客車空調螺柱電弧式螺柱焊的實驗研究

黃海濱 ， 劉建春 ， 柯曉龍 ， 林曉暉

（1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門361024；2.精密驅動與傳動福建省高校重點實驗室，福建廈門361024）

0 引言

電弧螺柱焊的應用始于1936年,最開始出現在造船業上。螺柱焊接技術由于具有快速、可靠、操作簡單和成本低等優點［1-2］，目前在西方發達國家的應用已經相對成熟，螺柱的焊接大約有80%以上是通過電容式和電弧式螺柱焊機完成的。

近年來，隨著我國經濟水平的快速、穩定提升，電弧式螺柱焊接技術涉及的領域也日益廣泛，國內許多機構和學者對各種應用領域的螺柱焊技術進行了大量研究。王克鴻［3］利用散型磁場使得電弧沿螺柱壁旋轉的原理,提出了空心螺柱旋弧焊接新工藝，針對外徑12 mm、壁厚3 mm的空心螺柱，實現了螺柱焊電弧繞螺柱四周壁的均勻旋轉，接頭強度可保持在330～390 MPa 區間；池強［4］研制開發了一種步進式電弧螺柱焊槍及其控制系統，提出螺柱低速送進的同時提供足夠的擠壓力可以實現電弧螺柱焊接，并通過彎曲試驗表明螺柱焊接頭能滿足使用要求；葛佳棋［5］對Q235鋼螺柱和6061鋁合金進行釬焊，利用光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析等表征方法，對接頭的組織、成分和相組成等進行了分析，力學性能測試表明,接頭的抗剪強度最大為65 MPa；黃志林［6］通過對0.7 mm板厚低碳鋼選用相應的材料進行支撐后進行定位焊接，解決了焊接過程中熱量過多導致的焊接缺陷問題，并保證了螺柱位置精度；劉振國［7］提出焊接前對工件各表面進行自動尋位檢測，焊接過程中對螺柱位置進行修正，并添加了自動補償功能以防止出現斷弧或虛焊缺陷；劉志穎［8］通過螺柱焊技術在660 kW風力發電機組地錨焊接過程中大量的生產實踐，總結了螺柱焊易出現的缺欠和缺陷，對焊接接頭產生偏焊的原因進行了分析，提出了預防偏焊、改善焊縫質量的措施；耿雪霏［9］在汽車制造過程中，對厚度為0.8～2.0 mm的汽車頂棚和大隔板采用短周期拉弧式螺柱焊，解決其焊接強度和效率問題。

本文提出一種針對客車空調緊固件——螺栓的電弧式螺柱焊接方式，研究客車空調螺栓電弧式螺柱焊的焊接機理，通過電弧式螺柱焊的機械拉伸實驗，觀察焊接接頭的外觀形貌和焊接質量，以求滿足縮短客車頂蓋整體焊接工作節拍，提高焊接質量，提升客車運行的安全性和可靠性。

1 螺柱焊槍機構設計

國內客車廠家在客車空調的焊接方式上普遍采用傳統的螺栓預埋工藝，如圖1、圖2所示，該方式由于實現上需要諸如槽鋼鉆孔、攻絲、螺栓預埋與焊接、蒙皮補焊等多道繁瑣的工藝過程，從而使客車頂蓋整體焊裝生產節拍較長，且所采用的CO2氣體保護焊接方式焊接表面質量差，焊縫不均勻，密封性差，最終導致客車頂蓋平整度不佳。

圖1 空調螺栓預埋外觀

圖2 頂蓋蒙皮與空調螺栓手工弧焊外觀

為了提高生產節拍和焊接質量，本文針對客車空調固定螺栓的焊接，提出使用電弧式螺柱焊方式替代原有的螺栓預埋氣體保護焊方式，設計了可以自行更換螺柱的螺柱焊槍，其總體結構如圖3所示。

圖3 螺柱焊槍機構

所設計的公交車車頂空調螺柱焊接裝置包括了電磁機構、引弧提升機構、復位彈簧機構、自動送料機構以及夾具等，焊槍設計中采用電磁鐵的原理，通過動鐵心將螺柱提升引弧，斷電后在彈簧的恢復力的作用下送入熔池。其中，自動送料機構的設計依據左輪手槍換彈原理，和夾具搭配使用，一次可以裝夾6根螺柱，完成1只螺柱焊接后，通過手動撥動轉輪，調節至下一只螺柱進行焊接，可大大減少螺柱裝夾時間，提高焊接工作效率。

2 搭建螺柱焊實驗平臺

為了進行螺柱穿透焊，驗證實際焊接效果，搭建了客車空調螺柱焊接實驗平臺，圖4所示為焊接平臺的硬件示意圖。

在完成螺柱焊實驗平臺的硬件搭建后，按照如下步驟進行螺柱穿透焊實驗：

1）為了適應客車空調的運行環境要求，焊接實驗所選擇的螺柱直徑為φ10 mm，為8.8級高強度螺柱，其抗拉強度為640 N/mm2；

圖4 螺柱焊實驗平臺示意圖

2）依據經驗公式，焊接電流I＝焊接面直徑×110 A，焊接時間 t＝I×0．04 ms，由此設置焊機的焊接電流為900 A，焊接時間為60 ms；

3）利用焊接工作臺的夾具將1.2 mm厚的Q235A蒙皮樣板和3 mm厚的骨架樣件（A3鋼槽型折彎件）搭接穩固，骨架與蒙皮樣件接觸面的不平整度應小于1 mm；

4）使用螺柱焊槍（帶陶瓷套圈的拉弧螺柱焊方式）將M10的螺柱穿透蒙皮樣板焊在槽型折彎骨架樣件上。

焊接實驗的主要技術參數如表1所示。

表1 焊接實驗的主要技術參數

使用螺柱焊機（帶陶瓷套圈的拉弧螺柱焊方式）將M10的螺柱穿透Q235A（1.2 mm）的板焊在A3鋼槽型折彎件（3 mm），圖5所示為試件焊接完成后的外觀照片。

由圖5（a）可以看出，螺柱與蒙皮的焊縫區域存在輕微飛濺現象，但整體外觀質量較好。由圖5（b）螺柱焊實驗完成后骨架背面的外觀可以看出，螺柱穿透了蒙皮，較好地焊接在骨架上。

3 螺柱拉伸實驗

空調螺柱在客車運行過程中，受到軸向力和徑向力的雙重作用，為了保證行駛安全，螺柱在抗拉強度和抗剪切強度上都有一定的質量要求，其中抗剪切強度取決于螺柱材料強度，而螺柱焊接后的抗拉強度則取決于螺柱焊縫的抗拉強度和螺柱本身的抗拉強度，如果螺柱焊縫的抗拉強度大于螺柱本身抗拉強度，則認為螺柱焊接質量是好的。為了驗證螺柱焊接的質量，搭建了螺柱焊接實驗平臺，并按照國標GB/T2651-2008/ISO4136：2001中規定的焊接接頭拉伸試驗方法，使用萬能試驗機進行螺柱拉伸試驗。

圖5 客車空調螺柱焊外觀

在萬能材料試驗機上進行拉伸試驗時，所設定拉力F 的計算公式為 F=π×d2σb/4。式中，d為螺柱直徑，σb為螺柱的抗拉強度。由公式計算可得，拉力F為50240 N。

利用工裝夾具將螺柱和骨架試件一上一下分別裝夾，設定拉力值F=50 kN，使用萬能試驗機進行螺柱拉伸試驗，將焊接的螺柱沿著軸向力方向拔直至斷裂，圖6所示為螺柱焊拉伸試驗的螺柱斷面外觀圖。

由圖6中螺柱斷面外觀形貌可見，經過足夠的變形后，螺柱或母材在焊縫區域以外斷裂，表明焊接質量較好。

4 結論

圖6 螺柱焊拉伸試驗斷面外觀圖

1）針對客車空調固定螺栓的焊接，使用電弧式螺柱焊方式替代原有的螺栓預埋氣體保護焊方式，設計了可以自行更換螺柱的螺柱焊槍，完成了三維CAD圖紙的繪制。

2）完成螺柱焊實驗平臺的硬件搭建后，使用直徑為10 mm的螺柱，進行電弧式螺柱焊的實驗，依據經驗公式設定焊接電流為900A，焊接時間為60ms時，完成了客車空調螺柱的焊接成型。

3）用萬能試驗機進行螺柱拉伸試驗，通過螺柱斷面外觀形貌觀察，驗證了螺柱穿透焊的焊接質量。

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