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摘要通过与碳钢车做比,简单介绍不锈钢车体的材料和设计结构。结合实践提供了不锈钢车体几种常用焊接方法的工艺要点和规范参数。
关键词不锈钢车体 制造工艺 焊接参数
中图分类号:TG4文献标识码:A
现代交通业中,铁路与航空、汽车的竞争日益激烈。发展轻量化、免维修的高速、高档客车势在必行。不锈钢车辆因其良好的防腐性、撞击吸能特性、防火安全性、轻量化和维护成本低等特点已成为重要的发展方向之一。本文以南车四方公司新推出的轻型不锈钢轨道车辆为例介绍了目前国内不锈钢车体焊接通常采用的焊接方法和工艺。
1 不锈钢车体基本结构
轻型不锈钢车体由底架、侧墙、车顶、外端四大部分构成,各大部件之间多采用长直焊缝连接,易于实现焊接工艺的自动化,部件内各个构件之间多采用点焊结构,尽最大可能消除角接、对接等焊接变形较大的电弧焊结构,如图1所示:
图1轻型不锈钢车体的基本结构
目前不锈钢车体材料使用最多的是奥氏体不锈钢,它强度高,塑性好,硬度适中,焊接性好,这也是奥氏体不锈钢被广泛采用的主要原因。
2 采用的主要焊接方法
2.1 电阻点焊工艺
不锈钢车体及其构件多采用电阻点焊工艺,是由不锈钢特殊的热物理和焊接特性决定的。不锈钢高的电阻率、大的膨胀系数和低的热导率决定不锈钢焊接时,若焊接线能量过大,会出现难以控制的焊接变形,产生很大的焊接残余应力;焊后金相组织发生改变,形成晶间腐蚀,造成强度减弱。采用电阻点焊可以减少这些焊接缺陷的产生。
2.1.1 工艺要点
对新型钢结构部件进行点焊前,必须做大量的点焊接头试件,通过对接头试件力学性能的测试和焊点端面的破坏性试验来选定点焊的参数范围。由于点焊接头的特殊性,在工程上难以实现对接头的无损检测,点焊质量和接头强度是通过点焊试件质量来验证的。不锈钢点焊焊接性良好,尤其是电阻率高,热导率低,不存在淬硬倾向以及不带磁性,因而无需特殊的工艺措施,采用普通工频交流点焊机,简单焊接循环即可获得满意的焊接质量。其点焊技术要点:(1)用清洗、纱布打磨或毡轮抛光等方法进行点焊前表面清理,但对于用铅锌或铝锌模成型的焊件必须采用酸洗方法;(2)采用硬规范,强烈的内部和外部水冷却,可显著提高生产率和焊接质量;(3)由于高温强度大,塑性变形困难,应选用较高的电极压力,以避免产生喷溅和缩孔、裂纹等缺陷。
2.1.2 工艺参数
点焊采用的设备为日本川崎重工的C型、X型和NC型点焊机。C型和X型点焊机多用于不易自动点焊的位置,由操作人员手提焊枪人工操作,NC型点焊机可实现自动编程,点焊位置由程序控制,多用于车顶、侧墙的骨架与蒙板的连接。其具体的焊接参数如表2所示:
表2SUS型不锈钢点焊规范参数
2.2脉冲熔化极气体保护焊(GMAW)
2.2.1 工艺要点
脉冲熔化极气体保护焊(GMAW),采用脉冲产生峰值和背景电流。其特点是电弧功率大,热量集中,热影响区小,生产率高,多用于不锈钢车体中低合金钢之间或者低合金钢与不锈钢之间的连接。与TIG相比,效率提高3~4倍,广泛应用于各种厚度不锈钢板材的焊接;与普通MIG相比,GMAW在同等的热输入下提高电弧的挺度,增大了熔深,减少了热输入。焊接作业中需注意的问题:(1)峰值电流的作用是熔化焊丝,控制熔深;背景电流作用是维持电流,控制背面成型;焊接速度和送丝速度决定焊缝成型;四个参数应合理的匹配。(2)电流过大会引起焊丝过烧,并降低焊丝使用性和熔敷金属的性能,应在推荐电流范围内使用;(3)完全奥氏体组织的焊丝容易产生热裂纹,应采用较低的焊接速度;(4)为防止不锈钢焊道背面氧化,焊道背面需增设工艺保护槽。
2.2.2 工艺参数
GMAW采用的设备为美国Lincoln公司的STT-11逆变脉冲焊机,可以实现自动化焊接,焊接参数如表3所示:
2.3脉冲TIG焊接工艺
2.3.1 工艺要点
脉冲TIG焊易于进行薄板焊接或底层焊,(下转第58页)(上接第56页)几乎不发生飞溅。并能获得美观的焊缝,广泛适用于不锈钢车体内壁镀锌板以及底架波纹地板的焊接。脉冲TIG焊由于脉冲的作用使每个焊点获得最佳的焊接热循环,减少了不必要的热输入,因而使得到的焊缝更加美观。其焊接技术要点为:(1)直流电极接阴极;(2)基值电流作用是维持电弧燃烧,脉冲电流作用是熔化焊丝,脉冲频率控制着焊接速度,脉冲幅比决定了焊点的焊接热循环过程,四个参数之间要有一个合理的匹配关系;(3)从焊枪顶端伸出的电极长度一般为4~5mm为宜,在角接头等保护性不好的地方为2~3mm,在较深的开口内则为5~6mm;(4)电弧长度以1~3mm左右为宜,过长则变得保护不良;(5)进行底层焊时,为防止底层焊道氧化,需进行反面保护;(6)完全奥氏体组织的焊接材料容易发生高温裂纹,应将电流、焊接速度等控制得低一些; (7)焊接送丝过程中,后一焊点依次压住前一焊点直径的三分之二,形成焊缝。
表3 1.5mmSUS型不锈钢板GMAW焊接工艺参数
2.3.2 工艺参数
TIG采用的焊机为日本Panasonic公司的IGBT控制直流TIG焊机,人工操作,其具体焊接参数参见表4
表41.5mmSUS型不锈钢TIG焊接工艺参数
3 结论与展望
(1)国内不锈钢车体的设计制造尚处于起步阶段,设计结构和制造工艺尚需完善。
(2)在车体结构设计上借助于有限元分析、模态分析和虚拟制造等计算机技术优化车体设计,减少零部件数量,开发新结构,实现车体的结构优化。
(3)开展电阻点焊的数值模拟技术和质量监控技术,是简化点焊规范的选择和保证点焊质量的重要途径。
(3)激光-M1G复合焊和双丝脉冲焊等焊接方法将逐渐应用到不锈钢车体的焊接制造。
参考文献
[1]赵明花,刘玉民.城市轨道车辆不锈钢车体的研发[J].城市轨道交通研究, 2004(1).
[2]王旭东.浅谈地铁不锈钢车体的国产化[J].铁道车辆,2000:38.
[3]韩晓辉.浅谈新车体材料不锈钢及其在车体上的广泛应用[J].四机科技,2002(4).
关键词不锈钢车体 制造工艺 焊接参数
中图分类号:TG4文献标识码:A
现代交通业中,铁路与航空、汽车的竞争日益激烈。发展轻量化、免维修的高速、高档客车势在必行。不锈钢车辆因其良好的防腐性、撞击吸能特性、防火安全性、轻量化和维护成本低等特点已成为重要的发展方向之一。本文以南车四方公司新推出的轻型不锈钢轨道车辆为例介绍了目前国内不锈钢车体焊接通常采用的焊接方法和工艺。
1 不锈钢车体基本结构
轻型不锈钢车体由底架、侧墙、车顶、外端四大部分构成,各大部件之间多采用长直焊缝连接,易于实现焊接工艺的自动化,部件内各个构件之间多采用点焊结构,尽最大可能消除角接、对接等焊接变形较大的电弧焊结构,如图1所示:
图1轻型不锈钢车体的基本结构
目前不锈钢车体材料使用最多的是奥氏体不锈钢,它强度高,塑性好,硬度适中,焊接性好,这也是奥氏体不锈钢被广泛采用的主要原因。
2 采用的主要焊接方法
2.1 电阻点焊工艺
不锈钢车体及其构件多采用电阻点焊工艺,是由不锈钢特殊的热物理和焊接特性决定的。不锈钢高的电阻率、大的膨胀系数和低的热导率决定不锈钢焊接时,若焊接线能量过大,会出现难以控制的焊接变形,产生很大的焊接残余应力;焊后金相组织发生改变,形成晶间腐蚀,造成强度减弱。采用电阻点焊可以减少这些焊接缺陷的产生。
2.1.1 工艺要点
对新型钢结构部件进行点焊前,必须做大量的点焊接头试件,通过对接头试件力学性能的测试和焊点端面的破坏性试验来选定点焊的参数范围。由于点焊接头的特殊性,在工程上难以实现对接头的无损检测,点焊质量和接头强度是通过点焊试件质量来验证的。不锈钢点焊焊接性良好,尤其是电阻率高,热导率低,不存在淬硬倾向以及不带磁性,因而无需特殊的工艺措施,采用普通工频交流点焊机,简单焊接循环即可获得满意的焊接质量。其点焊技术要点:(1)用清洗、纱布打磨或毡轮抛光等方法进行点焊前表面清理,但对于用铅锌或铝锌模成型的焊件必须采用酸洗方法;(2)采用硬规范,强烈的内部和外部水冷却,可显著提高生产率和焊接质量;(3)由于高温强度大,塑性变形困难,应选用较高的电极压力,以避免产生喷溅和缩孔、裂纹等缺陷。
2.1.2 工艺参数
点焊采用的设备为日本川崎重工的C型、X型和NC型点焊机。C型和X型点焊机多用于不易自动点焊的位置,由操作人员手提焊枪人工操作,NC型点焊机可实现自动编程,点焊位置由程序控制,多用于车顶、侧墙的骨架与蒙板的连接。其具体的焊接参数如表2所示:
表2SUS型不锈钢点焊规范参数
2.2脉冲熔化极气体保护焊(GMAW)
2.2.1 工艺要点
脉冲熔化极气体保护焊(GMAW),采用脉冲产生峰值和背景电流。其特点是电弧功率大,热量集中,热影响区小,生产率高,多用于不锈钢车体中低合金钢之间或者低合金钢与不锈钢之间的连接。与TIG相比,效率提高3~4倍,广泛应用于各种厚度不锈钢板材的焊接;与普通MIG相比,GMAW在同等的热输入下提高电弧的挺度,增大了熔深,减少了热输入。焊接作业中需注意的问题:(1)峰值电流的作用是熔化焊丝,控制熔深;背景电流作用是维持电流,控制背面成型;焊接速度和送丝速度决定焊缝成型;四个参数应合理的匹配。(2)电流过大会引起焊丝过烧,并降低焊丝使用性和熔敷金属的性能,应在推荐电流范围内使用;(3)完全奥氏体组织的焊丝容易产生热裂纹,应采用较低的焊接速度;(4)为防止不锈钢焊道背面氧化,焊道背面需增设工艺保护槽。
2.2.2 工艺参数
GMAW采用的设备为美国Lincoln公司的STT-11逆变脉冲焊机,可以实现自动化焊接,焊接参数如表3所示:
2.3脉冲TIG焊接工艺
2.3.1 工艺要点
脉冲TIG焊易于进行薄板焊接或底层焊,(下转第58页)(上接第56页)几乎不发生飞溅。并能获得美观的焊缝,广泛适用于不锈钢车体内壁镀锌板以及底架波纹地板的焊接。脉冲TIG焊由于脉冲的作用使每个焊点获得最佳的焊接热循环,减少了不必要的热输入,因而使得到的焊缝更加美观。其焊接技术要点为:(1)直流电极接阴极;(2)基值电流作用是维持电弧燃烧,脉冲电流作用是熔化焊丝,脉冲频率控制着焊接速度,脉冲幅比决定了焊点的焊接热循环过程,四个参数之间要有一个合理的匹配关系;(3)从焊枪顶端伸出的电极长度一般为4~5mm为宜,在角接头等保护性不好的地方为2~3mm,在较深的开口内则为5~6mm;(4)电弧长度以1~3mm左右为宜,过长则变得保护不良;(5)进行底层焊时,为防止底层焊道氧化,需进行反面保护;(6)完全奥氏体组织的焊接材料容易发生高温裂纹,应将电流、焊接速度等控制得低一些; (7)焊接送丝过程中,后一焊点依次压住前一焊点直径的三分之二,形成焊缝。
表3 1.5mmSUS型不锈钢板GMAW焊接工艺参数
2.3.2 工艺参数
TIG采用的焊机为日本Panasonic公司的IGBT控制直流TIG焊机,人工操作,其具体焊接参数参见表4
表41.5mmSUS型不锈钢TIG焊接工艺参数
3 结论与展望
(1)国内不锈钢车体的设计制造尚处于起步阶段,设计结构和制造工艺尚需完善。
(2)在车体结构设计上借助于有限元分析、模态分析和虚拟制造等计算机技术优化车体设计,减少零部件数量,开发新结构,实现车体的结构优化。
(3)开展电阻点焊的数值模拟技术和质量监控技术,是简化点焊规范的选择和保证点焊质量的重要途径。
(3)激光-M1G复合焊和双丝脉冲焊等焊接方法将逐渐应用到不锈钢车体的焊接制造。
参考文献
[1]赵明花,刘玉民.城市轨道车辆不锈钢车体的研发[J].城市轨道交通研究, 2004(1).
[2]王旭东.浅谈地铁不锈钢车体的国产化[J].铁道车辆,2000:38.
[3]韩晓辉.浅谈新车体材料不锈钢及其在车体上的广泛应用[J].四机科技,2002(4).