碳化物沉積，影響無涂裝不銹鋼車體的商品化質(zhì)量。過燒通常由于焊接時(shí)間太長(zhǎng)、焊后冷卻時(shí)間過短造成。應(yīng)檢查點(diǎn)焊設(shè)備的冷卻水循環(huán)、保護(hù)氣體流量是否正常，或?qū)附訁?shù)進(jìn)行優(yōu)化，盡量采用氬氣保護(hù)。

圖6 焊點(diǎn)過燒

3.7 焊點(diǎn)外觀不良

常見的焊點(diǎn)外觀不良表現(xiàn)為焊點(diǎn)形狀橢圓、月牙形狀凸起、壓痕過深等，如圖7所示。

圖7 外形橢圓及月牙形凸起

(1)形狀橢圓。主要原因?yàn)殡姌O與工件接觸面磨損，應(yīng)及時(shí)更換電極帽或研磨電極。

(2)月牙形凸起。主要原因?yàn)殡姌O與工件不垂直或兩電極不同軸，應(yīng)改變點(diǎn)焊機(jī)的焊接角度或調(diào)整兩電極的同軸度。

(3)焊點(diǎn)壓痕過深。主要原因是焊接參數(shù)不匹配，電極壓力過大導(dǎo)致。對(duì)于無涂裝要求的城軌不銹鋼車體，一般要求材料上的電極壓痕一定不要深于可見表面板材厚度的10%。

4 結(jié)論

(1)通過分析軌道車輛不銹鋼車體用材料的點(diǎn)焊特性，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)車體生產(chǎn)中出現(xiàn)的點(diǎn)焊質(zhì)量問題，分析產(chǎn)生原因并提出預(yù)防措施，對(duì)不銹鋼點(diǎn)焊缺陷的預(yù)防和質(zhì)量提高有一定參考價(jià)值。

(2)實(shí)際生產(chǎn)中影響焊點(diǎn)質(zhì)量的因素眾多，如供電環(huán)境、點(diǎn)焊設(shè)備穩(wěn)定性。應(yīng)做好焊前點(diǎn)檢、日常點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)、焊接過程控制和焊后檢驗(yàn)工作。

[1] JIS Z 4305-2005，冷扎不銹鋼板及鋼帶[S].

[2]謝 堅(jiān).電阻點(diǎn)焊研究發(fā)展(上)[J].電焊機(jī)，1994，24(1)：1-8.

[3]周 嵐，於建偉，曹 靜.電阻點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].電焊機(jī)，2008，38(12)：37-40.

[4]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)·材料的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[5]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[6] JIS Z 3140-1969，點(diǎn)焊焊接區(qū)的檢驗(yàn)方法[S].

Study on production and prevention of defects in resistance spot welding for stainless steel carbody of rail vehicle

LIU Yong-gang，HAN Xiao-hui，MA Ming-ju，WANG Su-huan
(Sifang Locomotive＆Rolling Stock Ltd.，CSR，Qingdao 266031，China)

In this paper，it were introduced the basic principles and process characteristics of resistance spot welding for the rolling stainless steel plate according to the actual production.The welding defects were emphatically introduced，such as：the weld nugget diameter no meeting the standard，shrinkage，welding spatter，lack of fusion，the lacking penetration rate，over-burning，bad appearance.Causes for the defects were analyzed and preventive measures were taked，such as the following influencing factors：welding current，electrode force，welding time，the workpiece assembly，electrode shape and material，and etc.The commercial quality of stainless steel car body has improved through technology means to enhance the quality of solder joint.

spot welding；stainless steel；imperfection；prevent

TG453+.9

B

1001-2303(2012)04-0097-03

2012-01-17

劉永剛(1979—)，男，山東青島人，工程師，學(xué)士，主要從事軌道車輛焊接工藝的研究工作。