點焊技術在不銹鋼軌道客車生產中的應用

程國利 程 鵬 馬 超

(中車長春軌道客車股份有限公司資產能源部，130062，長春//第一作者，教授級高級工程師)

我國早期的地鐵客車生產中，普遍采用碳鋼作為車體材料，如北京地鐵1號線和2號線等。進入到21世紀后，我國軌道客車制造企業開始探索采用不銹鋼作為車體材料。不銹鋼車體具有外型美觀、抗腐蝕性強、強度大、車下布線便利等優點，同時，不銹鋼車體由于采用點焊技術，焊點成型好，外表不需要采用油漆涂層，且生產加工過程中環境污染少。

本文主要介紹中車長春軌道客車股份有限公司(以下簡稱“長客公司”)在軌道不銹鋼客車生產過程中點焊技術的應用情況。

1 點焊設備

1.1 技術論證

在不銹鋼點焊設備技術方案論證階段，長客公司在設備設計、先進性和可靠性方面進行了充分的論證，主要選取在國內外已開始使用，且使用狀況優良的技術方案。同時，還包括操作人員的使用習慣及車輛結構特點，如操作過程的是否合理簡單，人機界面是否有完整的中文菜單等方面的論證。技術方案要求包括：① 采用經過多年使用的、成熟的設計方案；② 采用操作簡單的遙控控制方式；③ 設備元器件和結構具備先進性和適應性；④ 滿足單面雙點和雙面單點焊接要求。

1.2 技術指標

在點焊設備的選型中，主要注意以下技術指標要求：

(1)為使電流輸出更穩定，達到良好的焊接品質，變壓器應盡量靠近電流輸出的焊接電極。盡可能選取小型化、輕量化的變壓器，并安裝在焊鉗上，使之既能使焊鉗輕量化，又可減小平衡器的負載，并可提高焊鉗的可操作性，減少操作工的勞動強度。

(2)變頻控制裝置應具備穩定的性能，強大的輸出能力。

(3)在設計時需充分考慮設備的剛性要素，使設計出的設備能夠長年正常穩定運轉。

(4)變頻電源應可以快速達到所設定的電流，且可以恒流輸出控制，以保證焊接質量的品質與可靠。

(5)操作盒推薦采用觸摸屏形式，可分別設置操作盒和焊接條件盒，以避免焊接條件輸入錯誤，且適合現場操作人員的使用習慣。

2 單面雙點焊接

2.1 性能優缺點

2.1.1 優點

(1)從單側可以進行焊接，可以通過在單側配置加壓裝置和電極極性焊接。

(2)二次回路小，可以節省能耗。如果在大焊接材料的中心附近有焊點的情況，直接點焊需要很長的喉深，而采用單面雙點焊接則因二次回路很小可以進行焊接[1]。

2.1.2 缺點

(1)被焊接板材的上表面會產生無效分流，如果只通過增大電流的方式來控制分流，會造成壓痕變深，易產生飛濺和電極壽命縮短的情況。

(2)焊點偏移大，因為單面雙點同時產生兩個焊點，所以偏移會以平方的數增大。

(3)當被焊接板材為3層板、兩層厚板、上層厚板，以及焊接材料為鋁合金時，不能進行焊接。

2.2 焊點間距對焊接質量的影響

在焊接通電初期，被焊接板材溫度較低，電阻很小，此時產生的無效分流非常大。隨著通電持續進行，無效分流會對板材進行加熱，電阻變大，無效分流逐步減小[2]。另外，特別是當焊點間隔小于板厚的20倍時，無效分流非常不穩定，有時會變得非常大，導致焊點強度顯著下降。

近年來，隨著單面雙點焊接雙向通電法(交流)的開發及使用，顯著改善了單向通電法(直流)的不足。改善主要體現在以下方面：

(1)可以很好地控制并保證兩個焊點的成形及焊接品質相同；

(2)有效控制了焊核偏移所帶來的焊接品質缺陷；

(3)延長了電極的使用壽命，并很好地控制了因電極原因帶來的焊接缺陷；

(4)通過雙向電流通電方式可以很好地抑制兩個電極之間的飛濺產生，保證了焊接質量；

(5)通過大功率交流電源使單面雙點焊接方式用于3層板或厚板焊接成為可能。

3 交流變頻電源

3.1 直流變頻電源缺點

(1)在不使用銅臺電極的情況下，直流變頻焊接為單向通電，焊核受到正負極的影響而造成焊核偏移(極性效應)。極性效應導致左右焊核大小不一致、成形位置不一致，左右焊點的焊接質量不同(見圖1)。

圖1 直流變頻焊接的焊核不一致

(2)直流變頻焊接時，電流會從已經焊完的焊點進行分流，造成左右兩個焊點電阻及電流不一樣，導致焊核大小也不相同，嚴重情況下會有一側焊點焊不上去。這種直流變頻焊接特有現象并不是每次施焊時都會發生，是不規律的，所以控制起來非常困難。

(3)進行單面雙點焊接時，被焊工件成為導體，產生分流現象，而分流是造成焊接飛濺的原因之一。與交流變頻相比，直流變頻為單向電流，其焊接產生的飛濺一般為單個電極(見圖2)，即產生分流電極，會導致兩個焊核不同。

圖2 直流變頻焊接單電極飛濺

(4)由于直流變頻焊接為單向通電，導致正負兩個電極的損耗情況不一致(正電極損耗快)。當電極頭表面狀態不一致時，導致左右焊點出現偏差，造成焊接質量下降。

3.2 交流變頻電源優點

(1)交流變頻電源在啟動時，恒流精度和焊核穩定區域等都與直流變頻電源有相同的特性。

(2)交流變頻焊接不受極性效應影響，不會出現焊核偏移的情況。

(3)交流變頻焊接可以使兩個電極保持相同的狀態，兩個電極會相互抑制飛濺現象，所以兩個焊點是一致的(見圖3)。

(4)雖然交流變頻電源在焊接時焊接電流也會從工件表面進行分流，但交流變頻控制器以其精細的電流控制、縝密的焊接時間、多種通電控制模式等優點改善了直流變頻電源焊接的不足之處[3]。

圖3 交流變頻焊接焊核一致

長客公司在軌道不銹鋼客車底架焊接時，考慮到板材較厚，采用直流變頻電源單面雙點焊接無法保證焊接質量，故采用交流變頻電源單面雙點焊接方式施焊。

4 焊接精度

長客公司的不銹鋼點焊設備中，無論是自動設備還是手動設備，都具備激光打點位置識別功能。即在焊鉗接近電極的部位追加激光標示器，通過兩個激光標示器發出的激光束交叉點來確定打點位置。激光標示器的激光束位置可調整，以滿足更換電極后，打點位置偏離后的校準，這給確認程序及示教帶來了方便。同時，自動焊接時也可以使用此功能來減少工人操作強度，增加工作效率。

5 結語

交流變頻雙點焊接技術繼承了直流變頻焊接技術焊接電流穩定和焊接高效的優點；改變了從兩側焊接的傳統焊接工藝，采用單側焊接，簡化了焊接工裝程序，提高了焊接效率；解決了直流變頻焊接工藝中焊核偏移的缺陷，提高了焊接質量；提高了較厚鋼板的焊接質量。