碳钢动车组点焊工艺的应用

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

0 前言

随着城市间铁路客车交通的发展，在速度提升的同时还需要满足车辆的安全性以及人体感知的舒适性。本研究通过材质的抗拉强度的要求，详细描述了碳钢点焊工艺评定制造以及点焊参数选择。点焊工艺在碳钢铁路客车中的成功应用，提高了碳钢车的焊接质量，降低了劳动强度，提高了生产效率，实现了碳钢车辆外观美观的制造要求，获得用户好评，引领了铁路客车转为碳钢动车组的发展新趋势。

电阻点焊在不锈钢地铁车辆中应用较为广泛，认可度较高，但未应用于碳钢动车中。本研究利用电阻点焊加热时间短、热影响区小、变形与应力小的特性，通过焊接试验以及应用证明在碳钢侧墙中应用电阻点焊的可行性。

焊接设备功率大、机械化和自动化程度较高，可以提高产品的生产效率，从而降低焊工的劳动强度，避免焊接烟尘对人员造成的伤害，满足人机工程学的要求。

利用合理的工艺制造方案“划整为散”，将焊接量、焊接变形、焊接应力等划整为散，即将整体集中的工作量通过分段方式转化为分散式工作，可以有效提高侧墙的焊接质量、减小焊接变形、降低焊接应力，保证侧墙平面度要求。

1 焊接材料和试验

1.1 材质选择

板厚2.5 mm的材质Q310NQL2符合标准TB/T1979-2014[1]，板厚3.0 mm的Q345NQR2符合标准TB/T1979-2014。焊点焊核直径及最低剪切力如表1所示。根据设计结构的抗拉强度要求360 MPa＜Rm＜510 MPa，执行EN15085-3中标F.4[2]的要求，并按照表1的要求确认焊核直径以及最低剪切拉力。

表1 焊点焊核直径及最低剪切拉力

对比表1中两种最低剪切拉力值，选择较低者，即拉伸值需满足最小值16.5 kN，焊核直径要求满足最小8.0 mm。

1.2 焊接试验要求及焊接形式

1.2.1 焊接试验要求

按照EN ISO15614-12-2001-“金属材料焊接方法要求和鉴定-焊接方法试验—第12部分：点焊、滚缝焊和凸焊”中检验和试验[3]的要求，整理确认焊接试验项点，如表2所示。

表2 点焊试验项点

根据电阻点焊的特性，进行目视检测、剪切拉力试验11组、凿子试验11组、宏观磨样检测11组等试验，其中拉剪试验按照ISO14273标准执行[4]；宏观按照EN1321标准执行[5]。

1.2.2 焊接形式

剪切拉力试验、宏观磨样检测试验、凿子试验样件的点焊形式如图1所示。

1.3 焊接参数及焊接试验

焊接试验按照PWPS焊接参数执行，见表3。

（1）剪切拉力试验。按照图1样件的搭接形式焊接11组试验片，对11组焊接试样分别进行编号并进行剪切拉力试验，检查剪切拉力值大于16.5 MPa的要求，剪切拉力值如表4所示。

图1 双面单点焊接

表3 碳钢点焊参数

表4 剪切拉力值

（2）宏观磨样检测试验。目测检查焊核成形状态及表面状态，在无表面缺陷、焊核成形良好的状态下加工试样。先将试件的椭圆型焊核中心位置垂直截断，用不同粒度的砂纸逐级进行初始磨制，然后后用研磨机打磨后放入3%～4%硝酸中腐蚀，之后用温水冲洗试样，再用软刷清理、吹干，在显微镜下观察熔核直径以及熔核中存在的缺陷，宏观磨样结果如图2、图3所示。

图2 焊核直径9.2 mm，无缺陷

（3）凿子试验，剥离结果如图4所示。

图3 焊核直径8.3 mm，无缺陷

图4 11组试样母材均撕裂

按照PWPS焊接文件完成剪切拉力试验11组、宏观磨样检测11组、凿子试验11组的结果全部合格，方可证明焊接参数的可行性，编制WPQR焊接工艺评定报告书以及正式WPS焊接文件。

2 试验结果和分析

（1）剪切拉力值在 31.48～36.21 MPa，接近材质Q310NQL2要求最小剪切拉力值（16.5MPa）的2倍，符合标准要求。（2）宏观金相中的焊核直径分别为9.2 mm（无缺陷）和8.3 mm（无缺陷），符合标准要求。（3）剥离试验均为母材撕裂，撕裂后的焊核轮廓值均超过8.0 mm，符合标准要求。

3 焊接应用与检测

（1）焊接应用。

碳钢电阻点焊已成功应用于时速160 km碳钢动车组产品侧墙部件。侧墙部件采用分段方式制造方案，将整体结构“划整为散”（即弧焊、点焊的总体焊接量“划整为散”），焊接量由整车焊接转化为分段骨架焊接，避免焊接集中问题；将生产制造中的焊接应力以及反变形量“划整为散”，将整车变形量转化为分段骨架变形。侧墙平面度由3～4mm/m提高到1～1.5 mm/m。

（2）焊接准备。

在点焊墙板与骨架时，为保证点焊质量，对于侧墙骨架铺装墙板前的要求为：①铺装墙板前仔细检查侧墙骨架与墙板接触面的焊接飞溅是否清理，灰尘、油污、导电杂质是否清除，骨架的焊缝处理是否打磨光滑。②设备电极冷却状态良好，电极球面R100，电极维氏硬度大于130，电极导电率大于70%。

（3）焊接检测。

使用冻干机换热板随机对检测侧墙钢结构点焊焊点成型、焊点连接面、等效直径，随机检查焊点的编号2726～2729，形成数据如表6所示，X向、Y向的检测范围均为12.2 mm，通过冻干机换热板检测2层板形成焊点后的连接面结大小，通过软件换算出等效直径，等效直径近似焊核直径，通过此检测方法确认焊核的有效值。等效直径检测如表5所示。

表5 等效直径检测

4 结论

（1）通过材料强度选择、点焊参数确定、焊接试验实施、点焊成型检测等手段验证电阻点焊在碳钢中应用的可靠性。

（2）碳钢电阻点焊已在时速160 km碳钢动车组产品中成功应用，与手工氩弧焊相比，电阻点焊更加自动化、智能化，降低了作业强度，并有效提高了产能，同时实现了生产作业环境无尘化。

（3）在部分结构采用电阻点焊替代氩弧焊，采用母材间熔合替代焊材与母材的熔合，既可以减少焊材成本，又可以避免产品质量的增加，满足铁路客车轻量化的要求；电阻点焊使碳钢车焊接变形小，焊接应力降低，焊接质量、外观要求均得到有效的提升，其成功应用可以作为在后续铁路客车技术投标的亮点之一。