高速列車用鋁合金電阻點焊接頭的宏觀形貌與性能

生士軍

(南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111)

0序言

隨著現代交通的高速發展，高速列車作為軌道交通的代表應運而生。而高速列車多采用動力分散式[1]，這對列車車體的輕量化提出了更高的要求。由于鋁合金比強度高，導熱性和耐蝕性好，且材料可以再生利用，因此鋁合金在高速列車制造上具有其他材料不可替代的功能。從設計結構方面考慮，板梁結構可以保持車體質量最低，廣泛用于鋁合金車體端墻結構中。該結構主要采用手工MIG焊工藝和電阻點焊工藝，與MIG焊工藝相比，電阻點焊工藝可以更大程度的降低端墻外板的變形量，減少調修量。但電阻點焊目前尚未存在有效的無損檢測方法，且國內有關鋁合金電阻點焊工藝的研究都是針對汽車車身等相對較薄的材料[2]，對于高速列車中用A7N01S-T5及A5083-P材料的研究尚未存在，因此研究電阻點焊的焊接工藝參數對其接頭的宏觀形貌及性能的影響對高速列車的實際生產具有重要的指導意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

論文采用5mm厚的A7N01S-T5和4mm厚的A5083-P板材作為被焊材料。其中A7N01S-T5為Al-Zn-Mg合金，是熱處理強化鋁合金，其強化相為MgZn2，具有很好的自然時效性能；A5083-P為Al-Mg合金，屬非熱處理強化鋁合金。兩種材料的主要化學成分及力學性能如表1和表2所示。

表1 A7N01S-T5和A5083-P的主要化學成分[3]

表2 A7N01S-T5和A5083-P的力學性能

表3 電阻點焊試驗參數

1.2 電阻點焊試驗

試驗采用額定功率為350kVA，最大容量為960kVA的三項整流式自動點焊系統。試樣規格為200mm×50mm，按照EN15085-3《鐵路上的應用-鐵路車輛及其部件的焊接-設計要求》附錄F中的要求并按表3中的點焊參數進行電阻點焊。由于點焊時分流作用的影響，每組試樣進行3次點焊，且取受分流作用影響較大的第三個點作為最終的焊接接頭，以觀察其宏觀形貌。

取點焊接頭宏觀形貌較好的一組焊接參數，并按照EN14273-2001《電阻點焊、縫焊和浮凸焊接剪切試驗的程序和樣品尺寸》中的要求制作剪切試樣，并進行剪切試驗。

取剪切試驗中的焊接參數，并按照ISO10447-2006《電阻焊電阻點焊與凸焊的剝離和鑿削試驗》中的要求制作剝離和鑿削試樣，并進行剝離和鑿削試驗。

2試驗結果與分析

試驗結果如圖1(a～g)所示，各組接頭的焊核直徑見表4。

圖1 電阻點焊接頭宏觀形貌

表4 各組點焊接頭的熔核直徑

2.1 電極壓力對點焊接頭宏觀形貌的影響

從組1和組2的試驗結果中可知，在焊接電流和時間相同的情況下，電極壓力由21.4kN減小到17.6kN時，其熔核直徑由3.5mm增大到5.5mm。這說明隨著電極壓力的減小，熔核直徑會相應增加。因為電極壓力增大會使金屬的彈性和塑性變形增加，這對壓平接觸面的凹凸不平和破壞不良導體的膜有利，進而使其接觸電阻減小，相反則接觸電阻增大。根據焦耳定律可知，這會增加焊接區的電阻熱，進而熔化區面積增加，最終導致熔核直徑增加。

2.2 焊接電流對點焊接頭宏觀形貌的影響

從組2、3、4的試驗結果中可以看出，在通電時間及電極壓力不變的情況下，當焊接電流分別為55kA，56kA，57kA時，對應的熔核直徑為5.5mm，6mm，7mm。這說明當焊接電流增加時，接頭的熔核直徑也相應增加，且基本符合線性關系，如圖2所示。

圖2 焊接電流對熔核直徑的影響

從組2、3、4接頭宏觀形貌中還可以發現，接頭斷面的形狀為橢圓形，且沿接觸面對稱分布，當焊接電流增加時，橢圓的面積也相應均勻的增加，并沒有突變成不規則的斷面。這說明在一定范圍內，焊接電流的增加對電阻熱的貢獻是均勻變化的。所以要想獲得較為理想直徑的點焊接頭，在一定范圍提高焊接電流是最直接，也是最有效的途徑之一。

2.3 通電時間對點焊接頭宏觀形貌的影響

分析組4、5、6、7的試驗結果可知，在焊接電流和電極壓力不變的前提下，延長通電時間，其熔核直徑在12ms到14ms之間變化較大，在14ms～16ms之間變化較為平緩，變化趨勢如圖3所示。這是因為鋁合金材料的熔點低，導熱快，導致點焊時接頭的高溫軟化區較大，對通電時間的變化非常敏感，程方杰等認為通電時間每增加1周波，軟化區顯著增加。且300℃以上的區域隨通電時間的增加擴大更為明顯。此時接觸面已經形成了完全的金屬接觸，導致接觸電阻降低，從而電阻產熱將大幅度下降。所以當通電時間繼續增加時，熔核直徑方向的尺寸已基本長到極限，此時主要體現在厚度方向的緩慢增長[4]。有研究表明，熔核的直徑是影響點焊接頭強度的直接因素，兩者成正比關系；而厚度方向的增加對接頭強度影響很小，且從組5、6、7接頭表面的下壓量來看，組7接頭的下壓量明顯過大，這在實際的生產中會影響產品的表面質量，是需要避免的。

圖3 通電時間對點焊接頭熔核直徑的影響

2.4 點焊接頭剪切試驗

從以上7組接頭的宏觀形貌的綜合分析得知，組6的焊接工藝參數為7組試驗中最佳，取組6的工藝參數進行點焊接頭的剪切試驗，其結果見表5和圖4。從圖4中可觀察到，相同工藝參數的條件下，每個焊點的剪切力相差較大，但都在一定范圍內波動。剪切力的最低值為7.55kN，最高值為14.62kN，平均值為11.17kN。所得結果滿足EN15085-3附錄F中的要求。

表5 電阻點焊接頭剪切試驗結果

圖4 電阻點焊剪切試驗結果分布情況

2.5 點焊接頭剝離和鑿削試驗

同樣取組6的焊接工藝參數進行點焊接頭的剝離和鑿削試驗，試驗結果如表6和表7所示。

表6 電阻點焊接頭剝離試驗結果

表7 電阻點焊接頭鑿削試驗結果

分析點焊接頭剝離試驗結果可知，其熔核最小直徑為8.5mm，平均直徑為9.8mm，鑿削試驗的熔核最小直徑為8.5mm，平均直徑為9.6mm。試驗結果符合EN15085-3附錄F中的規定的最小值。

3 結論

1）在一定范圍內，電極壓力減小，被焊工件接觸電阻增大，熔化區面積增加，最終導致熔核直徑增加。

2）在一定范圍內，焊接電流與接頭的熔核直徑符合線性關系，提高焊接電流是增加接頭熔核直徑最直接，最有效的途徑之一。

3）延長通電時間在一定范圍內可以增加熔核直徑，但繼續增加通電時間時，主要體現在熔核厚度方向的增長，且會導致接頭表面下壓量過大。

4）點焊接頭剪切試驗、剝離和鑿削試驗驗證了上述結論的適用性，對實際的生產具有重要的指導意義。

［1］何如.高速列車鋁合金焊接接頭疲勞性能研究[M].北京:北京交通大學，2008，6.

［2］倪建東，劉新霞，宋永倫.轎車車身6061鋁合金的中頻點焊工藝及接頭性能研究[J].電焊機，2009，39(7):41.

［3］張鐵浩，李振江.鐵道車輛鋁合金車體電阻點焊缺陷分析及預防措施[J].裝備制造技術，2013(4):59.

［4］程方杰，單平，廉金瑞，胡繩蓀.鋁合金電阻點焊的形核特點[J].焊接學報，2003，24(2):37-38.