預(yù)涂結(jié)構(gòu)膠對(duì)軌道車輛用不銹鋼點(diǎn)焊接頭質(zhì)量與性能的影響

徐 野 ，韓曉輝 ，李永兵 ，張志毅 ，黃詩(shī)銘 ，王 斌

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.上海交通大學(xué)，上海200240；3.大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028）

0 前言

電阻點(diǎn)焊是將待焊金屬工件置于壓緊的兩個(gè)電極之間，通過(guò)電流流經(jīng)工件的接觸面及臨近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱，使其局部加熱到熔化或塑性狀態(tài)，形成金屬結(jié)合的一種連接方法[1]。由于電阻點(diǎn)焊冶金過(guò)程比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，生產(chǎn)效率較高，因此普遍用于軌道車輛不銹鋼的焊接[2]。但在進(jìn)行不銹鋼車體焊接時(shí)，為確保焊點(diǎn)具有足夠的連接強(qiáng)度，往往采用較大的焊接熱輸入，施加較大的電極壓力，因而在無(wú)涂裝不銹鋼車體表面形成了較為明顯的焊接痕跡，降低車體的外觀質(zhì)量。

膠接點(diǎn)焊將膠接與電阻點(diǎn)焊結(jié)合起來(lái)、將膠結(jié)劑涂覆于工件之間來(lái)實(shí)現(xiàn)連接的一種先進(jìn)的復(fù)合連接工藝。它充分發(fā)揮了膠接和點(diǎn)焊各自的優(yōu)點(diǎn)，使得應(yīng)力分布均勻，提高了接頭的強(qiáng)度和密封性，在焊接電流和電極壓力較低的條件下，可獲得外觀質(zhì)量良好、凹痕較淺并強(qiáng)度較高的點(diǎn)焊接頭[3-4]。

本研究以軌道車輛常用的不銹鋼板材（1.5 mm厚EN1.4318+2G和1.5 mm厚的SUS301L-HT）點(diǎn)焊為例，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行膠接點(diǎn)焊與常規(guī)點(diǎn)焊工藝對(duì)比試驗(yàn)，為膠接點(diǎn)焊在非涂裝不銹鋼車輛焊接中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用軌道車輛常用的EN1.4318+2G和SUS301L-HT奧氏體不銹鋼板材，厚度1.5 mm。其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。膠接點(diǎn)焊試驗(yàn)使用BETAMATE 1440-CHN結(jié)構(gòu)膠。

表1 化學(xué)成分 %

表2 力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

焊接設(shè)備采用NM-CC3-110/1中頻逆變式電阻點(diǎn)焊機(jī)，焊接方式為單面點(diǎn)焊。上電極材料為鉻銅合金，電極直徑φ16mm，電極帽端部呈球面R75mm；下電極為表面拋光的鉻銅合金工藝墊板，其厚度為20 mm、平面度0.3 mm/m。

標(biāo)準(zhǔn)工作試件點(diǎn)焊接頭采用搭接形式，搭接量40 mm，上板為SUS301L-HT、下板為EN1.4318+2G，共15個(gè)焊點(diǎn)，點(diǎn)焊試件尺寸見圖1。焊前在兩鋼板搭接區(qū)域均勻涂覆0.2 mm厚的BETAMATE TETM1440-CHN結(jié)構(gòu)膠，焊后將試板在200℃下進(jìn)行固化處理，保溫20 min后隨爐冷卻至室溫。為了對(duì)比膠接點(diǎn)焊接頭與常規(guī)點(diǎn)焊接頭的外觀質(zhì)量和接頭強(qiáng)度，同時(shí)焊接未涂結(jié)構(gòu)膠的點(diǎn)焊試板。通過(guò)點(diǎn)焊試驗(yàn)確定的點(diǎn)焊參數(shù)如表3所示。焊接完成后，對(duì)點(diǎn)焊試件去除第1點(diǎn)和第15點(diǎn)后進(jìn)行外觀檢查、平滑度檢驗(yàn)、斷面檢驗(yàn)及拉伸剪切試驗(yàn)，其中用千分表測(cè)量EN1.4318+2G拉絲外表面的焊點(diǎn)凸痕高度；參照ISO17639：2003的規(guī)定對(duì)點(diǎn)焊接頭進(jìn)行宏觀斷面檢驗(yàn)，測(cè)定熔核直徑和熔透率；接頭剪切拉伸試驗(yàn)在WDW-300E電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成，利用OLYMPUS-BX51M光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織分析。

圖1 點(diǎn)焊試板形狀及尺寸

表3 點(diǎn)焊參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外觀質(zhì)量

根據(jù)EN15085-3附錄F電阻點(diǎn)焊和企業(yè)關(guān)于軌道車輛產(chǎn)品的規(guī)定，有外觀要求的表面，其焊接痕跡（包括電極壓痕、環(huán)形加強(qiáng)斑痕、缺欠、熱變形等）不能超過(guò)單側(cè)板厚度的10%[5]。單面點(diǎn)焊在EN1.4318+2G拉絲面上的焊點(diǎn)凸痕高度測(cè)量結(jié)果如表4所示，相應(yīng)的焊點(diǎn)外觀宏觀形貌如圖2所示，兩種接頭的焊點(diǎn)均較為圓整，沒有觀察到裂紋、噴濺等點(diǎn)焊缺陷。但是，與膠接點(diǎn)焊相比，常規(guī)點(diǎn)焊的焊點(diǎn)痕跡較為明顯，尤其是在焊點(diǎn)周圍的邊緣部位出現(xiàn)凸起臺(tái)狀輪廓。由表4可知，常規(guī)點(diǎn)焊接頭的焊點(diǎn)最大凸痕高度為0.041 mm、平均高度0.031mm，而膠接點(diǎn)焊的焊點(diǎn)最大凸痕高度為0.017mm，平均高度0.011mm。兩種接頭的外觀及焊接痕跡檢驗(yàn)均滿足產(chǎn)品規(guī)定要求。采用膠接點(diǎn)焊工藝，由于減小焊接熱輸入和電極壓力，使得焊點(diǎn)的表面凸痕高度減小，進(jìn)一步改善了點(diǎn)焊接頭的外觀質(zhì)量。

圖2 焊點(diǎn)外觀形貌

表4 單面點(diǎn)焊接頭凸痕高度

2.2 熔核直徑及熔透率

點(diǎn)焊接頭的熔核宏觀形貌、熔核直徑和熔透率的測(cè)量結(jié)果如表5所示。由熔核宏觀形貌可以看出，點(diǎn)焊接頭的熔核均呈橢圓形，接頭橫截面上沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、熔核內(nèi)部縮孔以及飛濺等缺陷。常規(guī)點(diǎn)焊接頭在EN1.4318+2G側(cè)熔透率的平均值為65.35%，在SUS301L-HT側(cè)為59.45%；膠接點(diǎn)焊接頭在EN1.4318+2G側(cè)熔透率的平均值為58.25%，在SUS301L-HT側(cè)為46.05%，熔透率符合規(guī)定的30%～80%之間。常規(guī)點(diǎn)焊接頭的平均熔核直徑為6.76 mm，膠接點(diǎn)焊接頭的平均熔核直徑為5.79 mm，顯然熔核直徑也都符合規(guī)定的板厚1.5mm不銹鋼點(diǎn)焊時(shí)不小于5.6mm的要求。與常規(guī)點(diǎn)焊相比，膠接點(diǎn)焊接頭的熔核直徑有所減小。

表5 點(diǎn)焊熔核直徑和熔透率測(cè)量結(jié)果

2.3 拉伸剪切載荷

常規(guī)點(diǎn)焊和膠接點(diǎn)焊接頭的剪切拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。可以看出，常規(guī)點(diǎn)焊接頭拉剪載荷的最小值為19.05 kN、平均值為19.4 kN，膠接點(diǎn)焊接頭拉剪載荷的最小值為22.76kN、平均值為28.2kN，符合1.5 mm厚度EN1.4318+2G不銹鋼板點(diǎn)焊接頭拉剪載荷不低于9.51kN的要求。與常規(guī)點(diǎn)焊接頭相比，膠接點(diǎn)焊接頭的拉剪強(qiáng)度提高了45.3%。這說(shuō)明采用膠接點(diǎn)焊方法，雖然因焊接熱輸入降低而減小了熔核直徑，但是結(jié)構(gòu)膠的附加強(qiáng)化作用使得接頭的抗剪強(qiáng)度仍明顯高于常規(guī)點(diǎn)焊接頭。值得注意的是，本次膠接點(diǎn)焊接頭的拉剪載荷標(biāo)準(zhǔn)差要高于常規(guī)點(diǎn)焊，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為離散，這是因?yàn)楹盖霸诎彘g涂覆的結(jié)構(gòu)膠不夠均勻所致，需改進(jìn)涂膠的方法。

點(diǎn)焊接頭拉伸剪切載荷與位移的關(guān)系如圖3所示。與常規(guī)點(diǎn)焊相比，膠接點(diǎn)焊接頭在拉剪過(guò)程中隨著試件的拉伸變形出現(xiàn)了兩個(gè)載荷峰值，其中第一個(gè)峰值主要為膠接的最大拉剪載荷，第二個(gè)峰值為點(diǎn)焊的最大拉剪載荷。顯然，膠接點(diǎn)焊接頭在受力過(guò)程中具有更大的塑性變形和更高的能量吸收率，這使得拉剪強(qiáng)度明顯高于常規(guī)點(diǎn)焊接頭。焊點(diǎn)拉剪斷裂面宏觀形貌如圖4所示，顯然這兩種點(diǎn)焊接頭的斷裂位置均為沿著熔核界面斷裂。

表6 單面點(diǎn)焊接頭拉剪載荷

圖3 點(diǎn)焊接頭拉剪曲線

3 結(jié)論

（1）在本次單面點(diǎn)焊工藝條件下，膠接點(diǎn)焊與常規(guī)點(diǎn)焊接頭均具有較好的外觀質(zhì)量，焊點(diǎn)凸痕的高度符合不超過(guò)單側(cè)板厚度10%的規(guī)定，即不大于0.1 mm的要求，其中膠接點(diǎn)焊的焊接痕跡明顯輕于常規(guī)點(diǎn)焊。

圖4 點(diǎn)焊接頭拉剪斷口宏觀形貌

（2）膠接點(diǎn)焊和常規(guī)點(diǎn)焊的熔透率、熔核直徑和拉伸剪切載荷都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。與常規(guī)點(diǎn)焊接頭相比，膠接點(diǎn)焊的熔核直徑有所減小，但接頭的拉伸剪切載荷平均提高了約45%。

（3）焊前在不銹鋼板間預(yù)涂0.2 mm厚度結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行的膠接點(diǎn)焊，其接頭強(qiáng)度改善的主要原因是附加膠接本身具有較高的接合強(qiáng)度。但需要改進(jìn)涂膠的方法，避免涂膠不夠均勻。