（光学工程专业论文）不锈钢客车焊点组织结构及性能的研究.pdf

摘要 摘要 随着我国在铁道车辆中提速和对轻量化需求的提高，不锈钢客车正 在国内逐步的应用，我国从国外引进先进的不锈钢客车生产技术，并进 口铁道车辆的专用不锈钢板，生产不锈钢客车。 本论文分析了不锈钢客车的特点及其在国内外生产和应用的状况， 并分析了不锈钢客车的生产工艺，为了克眼在焊接高温条件下不锈钢内 部组织易发生变化，进而产生晶间腐蚀而破裂的缺点，因止匕在不锈钢客 车的生产中一般多采用电阻点焊工艺。 不锈钢客车车体焊点的质量，直接影响车辆的使用性能和安全性 能。对不锈钢客车焊点微观组织及焊点各方面性能的研究对于不锈钢客 车的生产和应用来说是很有必要的，而这方面的工作在国内做的还不 多。 长春客车厂生产的不锈钢客车所采用的不锈钢板是从日本进口的 s u s 3 0 1 e 系列不锈钢板。本论文对其不锈钢客车车体几种型式的焊点进 行了研究分析。主要包括以下内容： l 、分析了不锈钢客车焊点的显微组织及其成份。 2 、对点焊接头进行了剪切拉伸试验，焊点的熔核直径和最大抗剪 切强度均符合日本标准j i s z3 1 4 0 1 9 8 9 ( 1 9 9 4 年确认) 。 3 。研究了点焊接头在低温( 一5 0 ) 下的抗剪切拉伸性能。 4 、对不锈钢客车门框部位1 + 1 5 m m 点焊接头和侧墙立柱部位 4 + 1 5 + i ，5 m m 点焊接头进行了剪切拉伸疲劳试验，得出了两类点焊接头 的疲劳极限及其p s n 曲线。 5 、利用a n s y s 有限元分析软件，对点焊接头进行了有限元分析， 北京交通大学硕士论文 得到了其应力场的分布规律。 6 、对不锈钢客车焊点进行了失效分析，分析表明点焊接头具有较 好的塑性和韧性。 关键词：不锈钢客车s u s 3 0 1 l 板点焊剪切强度疲劳性能 a b s a r a c t a b s t r a c t t h er a i l w a yc a rm a d eo fs t a i n l e s ss t e e li sa p p l i e di n0 1 1 1 c o u n t r ys t e pb y s t e pw i t ht h er e q u i r e m e n to fs p e e d u pa n dl i g h tw e i g h to fr a i l w a yc a r ho u r c o u n t r y , t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t of r o ma b r o a da n dt h e s p e c i a ls t a i n l e s ss t e e lo f r a i l w a yc a ri si m p o r t e d h 1t h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i co fr a i l w a yc a ra n dt h es t a t u so f m a n u f a c t u r ea n d a p p l i c a t i o na b r o a d h a v eb e e na n a l y z e d t h et e c h n i c so f t h e r a i l w a yc a rh a sa n a l y z e d i no r d e rt oa v o i dt h ed i s a d v a n t a g et h a tt h e m i c r o s t r u c t u r eo fs t a i n l e s ss t e e lt e n d st ob ee r o d e da n db ef r a c t u r e dd u et o h i g ht e m p e r a t u r ei nw e l d i n g ，t h er e s i s t a n c es p o tw e l d i n gh a sb e e na d o p t e d i nt h em a n u f a c t u r eo f r a i l w a yc a rm a d eo f s t a i n l e s ss t e e l t h ep e r f o r m a n c eo f s a f e t ya n du s eo f t h er a i l w a yc a ri sa f f e c t e dd i r e c t l y b yt h eq u a l i t yo ft h ew e l d i n gs p o t o fr a i le a r i ti sv e r yn e c e s s a r yt o i n v e s t i g a t et h em i e r o s t r u c t u r ea 玎dc a p a b i l i t ye fw e l d i n g5 芦。tb u ft h i ss t u d i y i sf e wi no u rc o u n t r y t h es u s 3 0 1 lp l a t ea p p l i e dt or a i lc a ri nc h a n g c h u nr a i lc a rf a c t o r y w a si m p o r t e df r o mj a p a n t h i sp a p e rh a si n v e s t i g a t e ds e v e r a lk i n d so f w e l d i n gs p o to fr a i lc a r t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 t h em i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o no ft h e w e l d i n gs p o to ft h er a i lc a r w a sm e a s u r e d 2t h es h e a rt e n s i l ee x p e r i m e n t a t i o no fw e l d i n gj o i mw a sc a m e do u t t h es p o t w e l d i n gn u g g e td i a m e t e r a n ds h e a r s t r e n g t hs a t i s f i e dt h e r e q u i r e m e n to f j i sz3 1 4 0 - 1 9 8 9s t a n d a r df a f f i r m e di n1 9 9 4 ) 3 t h es h e a rt e n s i l ep e r f o r m a n c eo ft h es p o tw e l d i n gj o i n ti nl o w t e m p e r a t u r e ( 一5 0 。c ) w a si n v e s t i g a t e d 4 t h ef a t i g u ee x p e r i m e n t a t i o n so ft w ok i n d so fs p o tw e l d i n gj o i n to f m 北京交通大学硕士论文 i + i 5 m mw e l d i n gj o i n ti nd o o rp o s ta n d1 5 + i 5 + 4 m mw e l d i n gj o i mi ns i d e w a l lw e r ec a r r i e do u t t h ef a t i g u el i m i ta n dt h ep s nc u r v e dl i n ew e r e o b t a i n e d 5 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa b o u ts p o tw e l d i n gj o i n th a sb e e n c o m p l e t e du s i n ga n s y ss o f t w a r ea n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o nh a sa l s ob e e n s h o w no u t 6 t h ef a i l u r eo fr a i lc a rw e l d i n gs p o tw a sa n a l y z e d t h eb e t t e rp l a s t i c c a p a b i l i t ya n dt o u g h n e s so f t h es p o tw e l d i n g j o i n tw a ss h o w n o u t k e yw o r d s ：r a i lc a ro fs t a i n l e s ss t e e l ，s u s 3 0 1lp l a t e ，s p o tw e l d i n g ， s h e a rs t r e n g t h ，f a t i g u ep e r f o r m a n c e 第一章概述 第一章概述 1 1 引言 早在二十世纪3 0 年代，美国和法国就开始用不锈钢制造铁道车辆。 随着工业生产技术的发展和进步，不锈钢车体的制造技术也日臻成熟和 完善。近来，国外的不锈钢车已成为轻量化车体的主流 ”。日本目前在 不锈钢客车制造技术方面居世界领先水平。当前，发达国家仍致力于发 展不锈钢客车的制造技术，日本正在研发激光焊接的不锈钢客车，以解 决不锈钢客车车体气密性较差的问题，最终实现将不锈钢客车应用于高 速列车领域的目标。 国外的不锈钢客车大致分为两类，即骨架为普通钢、外皮为不锈 钢的半不锈钢车体和只有部分受力件( 底架中的牵引梁、枕梁、缓冲梁、 边梁和悬挂重物的横梁) 为低合金钢其余均为不锈钢的“全不锈钢”车 体 2 。由于受不锈钢焊接技术的限制，不锈钢客车制造工艺主要采用电 阻点焊。 不锈钢耐腐蚀、机械性能好、成型能力好、加工硬化率高，可最 大限度地降低车体构件的壁厚，减轻车体重量，并可大大降低维修费用 和运营成本，取得良好的经济效益。 不锈钢车辆采用的材料通常是低碳高抗拉强度不锈钢板s u s 3 0 1 l 。 此种不锈钢材料的c r 、n i 含量较低，其奥氏体组织在冷塑性变形加工 中会部分变成马氏体，形变硬化率更高。因而，其冷加工型材的强度等 级较其他牌号的c r - n i 型奥氏体不锈钢都高。国外的无涂装不锈钢客车 大多采用这种材料制造1 3 】。 北京交通大学硕士论文 由于不锈钢材料s u s 3 0 1 l 的热传导系数小，热膨胀系数大i 4 j ，因此 容易发生热影响带来的应变，影响外观质量，另外，车辆完工后表面不涂 漆，只用化学方法处理焊点，表面不能打平，外观保持原材料原有的表面 状态，而且不锈钢车体的整个结构与传统的碳钢车体有较大的差异，因 而其焊接制造工艺与传统的车体焊接工艺很大不同。不锈钢车体及其结 构多采用电阻点焊工艺【5 】。日本不锈钢车体现在广泛的采用自动化焊接 工艺，大量使用了点焊机械手和弧焊机器人f 6 】。 对于不锈钢客车的机械性能主要取决于点焊接头机械性能，点焊接 头性能参数比较多主要有点焊接头的熔核直径、抗剪切性能、疲劳强度 等，这些性能参数优劣直接决定了不锈钢客车车体质量的高低【_ ”。 1 2 不锈钢客车概况 1 2 1 国内外不锈钢车的发展现状 世界上最早的不锈钢铁路客车与1 9 3 4 年诞生与美国，5 0 年代末 6 0 年代初日本东急车辆公司与美国巴德公司进行了技术合作，引进了不 锈钢车的车体制造技术为生产不锈钢车体的车辆迈出了一大步【8 1 。在 1 9 6 1 年，建造了能进行高抗拉强度钢板轧制成型的冷弯型钢成型机、 车顶弯梁整体弯曲加工的型材拉弯机、车体结构组装用特殊规格的点焊 机，以及从部件生产至车体组成生产流水线，当时堪称是划时代的全不 锈钢车辆专用工厂【外。在当时日本没有合适的结构用不锈钢材料，东急 车辆公司与日本不锈钢生产厂家协作，进行了高抗拉强度( s u s 3 0 1 ) 的开 发、试制及其材料加工技术的研究。与此同时，研究了以点焊方法进行 不锈钢结构制造，于1 9 6 2 年完成了除底架的一部分( 端部组成) 外，其 它结构部件和外板等均采用不锈钢制造的东急电铁7 0 0 0 系，这就是当 2 第一章概述 今成为全不锈钢车的首辆车。这些车与当今的碳钢车比较，重量减轻了 2 吨，车体几乎不需要修补，这是第一代全不锈钢车。但到了1 9 7 2 年 石油危机爆发后日本的铁道车辆领域强烈的呼吁制造节能车辆。提出了 进一步轻量化问题。从此，轻量化成为不锈钢车发展的主要方向。 轻量化不锈钢客车的开发一直是以试制方式进行的，从最轻且简 单的钢结构试制开始，反复进行结构分析与强度试验，依次补强薄弱部 分，以求得最终结构【i o j 。1 9 7 7 年完成了第一阶段的试制车体钢结构。 试制后进行分析、修改、补强，1 9 7 7 年1 1 月终于试制出达到目标的要 求的车体钢结构。1 9 7 8 年完成了2 辆东急电车8 4 0 0 型。该车车体结构 重量为6 吨，实现了比碳钢车钢结构轻4 吨、比原有的不锈钢车钢结构 轻2 吨的目标，成为首批轻量化不锈钢节能车，成为第二代不锈钢车。 第三代不锈钢车是在1 9 9 0 年开始开发的，其特点是低价及车体是以又 轻型不锈钢车体结构为基础的，但其外墙板为自动点焊，对外板补强后 的形状与布置加以改进，避免了补墙筋突出，改为平板外表面。 轻量化不锈钢车经过几十年的发展，现在日本在这一领域处于领 先水平。以下是日本生产并正在运行的三个不同年代用于地铁和城轨的 不锈钢客车。 第一代轻量化不锈钢车是以美国巴德公司的技术为基础开发的，以 东急电铁7 0 0 0 系为代表的、外板为波纹板的不锈钢车系列。 北京交通大学硕士论文 图1 - 1 第一代不锈钢车图卜2 第一代不锈钢车钢结构图 第二代是以东急车辆技术独自开发的、首次正规的轻型不锈钢车 辆，以东急电铁8 0 9 0 系列为代表，其外板带补强压筋。 图1 - 3 第二代不锈钢车图1 _ 4 第二代不锈钢车钢结构图 第三代不锈钢车辆以瓜东日本2 0 9 系代表，车体结构制造采用自动 化焊接，完全是平外板结构。 图1 - 5 第三代不锈钢车图1 - 6 第三代不锈钢车钢结构图 4 第一章概述 随着工业生产技术的发展和进步，不锈钢车体的制造技术也日臻成 熟和完善。近来，国外的不锈钢车已成为轻量化车体的主流。发达国家 仍致力于发展不锈钢客车的制造技术，日本目前在不锈钢车辆制造技术 方面居世界领先水平，目前正在研发激光焊接的不锈钢客车，以解决不 锈钢车体气密性较差的问题，最终实现将不锈钢客车应用于高速列车领 域的目标。 我国的不锈钢客车制造刚起步不久，很多方面需要完善1 1 】。9 4 年 长客厂曾和韩国合作为广深线生产了3 0 辆不锈钢客车，2 0 0 2 年采用日 本车辆专用不锈钢板为天津轻轨生产了的一辆样车，为不锈钢客车的设 计和生产积累了宝贵的经验。目前长春客车长正在引进日本技术为北京 城铁生产不锈钢车，如下图1 7 是长春客车长为北京开发的轻量化不锈 钢车图( 仿制日本车结构) 。 图1 7 北京轻轨不锈钢车 1 2 2 不锈钢客车的优点 目前，铁路客车一样主要有普通钢、不锈钢和铝合金3 种。普通钢 车包括碳钢车和耐候钢车。不锈钢车、铝合金车都是轻量化车体1 2 】。使 用轻量化车辆会显著地节约能源，减少车辆和线路的维修费用，而且具 有重大而长远的经济效益。一直以来，铝合金车体的减重效果要优于不 北京交通大学硕士论文 锈钢车，但在日本、韩国的城轨交通和城市间通勤车中不锈钢车体却占 有明显的优势。近些年，国外不锈钢车特别是地铁不锈钢车的产量也呈 不断上升之势，这也是主要是与不锈钢车的优点直接相关。 ( 1 ) 高抗腐蚀性与低维修量 抗腐蚀性是采用不锈钢普遍追求的非常重要的个指标，从耐腐蚀 的观点出发不锈钢和铝合金都享有很高的声誉，不锈钢和会生锈但不是 破坏性的氧化铁薄膜，而是在表面形成透明的保护作用很强的氧化铬薄 膜，与其类似铝合金表面暴露在大气中时也形成一种薄的透明的氧化 膜，它保护金属使其避免进一步氧化。 我国生产的一般碳钢或耐候钢客车在整个规定的寿命期间般是 要经过三四次厂修，通常到第二次厂修时，有时钢结构的修理不仅难度 大，劳动条件恶劣，而且成本也很高，而不锈钢车则可以避免这些现象。 ( 2 ) 可实现客车的轻量化 不锈钢车体自重轻，可以使车辆轻量化。不锈钢车体的发展主要 经历了4 个阶段：不锈铜外墙板的外板不锈钢车，普通钢底架的半不锈 钢车，普通钢牵引梁、枕梁的全不锈钢车以及轻量化不锈钢车。普通钢 车、不锈钢车、铝合金车的质量列于表i - 1 。不锈钢车体并非完全屏弃 钢材，强度要求高的牵引梁、枕梁仍采用耐候钢，不易生锈的次要结构 也使用钢材。按侧墙板的形状，不锈钢车的发展经历了压筋车与平板车 2 个阶段。平板车制造工艺复杂，但它因便于清扫而受到用户欢迎。近 年来，随着技术的进步，不锈钢车体的轻量化水平达到了一个新的高度。 1 9 9 8 年长春客车厂为北京地铁复八线生产的耐候钢地铁车体( 车体长 1 9 m ，宽2 8 m ，单侧4 个门) 自重约8 5 t ，而与此同时，东急生产的东急 电铁不锈钢车体的外形尺寸与北京地铁车相当，车体质量仅有4 6 t 。可 6 第一章概述 见，最先进的不锈钢车体的减重效果与铝合金车体相比已毫不逊色。 表1 - 1日本各种车体的质量( t ) 材质普通钢车外板不锈半不锈钢全不锈钢轻量化不铝台金车 钢车锈钢车 钢1 09 24 5291 90 不锈钢oo 855144o 铝合金 0o0 0o4 7 f 总重 1 0l o95 86 3 4 7 ( 3 ) 良好的经济性 与普通钢相比不锈钢是种较为贵重的材料，使用不锈钢车体会不 会大大增加车辆的成本。目前，我国还没有这方面的统计资料。表1 2 为 日本3 种车体的制造价格，图1 8 、图1 - 9 为日本3 种车体的费用比较。 这些数据对于我国具有一定的参考价值。在3 种材质的车体中，不锈钢 车体的造价略高于钢车体而大大低于铝合金车体，但不锈钢车体的维修 费用最低。综合考虑造价、维修费用可知：不锈钢车是最经济的车体， 这是国外不锈钢车体大受用户欢迎、数量不断攀升的真正原因。随着我 国经济的不断发展及生活水平的逐步提高，铁道客车必然要上档次、上 水平，轻量化车辆市场前景十分广阔。但在我国目前经济水平还不高， 特别是地铁公司普遍亏损经营的情况下，用户选择车体材料时，在兼顾 先进性的同时，尤其要考虑车辆的经济性指标。所以，在城市轨道交通 中使用不锈钢车，是一种比较经济的选择。 北京交通大学硕士论文 使用年豫懵 图1 - 8 日本3 种车体的维修费用 ( 4 ) 安全性 穹 呲 乜 惶用年窿恤 图1 - 9 日本3 种车体总的费用 抗冲击性能在突发事故时能量吸收极端重要，奥氏体不锈钢 具有在特别好的抗冲击性能：它们具有断裂以前变形吸收大量能量的能 力，这一十分重要的特性来自于他们的抗拉强度与屈服强度之比值很 高，断裂以前的延伸率很大，这是由于奥氏体不锈钢组织具有特殊的加 第一章概述 工硬化特性所致。由于它在动机械应力方面的优越性能以及不会有任何 腐蚀损伤，所以在保持原来的机械抗力方面有时间储备。 抗升温的能力材料对受热的反应有很大不同，不锈钢在温度 升高时表现出很好的防火和耐热性能。3 0 0 系列不锈钢在3 1 6 4 2 7 的 温度下仍有令人满意的使用性能，而6 0 0 0 系列铝合金的抗拉强度在3 7 1 时比在室温下的强度降低1 0 ，不锈钢在1 3 7 2 1 4 8 3 时熔化，而铝 在6 4 99 c 就会熔化。在高的温度下，用不锈钢制成的车厢仍保持很高的 刚性，故能保证对结构破坏的最佳抗力。而用铝制成的车厢在温度不到 摄氏5 0 0 度的环境里就会变形，这有时会危机安全，例如铝门的封死。 考虑到安全这一准则，用不锈钢的车厢达到最佳的安全水平。 1 2 。3 不锈钢客车车体的焊接特点 目前国际上不锈钢客车车辆上采用的多为奥氏体系s u s 3 0 i l 类不 锈钢材料。本课题研究的也是s u s 3 0 1 l ，因此有必要探讨这类材料为材 料的不锈锻车的焊接工型” 。对车体采用不锈钢镪结构不是普通的把碳 钢改为不锈钢的简单置换，而是其结构设计较酱通的碳钢车体做了多项 重大的改变，制造工艺也完全不同于碳钢车体。由于近年来汽车工业的 成功经验和焊接新技术的飞速发展【1 4 】，一些新的焊接技术成果正逐渐应 用到不锈钢车体的制造中来，从而极大的丰富了不锈钢车体的制造工艺 手段。 不锈钢车体结构受力部件主要使用不同强度等级s u s 3 0 1 l 不锈钢， 此外在底架等关键部位还采用了少量的高强度耐候钢、低合金结构钢和 铝合金等材料。不锈钢材料的热物理性能决定了不锈钢车体的制造工艺 主要采用电阻点焊方法 ”1 。 针对不锈钢车体大多采用无涂装形式和点焊焊接方法的要求，其车 9 北京交通大学硕士论文 体结构与碳钢车体有着较大的差别。在车体结构上的主要特征为： ( 1 ) 便于点焊作业的骨架连接方法( 如骨架之间采用专门设计的连 接板) 。结构设计考虑了点焊的工艺性，尽量大可能消除角焊、对接焊 等焊接变形较大的电弧焊结构。 ( 2 ) 采用冷滚压成形的波纹车顶板，以增加纵向刚度和垂向刚度： 取消了车顶纵梁，同时也简化了点焊工艺。 ( 3 ) 采用盲窗结构，提高了车体的密封性和强度。 ( 4 ) 增设车下裙板，增大车体结构断面，提高车体的垂直抗弯刚度。 ( 5 ) 对于受力较大且点焊组装难以保证强度的部位或部件，采用低 合金的角焊、对焊结构，如车体底架的端部处。 ( 6 ) 由于无涂装不锈钢车体表面质量要求高，对热变形控制严格，传 统碳钢车体采用火焰调平外板的方法受限，因此在设计上使车体的结构 非常适合于装配，在工艺上严格控制焊接热量输入以减少焊接变形例 如，车体钢结构各大部件连接处均留有合适的装配间隙：通过采用最佳 焊点分布和控制点焊焊核直径等措施，在保证连接强度的前提下，减少 热量的输入。此外，借助于a n s y s 等计算机三维分析软件，对不锈钢车 体结构进行强度分析和优化设计，最大限度的利用不同强度等级的不锈 钢板材，改进和优化了不锈钢车体的设计结构。 由于不锈钢车体的整个结构与传统的碳钢车体有较大的差异，因 而其焊接制造工艺与传统的车体焊接工艺有很大不同。不锈钢车体及其 结构件多采用电阻点焊工艺。 不锈钢车体主要分为底架钢结构、侧墙钢结构、车顶钢结构、端 墙钢结构等，首先各部分分别点焊焊接，在各部分完成后进行车体总组 装，组装顺序根碳钢车体相同，底架的挠度需要借助于总组装工装来预 1 0 第一章概述 制，并应考虑到大部件之间的设计间隙、侧墙和车顶的挠度配合。 在总组装过程中应最大限度的采用点焊，只有点焊达不到的部位 才可用塞焊和环焊等焊接方法。侧墙外皮与底架边梁之间的焊接，采用 能够编程可走出挠度曲线的点面自动点焊机焊接，不但表面质量好，而 且焊接质量稳定，工作效率高。 近年来，焊接技术获得了迅速的发展，点焊质量监控技术的发展及 焊接机器人技术的应用等都为不锈钢车体焊接工艺的开发和应用提供 了基础。汽车、航空工业先进的焊接工艺也为不锈钢车体的制造提供了 经验和借鉴。 目前国内不锈钢车体的设计制造尚处于起步阶段，制造工艺手段还 不很完善，工艺过程尚不成熟，还有很多基础工作要做。 随着国内不锈钢车辆生产的展开，在总结经验和进步研究的基础 上，在车体结构设计上借助于有限元分析，模态分析和虚拟制造等计算 机技术，优化车体设计，减少零部件数量和开发新结构，追求车体的进 一步研究轻量化。 1 3s u s 3 0 1 l 系列不锈钢板 奥氏体不锈钢s u s 3 0 4 用于车厢内部的配件和不要求高强度的部 件，对子车体框架和其它结构件，应采用较高强度的s u s 3 0 1 不锈钢 m 。 这种不锈钢的特点蚀冷加工变形产生硬化，因此采用“硬化冷轧”这 种比较经济的加工处理方法可以获得强度较高的s u s 3 0 1 不锈钢。但是 j i s 规定s u s 3 0 1 不锈钢的碳含量不高于o 1 5 。因为高碳含量的s u s 3 0 1 不锈钢会导致焊缝热影响区的晶间腐蚀问题，所以现在低碳含量的 s u s 3 0 1 l 已经取代了高碳s u $ 3 0 1 的应用。 北京交通大学硕士论文 车厢的蒙皮、横梁及其它配件和结构部件要经受各类塑性加工如 弯曲和冲压等，所以对于特殊的应用，需要选择加工性能良好的高强度 材料。以下5 种s u s 3 0 1 l 不锈钢的改进型钢种可以更好的应用于不锈 钢车17 1 。 s u s 3 0 1 l - l t ( l o wt e n s i l e ) 低抗拉型具有与s u s 3 0 4 几乎相同的机械性能，但要进行一定的精 加工，所以强度略高。轧制后平面度、延伸率大，一般用于不需要特别 强度的构件或冲压加工件，需要电弧焊的部件如内部骨架、车门内板、 外板骨架等。 s u s 3 0 1 l d l t ( d e a d l i n et e n s i l e ) d l t 板 车l 制加工度低，不用特殊使用平整轧辊即可轧制加工，因 此残余应力小，尤其是平面度好，所以，可用于张拉成型及拉延加工件 还可以用于外板进行的各种表面精加工。 s u s 3 0 1 l - s t ( s p e c i a lt e n s i l e ) 特殊抗拉型，这种钢种具有高强度和高张力，适用于需要进行弯 曲和拉伸加工的部件，如车厢顶部的横梁、支柱和蒙皮。 s u s 3 0 1 l m t ( m i d i u mt e n s i l e ) 中等抗拉型，这种类型的s u s 3 0 1 l 不锈钢用于那些要求高强度和 要进行弯曲和冲压加工的部件，如轧制成型部件。 s u s 3 0 1 l - h t ( h i g ht e n s i l e ) 高抗拉型的材料其强度和拉伸强度都是最大的，表现出马氏体相 变的转变。用于车厢底架的侧梁、横梁、支柱和大梁。 s u s 3 0 1 l 各强度等级板材的成分和力学性能示于表1 3 和表1 4 。 s u s 3 0 l l 不锈钢的含碳量低于0 0 3 ，不会产生晶间腐蚀。 1 2 第一章概述 表1 - 3s u s 3 0 1 l 各强度等级板材的化学成分 钢种 c s i m n p 4 0 3 0 1 l - s t4 1 45 5 27 5 89 3 1 3 5 3 0 1 l m t 4 8 2 6 s 58 2 89 9 9 2 5 3 0 1 l 1 i t6 8 98 2 79 3 1 1 1 3 8 2 0 火车车厢用的不锈钢，需要规定屈服强度和抗拉强度的上限和下限。 规定下限是为了保证达到骶要求的刚度，雨规定上限是为了设定一个强 度的最大值以得到最佳的冲压或弯曲加工性能。由于各个钢厂工艺以及 添加的合金元素和数量不尽相同，所生产的不锈钢在力学性能方面也有 差异。为避免这种差异性能超过公差限度，用户应当要求不锈钢的力学 性能在表1 - 4 所示的上下限范围内。其中在五种不锈钢板中后四种分别 对应于s u s 3 0 1 l 的1 4 h 、1 2 1 - t 、3 4 h 、h 调制处理下的四中钢板。 上述的五种s u s 3 0 1 l 不锈钢，根据它们不同鸽强度和加工性能，可 选择性的用于火车车厢的不同结构部件。 北京交通大学硕士论文 s u s 3 0 1 l 系列不锈钢属于奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢蚀目前不 锈钢系列中生产量最大、应用最广的优秀耐蚀性材料。 奥氏体不锈钢是钢材当中有独特面心立方晶格结构的材料。它在 低温下也不会发生脆性断裂，在常温下具有很高的延展性，在高温条件 下也具有很高的强度。但是由于金相组织是奥氏体具有不稳定性，因而 在加工时会生产马氏体转变。因此，随着这种不锈钢所承受的加工种类 不同，其机械性能会产生一些微妙的变化。 日本、韩国等国的不锈钢车使用的都是专用不锈钢材，又原来的 s u s 3 0 1 逐渐的由s u s 3 0 1 l 代替，其特点是抗蚀性好、含碳量低、强度 高【l ”。日本是在1 9 8 3 年首次开发出低碳的s u s 3 0 l l 不锈钢。以后被 应用于不锈钢车的制造中。现在无论是s u s 3 0 1 l 系列不锈钢的生产还 是用此类钢的不锈钢车的生产在世界上日本处于领先位置，而且日本在 这些方面的生产工艺及有关的配套问题也非常成熟即使这方面所应用 的标准，日本j i s 标准也为其它国家所借鉴和引用。 高强度又有高腐蚀性的材料s u s 3 0 1 l 系列不锈钢板目前国内无法 生产。另外，使用的不锈钢冷轧板国内能生产的最大厚度为3 m m ，而 不锈钢车辆上使用的门框材料为4 m m 厚的s u s 3 0 4 冷轧板。因此，长 春客车厂为北京轻轨生产的不锈钢车全部是从曰本和韩国进口的。 1 4 本论文的主要研究内容 应我国在铁道车辆中提速和对轻量化的需求，不锈钢客车正在国 内逐步的应用，我国从国外引进先进的不锈钢客车生产技术，并进口铁 道车辆的专用不锈钢板，生产不锈钢客车。长春客车厂生产的不锈钢车 所采用的不锈钢板是从日本进口的s u s 3 0 1 l 及s u n 3 0 4 系列不锈钢板。 1 4 第一章概述 本论文就是对长春客车厂实际生产的不锈钢客车的门框以及侧墙立柱 和蒙皮两个典型受力节点的焊点接头的组织及各方面性能进行试验分 析研究。本论文主要包括以下几方面的内容： 1 、不锈钢客车焊点的微观组织及成份分析 对应用于不锈钢客车的不锈钢板s u s 3 0 1 l 的电阻点焊接头进行金 相组织分析、扫描电镜分析( s e m 分析) 、能谱分析等。分析研究了电 阻点焊接头的微观组织、成份及其存在的缺陷和成因等。 2 、不锈钢客车焊点的剪切拉伸试验 对等厚度不锈钢板点焊接头进行了剪切拉伸试验，并参照j i sz 3 1 4 0 1 9 8 9 ( 1 9 9 4 年确认) 点焊部位的检测方法，焊核直径以及抗剪切 性能等都符合此指标。研究分析了点焊试样在低温下的抗剪切性能，为 不锈钢车应用于低温情况下提供了必要的依据。研究了应用于车体门框 1 + 1 5 r a m 点焊接头和侧墙立柱4 + 1 5 + 1 5 m m 点焊接头抗剪切性能。 3 、不锈钢客车焊点的疲劳性能试验 分别对车体门框1 + 1 5 r a m 点焊接头和侧墙立柱4 + 1 5 + 1 5 m m 点焊 接头进行了疲劳性能试验，并且由试验得出了此两类的疲劳极限以及 p s n 曲线，为我国不锈钢客车的生产提供了必要的数据依据。 4 、不锈钢客车焊点的有限元分析 对点焊接头进行了建模并且进行了有限元分析，分析了点焊接头 应力分布情况，、并进一步说明了点焊接头应力集中的部位。 5 、不锈钢客车焊点的失效分析 对不锈钢客车焊点静载拉伸剪切断口和疲劳断口进行了宏观和微 观分析，研究表明此类点焊接头具有较好的力学性能，在剪切拉伸的过 北京交通大学硕士论文 程中保持较好的塑性和韧性。在低温下的剪切试验过程中有更多的组织 发生相变转变为马氏体，使点焊接头在低温下仍具有较高的强度和断裂 韧性。 1 6 第二章不锈钢客车焊点的盟微组绥分析 第二章不锈钢客车焊点的显微组织分析 2 1 引言 s u s 3 0 1 l 为奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢具有优异的抗腐蚀性、良 好的高温抗氧化性和低温韧性，具有很高的经济价值。国内外众多研究 者对铬镍奥氏体钢焊缝性能的影响进行过大量的试验研究。1 一般认为， 奥氏体钢在焊接中存在的问题主要有：焊接接头区的晶间腐蚀、应力腐 蚀开裂及含n i 较高的单相奥氏体钢焊接接头的热裂纹等。这些问题都 与奥氏体钢焊接区域的显微组织结构有关。本章针对不锈钢客车不同型 式的焊点分析研究了其点焊接头的显微组织结构及其成份。 2 2 试验材料与试验方法 2 2 1 试验材料 本课题实验选用的试验母材是从日本进口的s u s 3 0 1 l h t 不锈钢 板，根据j i s 冷轧不锈钢板及钢带技术标准其组成成份和力学性能见下 表2 1 ： 表2 - 1s u s 3 0 1 l 的化学成份及力学性能 化学成份( )力学性能 cs 1m npsn 1c r o s m p a f0 b m p a 6 ( )h v i 。 1 ，0 20 9 3 0 2 0 8 0 。此点焊接头h = 2t i n ，a = ( 2 3 ) 1 0 0 ，即a = 6 6 7 。焊透率满足以上的要求，所以从这一点 上考虑所采用的点焊工艺合理。 电极在焊件表面上留下压痕的深度，使熔核获得锻压的标志，但 不能过深，否则影响焊件表面的美观和光滑，减小该处断面尺寸，造成 过大的应力集中，使焊点强度下降，当电极压力过大，焊接时间越长， 1 9 北京交通大学硕士论文 或焊接电流越大时，压痕就越深。为了减少压痕深度，可采用较硬的规 范及较大的端面尺寸。 ( 3 ) 实验仪器设备 金相分析；卧式显微镜，牛伏特l 型。 扫描电镜( s e m ) 分析：j s m 5 8 0 0 扫描电镜。 能谱分析：d x - 4 x 射线能谱仪。 2 3 点焊接头质量的影响因素 在点焊工艺方面，要得到质量好的点焊接头主要是考虑点焊工艺参 数。点焊工艺参数主要有焊接电流，。、焊接时间t 一电极压力凡和电 极工作尺寸d 。等。它们之间密切相关，而且可在相当大的范围内变化来 控制焊点的质量。 s u s 3 0 1 l 具有较好的点焊焊接性。从含碳量低这一点来说此种材料 电阻率和热导率适中，需要焊机的功率不大；塑性温度区宽，易获得所 需的塑性变形而不必使用很大的电极力。而此种材料为含台金量比较高 的不锈钢，而且此不锈钢含有大量的c r 、n i 等合金元素，s u s 3 0 1 l 为 奥氏体不锈钢。其电阻率大，常温时约为低碳钢的5 倍，热导率小，仅 为低碳钢的l 3 ，较短的通电时间，由于电阻率大减少了通过已焊焊点 的分流，故在实际的不锈钢车的点焊组装时可适当减小点距。不锈钢的 线膨胀系数大，焊接薄壁结构时易产生翘曲变形。不锈钢的高温强度高， 故需要提高电极力，否则，会出现缩孔及结晶裂纹。若加热时间延长， 热影响区扩大并有过热时，则近缝区晶粒粗大，甚至出现晶界熔化现象。 冷轧钢板则出现软化区，使接头性能降低。故宜采用偏硬的焊接条件。 第二章不锈钢客车焊点的显微组织分析 2 4 点焊接头缺陷分析 点焊接头常见的缺陷有缩松、缩孔、气孔、裂纹、过烧组织以及脆 硬等，由于材料的不同和电阻点焊工艺的差别就产生的缺陷也有所差 别。虽然s u s 3 0 1 l 不锈钢有较好的点焊焊接性，但是由于多种原因点 焊接头也容易出现较明显的焊接缺陷。 缩松与缩孔是出现在点焊熔合贴合面上的缺陷，缩松与缩孔的形成 原因相同，形貌上，前者往往连成片，后者则局限为一较大“孔洞”。 点焊熔合缩松与缩孔是由于熔核凝固过程中金属的收缩，并且最后的结 晶区域锻压力不足造成的。s u s 3 0 1 l 不锈钢有热膨胀张系数大导热率相 对较小的物理特性，所以在点焊过程中易产生初期内喷溅造成熔核内液 态技术部分遗失，因而更加促进了缩松与缩孔缺陷的形成。 对于试验所用s u s 3 0 1 l 不锈钢点焊接头虽然母材塑性较好但是点 焊接头仍然才在缩松、缩孔、气孔尤其在板的厚度很大，本论文研究的 用于不锈钢车门框的4 + 1 5 + 1 5 m m 点焊接头内部就会出现气孔的现象， 而且气孔很明显( 如图2 - 4 ) 。这主要是由于三层板点焊接头在点焊过程 中焊点周边受热的金属先熔化先冷却，而板与板之间的气体被包围其中 而不能排出，最终熔核内部的气体形成比较明显的气孔。除了这些还有 其他的因素例如母材，焊接工艺，表面质量等。为尽量的避免点焊接头出 现气孔要综合考虑各点焊工艺参数以及材料性质以及尽量的使母材板 的表面平整。 2 l 北京交通大学硕士论文 图2 4 三层板点焊接头 在点焊接头中也存在裂纹，有熔核内裂纹，沿贴合面分布，主要与 缩松和缩孔的形成有关；还有热影响区裂纹，沿熔核周边的热影响区沿 晶发展。 过烧组织产生在熔核与工件表面之间，其形貌特征是该区晶粒较粗 大和晶界熔化加宽，导致晶间结合力严重下降。过烧组织是在多脉冲回 火热处理过程中，由于靠近电极表面沿厚度方向上热影响区温度较长时 间停留在重结晶温度之上所致。它使点焊接头疲劳性能显著降低。过烧 组织产生的原因主要是点焊焊接参数选择不当和电极及工件表面状态 不良。多脉冲回火参数的选择不当，如参数值过大，时间长，是产生过 烧组织缺陷的主要原因。 2 5 点焊接头的显微组织分析 2 5 1 接头凝固组织 电阻点焊熔核的显微凝固组织一般有两种：柱状晶组织及柱状晶+ 等轴晶组织。根据凝固组织过程理论，凝固组织形态由合金的成分、冷 却速度及温度梯度综合决定。纯金属( 镍、钼等) 和结晶温度区间窄的 合金( 碳钢、合金钢、钛合金等) ，点焊熔核一般为“柱状晶+ 等轴晶” 第二章不锈钢客车焊点的显徽组织分析 组织。点焊熔核凝固组织完全为等轴晶情况目前未见报道，但对某些材 料的点焊熔核进行特殊处理，有可能出现全等轴晶凝固组织。 s u s 3 0 1 l 不锈钢板点焊接头熔核凝固组织一般为柱状晶。点焊熔核 实际上是利用合金的电阻热使部分固态合金熔化形成的，点焊熔核形成 后处于与其同成分的固态合金包围的封闭状态下。点焊熔核凝固时热量 只能由熔核的中心向周围导出，在凝固界面的每一局部，导热方向都与 该局部凝固界面的切平面垂直，因此点焊熔核的凝固组织是在单向到热 条件下进行的，这是s u s 3 0 1 l 不锈钢板点焊接头熔核凝固组织为定向 的柱状晶组织的条件之一。 2 5 2 熔合区组织分析 点焊熔核开始凝固时，与熔核液相接触的固相是熔核未熔化母材的 半融化晶粒。母材的半熔化晶粒与熔核的成分相同、与熔核结晶晶体的 晶格形式一致，以半熔化晶粒表面为结晶核心需要的形核功最小。因 此，柱状晶是以半熔化晶粒作底面联生结晶生长的。由于半熔化晶粒形 核底面的方向不同，其上联生结晶生长的柱状晶的方向也各异。 本课题研究的奥氏体不锈钢的点焊接头特征较为简单，有热影响 区、熔合区以及焊核部分。大部分的研究主要集中在焊核区和熟影响区 的组织变化、析出、凝固等对接头性能，特别是对抗烈性和耐腐蚀性能 的影响。研究和实践表明：熟影响区( h a z ) 裂纹大都起源于焊接时 液相与固相相交的熔合处；应力腐蚀裂纹往往首先产生于熔合区中的 未混合区；使用时接头中裂纹的扩展也与熔合区的组织形态有密切的 关系。因此，熔合区显微组织的微小变化将对接头性能，特别是对裂纹 的敏感性产生重要影响。采用牛伏特型光学显微镜对试件接头的熔合区 及焊核中心部位组织进行了分析。 北京交通大学硕士论文 ( a ) 熔合区x 4 0 0c o ) 熔合区x 4 0 0 图2 - 5 点焊接头熔台区微观组织分析 上图2 5 为点焊接头熔合区微观组织，其中图( a ) 显示的是熔合 区靠近母材热影响区的部分，图( b ) 则为靠近焊核熔合区部分。由图 可以清楚看到熔合区附近的不同组织从整体来看共分为三部分热影响 区( h a z ) 、熔合区、焊核部分。热影响区为粗大的未融化的等轴晶粒， 焊核处为树枝晶，在它们之间有一层明显的等轴晶颗粒由此可以看到焊 接接头的结晶方式。靠近热影响区的融化金属最先冷却，金属开始结晶， 由于结晶没有方向性，所以就生成了一层细小的等轴晶颗粒随后逐步向 内部冷却，金属也开始从这些晶体颗粒向内部结晶，晶体开始长大并逐渐 形成大的柱状树枝晶从图( a ) 可以清楚地看到热影响区为粗大的奥氏 体晶粒。热影响区在焊接热源的作用下，实质上是各自经历了一次特殊 的热处理过程。由于各部位与焊接热源的距离不同，这样，就使热影响 区内组织很不均匀。组织的不均匀必然导致性能的不均匀，因此能带给 热影响区许多不良影响，如产生硬化、软化和脆化等问题，甚至产生裂 纹等缺陷。如正如上图( 8 ) 热影响区的奥氏体晶粒也不是很均匀，靠 近熔合区的部分晶粒的尺寸逐渐减小。 第二章不锈铜客车焊点的显微组织分析 2 5 3 熔核组织分析 点焊接头的力学性能主要决定于焊核的质量优劣，而焊核组织成分 可以从微观的角度反映了焊核质量高低而且也直接与接头力学性能相 关。 通常点焊接头在经历了加热熔化、结晶、固态相变三个过程后得到 的点焊接头有一次结晶组织和二次结晶组织口0 1 。一次组织是熔化液体金 属经过形核和长大完成结晶时的高温组织形态：二次组织是室温下焊核 的微观组织形态。两种组织既有区别又相互联系。熔化金属的结晶直接 影响焊核金属的组织，对焊核性能起着重要的作用，焊接过程中的许多 缺陷，如气孔、夹杂、偏析，尤其是裂缝等也都是在熔化结晶过程中产 生的。焊核一次组织不仅对焊接裂缝的敏感性具有很大关系，因而粗大 的柱状晶，不但降低焊核的强度，更主要的是降低焊核的冲击韧性。焊 接的显微组织( 二次组织) 与焊核质量的关系密切，与一次组织有承袭 关系。因此全面了解焊核金属的性能，研究焊核的一次组织与连续冷却 转变焊核的显微组织是认识焊核的两个重要方面。对于本课题研究的不 锈钢焊点，由于没有固态相变故它的一次组织和二次组织相同，都是单 相奥氏体组织。 焊核中的凝固组织主要有柱状晶和等轴晶两类，在金相显微镜下观 察每个柱状晶内还有许多亚晶组成。由于结晶条件不同，柱状晶的亚晶 可以有胞状晶，胞状树枝晶及柱状树枝晶三类形态。 焊核凝固组织最大特