孫宏宇

摘 要：不銹鋼城鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)要求使車體表面材料厚度大多選擇1.5mm-2.0mm之間，但由于部件間梁、柱連接在薄板焊接區(qū)域，焊后形成復(fù)雜的焊接變形，而合同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的整車制造技術(shù)條款有對(duì)平度等尺寸有著嚴(yán)格要求。本文提出了氬弧矯平技術(shù)，全面對(duì)氬弧加熱矯平技術(shù)在軌道車輛不銹鋼車體薄板變形中的成功應(yīng)用實(shí)例及效果做詳細(xì)闡

關(guān)鍵詞： 軌道車輛 不銹鋼薄板 焊接變形 氬弧矯平

引言：

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城鐵車迎來(lái)了黃金發(fā)展時(shí)期。隨著科技進(jìn)步，車體鋼結(jié)構(gòu)的制造材料也發(fā)生了很大的變化，鋁合金車體、不銹鋼車體得到廣泛應(yīng)用，奧氏體不銹鋼材料由于耐腐蝕能力強(qiáng)，強(qiáng)度高被廣泛應(yīng)用于軌道車輛車體鋼接構(gòu)的生產(chǎn)制造。車體鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行裝飾主要采用兩種方式，一是涂裝噴漆、粘貼表面膜，二是利用材質(zhì)本身耐腐蝕、抗氧化等特性不進(jìn)行涂裝。不銹鋼車體在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了景觀與使用效果，外表面多采用拉絲板，漂亮的外觀，低廉的擦臟等后期使用維護(hù)成本使不銹鋼車體免涂裝表面成為用戶的首選。而車體鋼結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中對(duì)外墻板、車頂板等外觀部件位置的平度有著很高的要求，變形與矯平既相互矛盾又相互存在，冷矯平錘展等工藝由于會(huì)在表面留下痕跡，因此不適用于以不銹鋼為主要材料制造的軌道車輛。熱矯平依托金屬局部受熱后所引起的變形區(qū)矯正原有的變形這一規(guī)律成為不銹鋼熱矯平的一個(gè)研究方向，通過(guò)對(duì)車體典型機(jī)組平臺(tái)焊接變形使用氧-乙炔火焰加熱矯平與氬弧低溫?zé)岢C平技術(shù)對(duì)比，表明了氬弧低溫加熱作為一項(xiàng)全新工藝技術(shù)在軌道車輛不銹鋼薄板熱矯平方面廣闊的應(yīng)用前景。

1.火焰加熱矯平分析

1.1火焰矯平原理

眾所周知，金屬材料有熱漲冷縮的特性，火焰矯正就是利用金屬局部加熱后所產(chǎn)生的塑性變形冷卻后抵消原有的變形從而達(dá)到矯正的目的。火焰矯正與焊接同樣會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，不恰當(dāng)?shù)某C正產(chǎn)生的應(yīng)力與焊接應(yīng)力和負(fù)載應(yīng)力疊加會(huì)產(chǎn)生更復(fù)雜的應(yīng)力，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力產(chǎn)生不良影響。

1.2火焰加熱常用傳統(tǒng)方式

火焰加熱矯正常用的是氧-乙炔焰和霞普氣焰，氧-乙炔焰是由氧氣與乙炔混合燃燒所形成的火焰，通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣閥門和乙炔閥門，可改變氧氣和乙炔的混合比例得到不同的溫度，霞普氣是近年來(lái)的一種溶解乙炔換代產(chǎn)品，主要成分為丙烯（CH3-CH=CH2）。霞普氣適用于切割、釬焊、加熱、變形矯正等多種作業(yè)。

1.3火焰加熱矯正對(duì)金屬組織的影響

軌道車輛行業(yè)在生產(chǎn)制造過(guò)程中廣泛使用了不銹鋼材料，在制造過(guò)程中會(huì)根據(jù)材料的變形進(jìn)行調(diào)修矯正。但火焰調(diào)修影響不銹鋼材料的性能，特別是晶間腐蝕。通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)450°C-850°C熱處理的不銹鋼試樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明加熱溫度越高，不銹鋼晶間腐蝕越大，特別是在650°C敏化溫度區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在晶間會(huì)形成貧鉻區(qū)，在受到外力作用時(shí)會(huì)沿晶粒方向脆斷，從而降低材料力學(xué)性能。不銹鋼車體機(jī)組平臺(tái)多采用1.5mm-2.0mm的奧氏體不銹鋼制成，但受車體連接焊接影響，這種大面積區(qū)域焊接常產(chǎn)生復(fù)雜的變形，而這種變形就需要采用點(diǎn)狀加熱矯正。霞普氣火焰在薄板1.5mm的板材上點(diǎn)狀加熱，加熱時(shí)間僅0.5秒，火焰加熱點(diǎn)直徑及熱影響區(qū)達(dá)到30mm，該區(qū)域溫度達(dá)到718°C，通過(guò)金相分析，母材晶粒粗大組織破壞影響嚴(yán)重，降低了材料的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，生產(chǎn)過(guò)程中如大面積高溫加熱調(diào)修矯正，將降低整車設(shè)計(jì)使用壽命。

2.氬弧焊機(jī)功能轉(zhuǎn)變熱能輸出工作原理

2.1鎢極氬弧焊焊機(jī)點(diǎn)焊工作原理

針對(duì)不銹鋼車體結(jié)構(gòu)薄板焊接區(qū)域產(chǎn)生的凸起、波浪等變形分析，點(diǎn)狀加熱矯平是非常好的一種方法。選擇合適的一種可控的薄板加熱溫度成為一個(gè)新的研究方向，不銹鋼薄板焊接常用鎢極氬弧焊，由于鎢極氬弧焊采用難熔的金屬鎢作為電極，采用含量為99.9%的純氬氣作為保護(hù)氣體，氬氣作為惰性氣體在燃燒過(guò)程中不與其它熔熔金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這樣燃燒的鎢極產(chǎn)生電弧和熱量就可以作為加熱熱源使用成為一種可能。通過(guò)研究將焊機(jī)本身焊接功能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，加熱溫度可由增加和減小焊接電流、焊接時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的控制，具備產(chǎn)生低溫（150°C-240°C）適用于不銹鋼薄板（1.5mm-2.0mm）的點(diǎn)狀加熱矯平所需最佳溫度。

2.2加熱溫度范圍及組織變化

通過(guò)對(duì)相同厚度為1.5mm、材質(zhì)為SUS304的奧氏體不銹鋼進(jìn)行加熱試驗(yàn)，得出母材最小溫度為150°C，最高溫度為240°C，得出通過(guò)對(duì)焊接電流的增加，電弧輸出溫度明顯增強(qiáng)，加熱點(diǎn)直徑隨著溫度的增加而增加，通過(guò)3組實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)加熱電流分別為45A、55A、65A；加熱時(shí)間分別為1.5秒；母材的溫度分別為150°C、190°C、240°C，熱影響區(qū)直徑分別為5mm、7mm、9mm。通過(guò)檢測(cè)對(duì)比，晶粒組織力學(xué)性能沒(méi)有改變。

2.3生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用實(shí)例對(duì)比

使用傳統(tǒng)氧-霞普氣對(duì)同一車型同一位置的加熱矯平效果對(duì)比，使用氧-霞普氣加熱矯平后，由于加熱溫度過(guò)高造成加熱點(diǎn)熱影響區(qū)范圍擴(kuò)大，加熱點(diǎn)直徑過(guò)大，冷卻收縮后形成明顯凹痕平度超差達(dá)5mm，而使用氬弧焊可調(diào)節(jié)產(chǎn)生的熱量熱矯平后整體尺寸平度達(dá)到2米2mm，達(dá)到設(shè)計(jì)制造工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4軌道車輛車體鋼結(jié)構(gòu)其他位置的應(yīng)用

由于通過(guò)調(diào)節(jié)焊接電流，改變輸出電弧熱量，達(dá)到調(diào)節(jié)加熱溫度的目標(biāo)，控制適合點(diǎn)狀加熱的溫度。通過(guò)研究與應(yīng)用，該方法不僅是用于開闊面積的薄板變形也同樣適用余狹長(zhǎng)薄板1.5mm-2.0mm板厚波浪變形矯正如圖，可根據(jù)實(shí)際焊接區(qū)域變型大小與板厚進(jìn)行隨機(jī)調(diào)整加熱溫度。根據(jù)變形區(qū)域與大小選取不同的加熱位置和加熱點(diǎn)密集度，達(dá)到熱矯平后直線度，平面度達(dá)到制造工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.結(jié)論

通過(guò)大量的對(duì)比試驗(yàn)及在軌道車輛不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中的成功應(yīng)用，得出對(duì)于軌道車輛不銹鋼薄板焊接產(chǎn)生的不規(guī)則波浪變形，使用傳統(tǒng)氧-乙炔、火氧-霞普氣進(jìn)行變形區(qū)域點(diǎn)狀加熱矯正反而適得其反，不但沒(méi)有達(dá)到加熱矯平的目的，反而由于加熱溫度過(guò)高，加熱面積過(guò)大造成母材產(chǎn)生更復(fù)雜的變形形成凹陷，母材材質(zhì)本身力學(xué)、物理、化學(xué)性能下降，形成過(guò)燒，從而使材料的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度下降，降低了車體的全使用壽命周期。而作為一項(xiàng)新工藝技術(shù)，利用氬弧焊機(jī)鎢極燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)變形區(qū)域進(jìn)行加熱，通過(guò)對(duì)加熱溫度和加熱時(shí)間的調(diào)整，達(dá)到了加熱溫度均勻一致的效果，較低的加熱溫度不會(huì)導(dǎo)致母材材質(zhì)本身發(fā)生改變，適用于軌道車輛生產(chǎn)制造過(guò)程中復(fù)雜變形的熱矯正，此項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的空白，依托焊機(jī)本身功能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用途完成焊接、熱矯平兩項(xiàng)工作。無(wú)需額外購(gòu)置專門用于熱矯平的設(shè)備，無(wú)需設(shè)置專門調(diào)修場(chǎng)地，熱矯正效果良好，并可在石化、醫(yī)療衛(wèi)生、食品炊具儲(chǔ)藏罐體等不銹鋼薄板焊接焊接制造領(lǐng)域進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

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