軌道車(chē)輛不銹鋼氣體保護(hù)拉弧螺柱焊

葉結(jié)和

軌道車(chē)輛不銹鋼氣體保護(hù)拉弧螺柱焊

葉結(jié)和

（南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東青島266111）

介紹電弧螺柱焊焊接方法的分類(lèi)及焊接工藝原理，闡述氣體保護(hù)拉弧螺柱焊在軌道車(chē)輛不銹鋼材料上的應(yīng)用。采用BMK-12W電弧式螺柱焊機(jī)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，焊后根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和宏觀檢驗(yàn)。結(jié)果表明，氣體保護(hù)拉弧螺柱焊技術(shù)在軌道車(chē)輛不銹鋼材料的應(yīng)用良好，能夠獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

軌道車(chē)輛；不銹鋼；氣體保護(hù)拉弧螺柱焊

0　前言

電弧螺柱焊（Arc stud welding）是將一端與板件（或管件）表面接觸，通電引弧、待接觸面熔化后，給螺柱一定壓力完成焊接的方法。電弧螺柱焊是焊接緊固件的一種快速連接方法。與普通電弧焊相比，電弧螺柱焊熔合區(qū)小、結(jié)晶速度快，其生產(chǎn)效率和薄板連接是普通電弧焊無(wú)法達(dá)到的[1]。按工件位置的要求，可進(jìn)行平焊、立焊或仰焊[2]。

電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘適用高層鋼骨結(jié)構(gòu)建筑、工業(yè)廠房建筑、公路、鐵路、橋梁、塔架、汽車(chē)、能源、交通設(shè)施建筑、機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、電站、管道支架、起重機(jī)械及其他鋼結(jié)構(gòu)等。

1　電弧螺柱焊分類(lèi)

根據(jù)引弧方法的性質(zhì)，可分為拉弧螺柱焊和尖端引弧螺柱焊。每種方法均需要有適當(dāng)?shù)碾娫础?dòng)裝置、螺柱和附件（如瓷環(huán)）。螺柱焊的特點(diǎn)是極短的電弧燃燒時(shí)間（大約0.5～3 000 ms）和伴隨的快速受熱與冷卻。通常情況下，尖端引弧螺柱焊的螺柱直徑可以達(dá)到10 mm，拉弧螺柱焊的螺柱直徑可達(dá)到25 mm。

1.1拉弧螺柱焊（DS）

拉弧螺柱焊可通過(guò)運(yùn)用焊槍機(jī)械或自動(dòng)進(jìn)行操作。將螺柱裝入夾頭放置在工件上（如有必要可配置適當(dāng)規(guī)格的瓷環(huán)）。焊接開(kāi)始時(shí)，通過(guò)機(jī)械裝置提升螺柱，通常情況下首先在螺柱凸臺(tái)和工件之間產(chǎn)生引弧，然后產(chǎn)生主弧，從而使螺柱凸臺(tái)向工件滲透并導(dǎo)致螺柱和工件的熔合，當(dāng)焊接時(shí)間消逝，螺柱通過(guò)一種較小的壓力（小于100 N）熔入熔池。然后關(guān)閉電源，去除瓷環(huán)。

拉弧螺柱焊方法最早應(yīng)用于造船領(lǐng)域[3]，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、鋼結(jié)構(gòu)、汽車(chē)制造、橋梁、爐窯保溫層掛件、鍋爐、變壓器等行業(yè)[4-5]。

不同的工作范圍、不同焊接時(shí)間和不同的電弧、熔池保護(hù)方式都有與其相適應(yīng)的螺柱焊接設(shè)備。拉弧螺柱焊一般分為三種方法：帶瓷環(huán)保護(hù)或氣體保護(hù)的拉弧螺柱焊（783）；短周期拉弧螺柱焊（784）；電容放電拉弧螺柱焊（785）。

1.2電容放電尖端引燃螺柱焊

電容放電尖端引燃螺柱焊有兩種焊接方式：接觸式和間隙式。

（1）接觸式焊接。將螺柱插入夾頭中，并將凸臺(tái)直接定位在工件表面。通過(guò)焊槍中的彈簧將螺柱壓至金屬工件表面。當(dāng)接通電容器電源時(shí)，凸臺(tái)突然放電且部分汽化，從而產(chǎn)生電弧。螺柱不斷地向金屬板推進(jìn)并且最終熔化凝固。焊接時(shí)間小于等于3 ms。

（2）間隙式焊接工藝與上述描述方法的區(qū)別：在焊接開(kāi)始之前，螺柱被提升至離工件規(guī)定且可調(diào)節(jié)的距離處。

軌道車(chē)輛常用的電弧螺柱焊方法是帶瓷環(huán)保護(hù)或氣體保護(hù)的拉弧螺柱焊（783），在此介紹氣體保護(hù)拉弧螺柱焊方法。

2　不銹鋼材料氣體保護(hù)拉弧螺柱焊工藝試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)條件及方法

2.1.1焊機(jī)選擇

焊接選用SOYER公司BMK-12W電弧式螺柱焊機(jī)?？珊附硬讳P鋼及耐熱鋼，可焊接螺柱尺寸為M3～M12；φ2～11 mm，采用PH-3N焊槍。其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　BMK-12W螺柱焊機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.1.2試驗(yàn)材料選擇

試驗(yàn)采用軌道車(chē)輛常用板材3mm X2CrNiN18-7（EN 10088-2 1.4318）冷軋不銹鋼板。交貨狀態(tài)為2B切邊，晶間腐蝕完好?；瘜W(xué)成分見(jiàn)表2，力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表2　X2CrNiN18-7不銹鋼化學(xué)成分％

表3　X2CrNiN18-7不銹鋼力學(xué)性能

選用A2-70不銹鋼螺柱螺柱，螺柱直徑M10?；瘜W(xué)成分如表4所示。

表4　A2-70螺柱化學(xué)成分％

2.1.3接頭設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)

焊接接頭采用全焊透的T形對(duì)接接頭。焊接位置采用軌道車(chē)輛產(chǎn)品焊接的最典型位置——橫焊位置（PC）。螺柱焊接頭設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

圖1　螺柱焊接頭設(shè)計(jì)

在設(shè)備調(diào)試、摸索工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取如表5所示工藝參數(shù)，采用高純氬氣保護(hù)（ISO14175 I1）。準(zhǔn)備12個(gè)以上的螺柱，12個(gè)螺柱在相同的工況條件和工藝參數(shù)下進(jìn)行焊接，焊后全部進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，10個(gè)進(jìn)行60°彎曲試驗(yàn)，2個(gè)加工后進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)（偏移螺柱中心位置90°）。

表5　螺柱焊工藝參數(shù)

2.2試驗(yàn)和結(jié)果分析

2.2.1焊縫成形與外觀檢驗(yàn)

對(duì)氣體保護(hù)的拉弧螺柱焊接，根據(jù)其應(yīng)用的適當(dāng)情況，外觀檢驗(yàn)用于評(píng)估以下方面：焊縫的形狀及尺寸的均衡性；焊接后螺柱的位置、長(zhǎng)度和角度。

合格的外觀螺柱焊接頭示意如圖2所示。焊后通過(guò)外觀檢驗(yàn)，焊縫余高規(guī)則，光潔和完整。過(guò)渡平緩，沒(méi)有產(chǎn)生焊接裂紋、燒穿、氣孔、咬邊、焊瘤、等缺陷。焊后長(zhǎng)度在公差允許范圍內(nèi)。

圖2　螺柱焊接頭合格外觀示意

2.2.2彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)選定焊接參數(shù)進(jìn)行大致檢查的一種簡(jiǎn)單彎曲檢驗(yàn)方式。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以一種非限定的方式對(duì)焊接螺柱進(jìn)行彎曲。彎曲試驗(yàn)如圖3所示。

圖3　彎曲試驗(yàn)示意

使用氣體保護(hù)的拉弧螺柱焊接，要求螺柱彎曲達(dá)到60°。

為防止焊接試驗(yàn)的偶然性，確保焊接試驗(yàn)的可靠性，選取10個(gè)螺柱進(jìn)行焊接，焊接后按圖3方式進(jìn)行彎曲，彎曲結(jié)果如圖4所示，所有彎曲試驗(yàn)均無(wú)斷裂現(xiàn)象。

2.2.3宏觀檢驗(yàn)

宏觀試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)成形后螺柱的形狀和高度。實(shí)驗(yàn)評(píng)定是通過(guò)一個(gè)最大放大倍數(shù)為10倍的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。任何焊接的斷裂表面的焊接不完整均不得超過(guò)螺柱直徑的20％。直徑少于0.5 mm的氣孔可以忽略不計(jì)。

圖4　螺柱焊彎曲試驗(yàn)結(jié)果

宏觀檢驗(yàn)如圖5所示。焊接接頭熔合區(qū)過(guò)渡良好，熔合線明顯，沒(méi)有明顯焊接缺陷。

圖5　宏觀檢驗(yàn)圖片

3　結(jié)論

采用BMK-12W電弧式螺柱焊機(jī)進(jìn)行氣體保護(hù)拉弧螺柱焊方法焊接的不銹鋼焊接接頭成形良好，無(wú)明顯外觀缺陷。焊后采用60°彎曲試驗(yàn)無(wú)斷裂現(xiàn)象，接頭質(zhì)量穩(wěn)定。宏觀檢驗(yàn)無(wú)明細(xì)焊接缺陷，其接頭符合ISO 14555標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。氣體保護(hù)拉弧螺柱焊方法能夠滿足軌道車(chē)輛不銹鋼的焊接要求。

[1]亢書(shū)生，王偉.電弧螺柱焊及其在轎車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2000，40（5）：30-32.

[2]柳詠枝.螺柱焊焊接工藝[J].焊接技術(shù)，2002，30（4）：20-21.

[3]Singleton R C.The growth of stud welding[J].Welding Engineering，1963，48（7）：27-31.

[4]ChambersHarryA.Principlesandpracticesof stud welding[J]. PCI Journal，2001，46（5）：46-58.

[5]Ramasamy Siva.Drawn arc aluminumstud welding for automotive applications[J].Aluminum，2002，54（8）：44-46.

Drawn arc stud welding with shielding gas for stainless steel of rail vehicle

YE Jiehe
（CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

This paper introduced the classification and operational principle of arc stud welding，and stated application of drawn arc stud welding with shielding gas in stainless steel material of rail vehicles.The process experiment was carried out with BMK-12W arc stud welding machine，after welding，visual testing，bending testing and macroscopic examination were carried out according to the related standards.The test results showed that drawn arc stud welding with shielding gas has been a good application in stainless steel material of rail vehicles and obtained high quality welded joint.

rail vehicle；stainless steel；drawn arc stud welding with shielding gas

TG453+.3

B

1001－2303（2016）01－0074-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.17

2014－08－05；

2015－05－13

葉結(jié)和（1979—），男，安徽望江人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事軌道車(chē)輛焊接技術(shù)研究、焊接管理和焊工培訓(xùn)與考試方面的工作。