軌道車輛不銹鋼氣體保護拉弧螺柱焊

葉結和

軌道車輛不銹鋼氣體保護拉弧螺柱焊

葉結和

（南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

介紹電弧螺柱焊焊接方法的分類及焊接工藝原理，闡述氣體保護拉弧螺柱焊在軌道車輛不銹鋼材料上的應用。采用BMK-12W電弧式螺柱焊機進行工藝試驗，焊后根據相關標準進行外觀檢驗、彎曲試驗和宏觀檢驗。結果表明，氣體保護拉弧螺柱焊技術在軌道車輛不銹鋼材料的應用良好，能夠獲得優質的焊接接頭。

軌道車輛；不銹鋼；氣體保護拉弧螺柱焊

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，電弧螺柱焊熔合區小、結晶速度快，其生產效率和薄板連接是普通電弧焊無法達到的[1]。按工件位置的要求，可進行平焊、立焊或仰焊[2]。

電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘適用高層鋼骨結構建筑、工業廠房建筑、公路、鐵路、橋梁、塔架、汽車、能源、交通設施建筑、機場、車站、電站、管道支架、起重機械及其他鋼結構等。

1　電弧螺柱焊分類

根據引弧方法的性質，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的電源、啟動裝置、螺柱和附件（如瓷環）。螺柱焊的特點是極短的電弧燃燒時間（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到10 mm，拉弧螺柱焊的螺柱直徑可達到25 mm。

1.1拉弧螺柱焊（DS）

拉弧螺柱焊可通過運用焊槍機械或自動進行操作。將螺柱裝入夾頭放置在工件上（如有必要可配置適當規格的瓷環）。焊接開始時，通過機械裝置提升螺柱，通常情況下首先在螺柱凸臺和工件之間產生引弧，然后產生主弧，從而使螺柱凸臺向工件滲透并導致螺柱和工件的熔合，當焊接時間消逝，螺柱通過一種較小的壓力（小于100 N）熔入熔池。然后關閉電源，去除瓷環。

拉弧螺柱焊方法最早應用于造船領域[3]，隨著工業技術的不斷發展，此項技術已經廣泛應用于建筑、鋼結構、汽車制造、橋梁、爐窯保溫層掛件、鍋爐、變壓器等行業[4-5]。

不同的工作范圍、不同焊接時間和不同的電弧、熔池保護方式都有與其相適應的螺柱焊接設備。拉弧螺柱焊一般分為三種方法：帶瓷環保護或氣體保護的拉弧螺柱焊（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，并將凸臺直接定位在工件表面。通過焊槍中的彈簧將螺柱壓至金屬工件表面。當接通電容器電源時，凸臺突然放電且部分汽化，從而產生電弧。螺柱不斷地向金屬板推進并且最終熔化凝固。焊接時間小于等于3 ms。

（2）間隙式焊接工藝與上述描述方法的區別：在焊接開始之前，螺柱被提升至離工件規定且可調節的距離處。

軌道車輛常用的電弧螺柱焊方法是帶瓷環保護或氣體保護的拉弧螺柱焊（783），在此介紹氣體保護拉弧螺柱焊方法。

2　不銹鋼材料氣體保護拉弧螺柱焊工藝試驗

2.1試驗條件及方法

2.1.1焊機選擇

焊接選用SOYER公司BMK-12W電弧式螺柱焊機。可焊接不銹鋼及耐熱鋼，可焊接螺柱尺寸為M3～M12；φ2～11 mm，采用PH-3N焊槍。其技術參數如表1所示。

表1　BMK-12W螺柱焊機技術參數

2.1.2試驗材料選擇

試驗采用軌道車輛常用板材3mm X2CrNiN18-7（EN 10088-2 1.4318）冷軋不銹鋼板。交貨狀態為2B切邊，晶間腐蝕完好。化學成分見表2，力學性能見表3。

表2　X2CrNiN18-7不銹鋼化學成分％

表3　X2CrNiN18-7不銹鋼力學性能

選用A2-70不銹鋼螺柱螺柱，螺柱直徑M10。化學成分如表4所示。

表4　A2-70螺柱化學成分％

2.1.3接頭設計及工藝參數

焊接接頭采用全焊透的T形對接接頭。焊接位置采用軌道車輛產品焊接的最典型位置——橫焊位置（PC）。螺柱焊接頭設計示意如圖1所示。

圖1　螺柱焊接頭設計

在設備調試、摸索工藝參數的基礎上，選取如表5所示工藝參數，采用高純氬氣保護（ISO14175 I1）。準備12個以上的螺柱，12個螺柱在相同的工況條件和工藝參數下進行焊接，焊后全部進行外觀檢驗，10個進行60°彎曲試驗，2個加工后進行宏觀檢驗（偏移螺柱中心位置90°）。

表5　螺柱焊工藝參數

2.2試驗和結果分析

2.2.1焊縫成形與外觀檢驗

對氣體保護的拉弧螺柱焊接，根據其應用的適當情況，外觀檢驗用于評估以下方面：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。焊后通過外觀檢驗，焊縫余高規則，光潔和完整。過渡平緩，沒有產生焊接裂紋、燒穿、氣孔、咬邊、焊瘤、等缺陷。焊后長度在公差允許范圍內。

圖2　螺柱焊接頭合格外觀示意

2.2.2彎曲試驗

彎曲試驗是通過對選定焊接參數進行大致檢查的一種簡單彎曲檢驗方式。在實驗過程中，以一種非限定的方式對焊接螺柱進行彎曲。彎曲試驗如圖3所示。

圖3　彎曲試驗示意

使用氣體保護的拉弧螺柱焊接，要求螺柱彎曲達到60°。

為防止焊接試驗的偶然性，確保焊接試驗的可靠性，選取10個螺柱進行焊接，焊接后按圖3方式進行彎曲，彎曲結果如圖4所示，所有彎曲試驗均無斷裂現象。

2.2.3宏觀檢驗

宏觀試驗主要是檢驗成形后螺柱的形狀和高度。實驗評定是通過一個最大放大倍數為10倍的設備進行檢測。任何焊接的斷裂表面的焊接不完整均不得超過螺柱直徑的20％。直徑少于0.5 mm的氣孔可以忽略不計。

圖4　螺柱焊彎曲試驗結果

宏觀檢驗如圖5所示。焊接接頭熔合區過渡良好，熔合線明顯，沒有明顯焊接缺陷。

圖5　宏觀檢驗圖片

3　結論

采用BMK-12W電弧式螺柱焊機進行氣體保護拉弧螺柱焊方法焊接的不銹鋼焊接接頭成形良好，無明顯外觀缺陷。焊后采用60°彎曲試驗無斷裂現象，接頭質量穩定。宏觀檢驗無明細焊接缺陷，其接頭符合ISO 14555標準的相關要求。氣體保護拉弧螺柱焊方法能夠滿足軌道車輛不銹鋼的焊接要求。

[1]亢書生，王偉.電弧螺柱焊及其在轎車生產中的應用[J].電焊機，2000，40（5）：30-32.

[2]柳詠枝.螺柱焊焊接工藝[J].焊接技術，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

葉結和（1979—），男，安徽望江人，高級工程師，碩士，主要從事軌道車輛焊接技術研究、焊接管理和焊工培訓與考試方面的工作。