（材料加工工程专业论文）冷轧301l电阻点焊接头几何结构和机械性能的研究.pdf

中文摘要 基于稳态合金点焊研究成果的传统焊接理论认为，点焊接头界面断裂的承载 能力低，断裂吸收功小，建议采用性能较优的拔出断裂模式。j l sz3 1 4 0 推荐的拔 出断裂点焊熔核直径为d = 5 f ，但对于高强度3 0 l l 冷轧板，d = 5 f 不能实现拔 出断裂，而且亚稳态3 0 l l 点焊接头的拔出断裂也并不比界面断裂强度更高。 为此，本论文以不锈钢车体结构中的主要承载焊接节点为研究对象，采用 3 0 l l h t 、3 0 1l m t 和3 0 l l d l t 板材，对四种不同焊接组合的点焊接头进行了熔 核直径分别为d = 5 也、6 f 、7 也的断裂模式与机械性能关系的试验研究；并测 定、分析了四种板材组合点焊试件的机械性能。 研究结果表明，3 0 l l 冷轧板静态拉伸剪切强度随熔核直径增大而升高，焊接 缺陷对静强度值的影响不大。3 0 ll - h t 、3 0 1 l m t 不同厚度等厚板焊接点焊试样， 即使熔核直径增大到7 f 也仍为界面断裂。对3 0 l l d l t 板的点焊试样，熔核直径 接近7 也一部分试样出现拔出断裂，另一部分仍为界面断裂，而且界面断裂比拔出 断裂的强度高，这表明3 0 1 l 厂d l t 板点焊接头两种断裂模式发生转换的临界尺寸介 于6 f 和7 也之间。四种板材组合点焊接头的抗疲劳性能随熔核直径的增大而升 高，而且点焊薄板的这一效应比厚板更为明显。此外，还对工艺性和机械性能均 表现较优的熔核直径d = 6 f 的点焊试样进行了系统的静拉伸剪切和疲劳性能试 验，研究不同组合板材点焊的变形行为和疲劳可靠性，研究数据和成果可作为不 锈钢车体的设计和制造的基础参考依据。 关键词：3 0 l l 冷轧板、点焊结构、断裂模式、拉伸剪切强度、疲劳极限 分类号：【请输入分类号( 1 2 ) ，以分号分隔。】 a bs t r a c t t h et r a d i t i o n a l t h e 0 哕o fs p o tw e l d i n gt e c h n o l o g ya r eb a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t s o fs t e a d y - s t a t ea l l o y ，w h i c hb e l i e v e st h es p o tw e l d i n gs p e c i m e i l sc a 咖n gc a p a c 时i s l o w 柏d 舶c t u 豫a b s o f b e de i l e 嘲，i ss m a l lw h e ni t s 觑l c t u r em o d ei si n t e r f i a c i a l 矗a 曲j r e t r a d i t i o n a lt h c 0 叫p r o p o s e st 0u s ep u l l - o u t 矗a c t l l r em o d ew l l i c hi tt h i n l ( sh 勰b e 竹e r p e r f o n l l a n c e t h ed i a m e t e ro fj l sz3 1 4 0r c c o 姗e 1 1 d e di sd = 5 以w h i c hc 觚m a k e 鲫r cn u g g e ta c l l i e v ep u l l o u tf m c t u r e b u tt oh i g l l s t 崩l 殍h3 0llc o l d 一1 1 e ds h e e t ， s p e c i m e l l 【sw i t ht h ed i 锄e t e ro f j i sz3l4 0r e c o m m e i l d e dc a n ta c h i e v ep u l l - o u t 鼢l r e ， 觚dt h es t r e n 舀ho fp u l l - o u t 触c t u r ed o 髓n o th i g l l e rm 锄m es t r e n 蛋ho fi n t e r f a c i a l f h c t l l r c i i lt l l i st h e s i s ，t h er e s e a r c ho b j e c t sa r et h em a i nb e 撕n gs p o t - w e i d e dj o i n t so ft h e m i l w a ys t a i n l e 蟠s t e e lc a rb ( ) d y r e s i s t a i l c es p o tw e l d e dt e n s i l es h e a rs p e c i m 曲sw i t h t b i 优n u 强c td i 锄e t e 岱5 f 、6 f 、7 zw e r ep r e p a r e dw i t hl o w 锄dl l i 曲s t r e n 舀h c o l d m l l e d3 0 llp l a t 懿1 伦s t a t i co v 甜o a d 锄df j 撕g u ee x 锄i n a t i o n so ft h es p o tw e l d s w e 他c o n d u c t o dt 0i n v e s t i g a t et h ee 仃e c t so fn u 髫g e td i 锄e t e 璐o nt h e i rm e c h a i l i c a l p r o p e n i e sa n df a i l u r ei n o d e 1 1 嵋r e 蛐l t ss h o w 。dt h a t ，t 03 0 llc 0 l dm l l c dp l a t c 删i ct s i l es h e a rs t r a n 舳 硫懈c dw i t hn u g 酣d i 锄e t e r 锄dt h ew e l dd e 钕t sh a dl i t t l ee 丘融t 0t h ev a l u co f s t a t i cs t l l e n 醇h a l ls p o tw e l d e di l i g hs 咖l 粤吐hp l a t e sw e r ec o n l p l c t e l yi n t e i 彘l c i a lf a i l u i 岛 a n dt h 西rs t a t i cu l t i m a t el o a d si n c r e 勰e dl i n e a d yw i t ht h en u g 暑r e td i 锄e t e r s o n l yp a r to f s p o tw e l d e dl o ws 仃蜘咖p i a t 伪w i t hn u g g e ts i z e7 也c 锄e o u tp u l l - o u tf a i l u r e ，t h i e u l t i m a t el o a d sw e r el o w e rt h a l lt t m to ft h o s e 触c t u r 。db yi n t e r f a c i a lf a i l u r e a n t i f a t i g 嘴 p m p c = n i 懿o f f o u rc o m b i n a t i o ns 锄p l e si n c r e 鹬e dw i t hn u g g e td i 锄e t e r 锄dt l l i se 佰e c ti n t i l i c kp l a t es p o tw e l d i n gw 弱m o r eo b v i o 髑t h es p o tw e l d i n gs 锄p l 骼w l l i c hn q ；g 雠 d i 锄e t e ro f6 fh a db e t t e rp e 疵i m l 觚c eo ft e c i l i l o l o g y 锄dm a c l l i n e 哆d o i n gs y s t e m o fs t a t i cs h e a r 锄df a t i 舀l ct 髓t sw i mt h e s es 锄p l e st or c s e a r c hd e f 0 珊a t i o nb e h a v i o r 锄d 蠡撕g u el i l l l i to fd i f | f e 崩l tc o m b i n a t i o i l so fp l a t e 锄dr e l ia _ b i l i t ) ro fs p o tw e l d c dj o i n t 1 1 圮 他s e a r c h d a t aa i l dr e s u l t sc a i lp m v i d et h eb a s i sr e f 响l c e 南rt h ed e s i g na n dm 锄u f a c t i l 他 0 fs t a i n l e s & s 白e e lc a l l y w o i t d s ：c o l dr o l l e d3 0 ll ；n u g g 时d i 锄e t e r ；f a i l u r em o d e ；t 锄s i l es h e a rs t i 舶舀l l f a t i g u el i m i t c l a s s n o ：【请输入分类号，以分号分隔。】 致谢 本论文的工作是在我的导师刘伟教授的悉心指导下完成的，刘伟教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在论文撰写期间，刘伟老 师放弃休息时间，给予我细心的指导，并一直支持鼓励我，使我取得了很大进步， 论文得以顺利完成。在两年的学习生活中，刘伟老师不仅在精心指导我的学习， 还给我许多人生的启迪和生活上的关怀，在此衷心感谢刘伟老师一直以来对我的 关心和指导。 邹华老师悉心指导我完成了本论文的科研和实验工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向邹华老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，赵会美师姐和张伟等同学对我论文中的研究 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 在当前全球范围倡导节能、减排的大背景下，经济发展不仅对铁路运输的运 能和运速提出了更高的要求，还要达到低碳、节能、环保的高标准。随着国民经 济的快速发展，国家开始大力投资高速轨道轻量化列车的研发，在引进和吸收国 外先进技术的同时，我国也开始了轨道车辆的国产化进程。3 0 l l 冷轧系列强化板 材是制造轨道不锈钢轻量车体的主体材料，目前国产3 0 1 l 冷轧不锈钢板已经研制 成功并替代进口板投入使用。不锈钢车体主要采用电阻点焊，国产3 0 l l 不锈钢板 由于缺乏制造领域的基础研究，在国产化车体的设计和制造中遇到了许多亟待解 决的问题。因此，对国产板点焊工艺和焊接性能进行基础研究具有重要的现实意 义和理论价值。 本论文以国产3 0 l l 冷轧系列强化不锈钢板为研究对象，根据其在车体中的实 际应用，研究不同焊接工艺和熔核几何尺寸对各板材组合点焊性能的影响，优化 国产不锈钢板的点焊工艺。 本论文的内容是依托四方股份公司正在研制的2 5 0 l ( 1 1 1 l l 动车组不锈钢客车开 展的试验研究工作，对动车不锈钢车体关键焊点进行基础试验研究。 引言 1 绪论 轨道交通运输具有高效率、低能耗的优势，在我国的经济发展中一直发挥着 不可替代的重要作用，十一五期间，国家对轨道交通的投资力度进一步加大，兴 建了一大批动车和高铁项目。但是，对于大部分既有线路和地区，时速2 5 0 k m 的 动车组列车不仅更经济、也更能满足实际需要，是3 0 0 k i l l 1 1 以上高速铁路不可或 缺的补充，在中国未来轨道客运中占有重要地位。 1 1 不锈钢轨道客车的发展及应用 美国是最早把不锈钢材料用于车辆制造的国家，但此后日本在这一领域的发 展速度超过了美国。日本在5 0 年代就用3 0 4 不锈钢作为外墙板，研制成半不锈钢 车辆，解决了外墙板腐蚀及涂装等问题， 用3 0 1 l 很快研制出了全不锈钢车辆【1 捌。 使车体基本可以免维修，此后他们又采 我国的不锈钢客车研制始于1 9 8 7 年，采 用太钢生产的3 0 4 不锈钢试制了两辆半不锈钢客车。1 9 9 4 年，使用进口3 0 1 l 不锈 钢材料试生产了3 0 辆全不锈钢客车。2 0 0 3 年，又试制了3 0 l l 不锈钢地铁车辆【4 。丌。 目前，在国家专项资金的支持下，我国的车辆专用奥氏体不锈钢冷轧板材已经研 制成功，并且已取代日本和欧洲进口同类板材投入使用。 不锈钢车辆通常采用的是抗拉强度高的3 0 l l 奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢轨 道轻量客车不仅能大幅减重，更以其安全、节能、材料高效回收和低运营成本等 诸多优势在地铁、城铁和2 5 0 l ( n 1 i l 动车组列车中得到广泛应用，不锈钢车体己成 为当今世界市场占有率最高的轻量化车体。现在全国的地铁运营车辆几乎已经全 部更新成不锈钢轻量客车，随着我国城市轨道交通的不断扩展，不锈钢轨道轻量 客车的市场份额还将继续扩大。我国几大车辆厂每年来自国内、外的订单多达上 万辆，产值数百亿元。 3 0 l l 冷轧系列板是制造不锈钢轨道轻量车体的主体材料，在冷塑性变形加工 时会发生马氏体转变，因此具有更高的应变硬化和应变强化效果。该板材的高强 度冷硬特性以及不锈钢的大电阻率和低导热性决定了其焊接工艺主要采用低热量 输入的电阻点焊，受点焊结构气密性限制，不锈钢客车通常用于时速2 5 0 h 1 l l 及 以下运行的列车。 1 2 不锈钢轨道客车的特点 不锈钢列车以其高速、安全、经济等优点己成为旅客运送的主要方式，在高 速铁路网发达的欧洲和同本，不锈钢车客运量占整个铁路的4 0 5 0 ；近期，美 国、韩国、澳大利等也丌始加快不锈钢客车的建设，不锈钢客车主要有以下特点j ： ( 1 ) 高抗腐蚀性与低维修量，抗腐蚀性是采用不锈钢材料追求的一个非常重要 的指标。碳钢或耐候钢客车在整个规定的寿命期间一般是要经过三四次厂修，在 第二次厂修时钢结构的修理不仅难度大、劳动条件恶劣，而且成本很高。而不锈 钢车的维修期可以长达1 5 年，因此能减少维修带来的成本升高。 ( 2 ) 可实现客车的轻量化，随着钢材生产技术的进步，现在的不锈钢车体轻量 化水平已经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 耐候钢地铁车体自重约8 5 t ，而现在外形尺寸与其相当的不锈钢车体质量已经降到 5 t 以下，先进的不锈钢车体的减重效果与铝合金车体相当。 ( 3 ) 良好的经济性，不锈钢车体的造价略高于普通的碳钢车体，但大大低于铝 合金车体，在三种车体中锈钢车体的维修费用最低、最经济。 ( 4 ) 安全性好，奥氏体不锈钢断裂以前能通过变形吸收大量能量，具有特别 好的抗冲击性能，这是奥氏体不锈钢特有的加工硬化特性。 近年来，随着轨道车辆轻量化和高速化的要求，铝合金材料开始比较受欢迎， 不过由于不锈钢有铝合金无法比拟的性能和价格优势，促使发达国家致力于不锈 钢客车制造技术的革别9 】。日本正在着手将激光焊接引进到不锈钢客车的制造中， 以解决不锈钢车体气密性差的问题。相信在不久的将来，不锈钢客车应用于高速 列车领域的目标就能实现。 1 3 不锈钢轨道客车材料 早期的不锈钢车体材料是碳含量较高的3 0 1 不锈钢c (协 图l _ 4 点焊试样疲劳断裂形式 f 嘻l _ 4t h ef a t i g i l e 五隰c t u 心f o 册0 fs 刚、l d i n gs p e c i m 7 1 5 奥氏体不锈钢的焊接性能 1 5 1 奥氏体不锈钢的焊接性能 奥氏体不锈钢具有较高的电阻率( 约为碳钢的5 倍) ，热导率约为低碳钢的l 3 ， 线膨胀系数约比低碳钢大4 0 ，比热容及密度与碳钢差别不大。由于热导率低、 线膨胀系数大，所以奥氏体不锈钢焊接的热变形大，必须采用输入热量较少的焊 接方法以减小变形。奥氏体不锈钢焊接接头在焊缝及近缝区易出现热裂纹，最常 见的是结晶( 凝固) 裂纹，有时会出现热影响区液化裂纹，含n i 量越高，产生裂纹 的倾向越大l 州列。 结晶裂纹是在凝固后期产生的，奥氏体不锈钢导热系数小，线膨胀系数大， 使得焊缝在结晶过程中产生较大的收缩变形和拉伸应力，在凝固期间存在较大拉 应力是产生凝固裂纹的必要条件。另外，奥氏体易形成方向性强的柱状晶焊缝组 织，有利于有害杂质( s 、p 、s n 、s b ) 的偏析而促使形成晶间液态夹层，促使产生焊 缝凝固裂纹。热影响区液化裂纹与结晶裂纹形成的原因相同，由于母材中奥氏体 晶界残存着比基体熔点低的低熔点共晶薄膜，在焊接加热过程中发生熔化，并在 随后冷却中受收缩产生的拉应力的作用而发生开裂。 焊接热量输入会造成高强3 0 1 l 材料的机械性能下降，加热温度对3 0 l l d l t 和3 0 l l - h t 机械性能的影响见图1 5 。从图中可以看到，加热温度对3 0 l o d l t 的 影响有限，其几种主要力学指标在波动中几乎没有降低；而高强度的3 0 l l 广h t 则 不同，当加热温度超过7 0 0 时，其屈服强度、抗拉强度和硬度急剧下降，材料的 延伸率上升。这是因为在焊接过程中，高强度奥氏体不锈钢熔核区中轧制生产的 马氏体受热全部转变为铁素体，导致应变强化和应变硬化组织消失，机械性能下 降。因此在点焊的高热量区需要增加强烈外部水冷，最大限度地减小热变形，防 止高强度材料机械性的下降。 奥氏体不锈钢常见的点焊的主要缺陷有喷溅和收缩裂纹，喷溅分为两焊件间 的内喷溅和焊件与电极接触处的外喷溅，产生的原因是焊件表面不洁或接触面上 压强分布严重不匀，导致局部电流密度过高引起过早熔化发生喷溅，可通过预热 防止喷溅。收缩性缺陷主要包括缩孔和收缩性裂纹，点焊加热与冷却速度很快， 奥氏体不锈钢线膨胀系数大，被包围在金属塑性环中的液态金属受快速冷却和金 属变形的影响，接头易出现缩孔和收缩性裂纹。 此外焊接工艺不当或各参数不匹配还会出现熔核尺寸过小、熔透率不足、压 痕过深( 焊点表面压痕超过规定要求) 和熔合线伸入( 熔合线呈直线状伸入熔核 内) 等缺陷，这些缺陷都会降低点焊接头的机械性能。 8 - 抗拉强度o b 一一一延伸率 _ 卜一屈服强度a b 一口- 硬度 - 蚌一文 6 知螽度 阶 i ll p 陋 bk li i op 两 e 1 0l t ：，一。r - jl 一一一_ 一1 - 一一 1 鼙舯土 i 一 ll “ 、 、 阶 1 ll 1 6 0 如 ll pp b ll 高p 图l - 5 温度对3 0 l l d l t 和3 0 l l h t 机械性能的影响 f i g 1 5t c 锄p e 功t u i i l f l u c e t l 圮3 0 l l - d u 觚d3 0 l l - h tm e c h a n i lp r o p e n i 伪 1 5 2 奥氏体不锈钢点焊规范 点焊焊接规范包括焊接压力、焊接电流和焊接时间，焊接规范是不锈钢点焊 工艺研究的重要内容，在焊接压力定的情况下，焊点拉伸强度值随着焊接电流 与焊接时间的增加而增加；但焊接电流的增加对拉伸强度的影响要比焊接时间对 拉伸强度的影响更大，因此在确定焊接规范时应主要考虑焊接电流对焊点强度的 影响。大焊接电流、短焊按时间的焊接工艺参数称硬规范，而小焊接电流、长焊 接时间的参数称软规范。 奥氏体不锈钢点焊常采用硬规范，由于焊接时间相对较短，输入热量相对少， 散热时间短、热量损失小，焊点在高温停留时间短，晶粒不容易长大，不会造成 晶问腐蚀；而且采用硬规范焊接热影响区小，同时项锻和急冷过程使晶粒细小， 提高了点焊接头的强度。 9 附 ，l 7 6 9 “ 抗拉置度饥蜃服强度c； 枷 氛拉曩度瓯詹曩囊震耐 1 6 问题的提出以及研究的意义 传统焊接理论认为，点焊界面断裂承载能力低，建议采用性能较优的拔出断 裂模式，j i sz3 1 4 0 推荐的拔出断裂点焊熔核直径为d = 5 f ( t 为板厚，以衄代 入) ，但是传统焊接理论主要是基于对稳态合金点焊的研究成果。近期对于高强度 d p 8 0 0 钢和t r i p 8 0 0 钢的研究表明，界面断裂与拔出断裂相比，并不必然导致静 强度降低，更不会降低疲劳强度，而且d = 5 f 也不能使其实现拔出断裂。 包括新型高强度钢在内的稳态合金点焊都具有一个共同的特征，就是它们的 点焊接头都具有淬硬倾向，熔核和热影响区的硬度远远高于母材，如下图1 6 所示 的t r l p 8 0 0 的硬度分布，这意味着母材板强度低于点焊接头熔核和热影响区的强 度，其它稳态合金点焊接头也具有相似的性能特点【4 5 1 。由于点焊接头的这种力 学性能分布，在熔核直径大于临界尺寸时，这些合金更容易在过载条件下实现拔 出断裂。而冷轧3 0 l l 点焊接头的硬度分布完全不同于上述合金，由于板材的冷轧 硬化特点和焊点无淬硬倾向，焊接过程中因热量输入，热影响区的应变强化组织 消失成为退火奥氏体，熔核组织为双相铁素体和奥氏体，造成熔核和热影响区的 硬度( 约h v 2 0 0 ) 远远低于冷轧硬化母材( 约h v 4 0 0 ) ，熔核和热影响区强度也大 大低于母材。这就造成其点焊接头较难弯曲出必要的角度以实现拔出断裂，尤其 是对于高强度3 0 1 l 冷轧板的点焊接头。虽然3 0 l l 熔核在结晶过程中，原有的化 学成分在奥氏体和铁素体中被重新分配，奥氏体中的碳、氮、镍量比母材增加， 而铬量减少，使熔核中奥氏体的稳定性高于母材。但是，无论点焊接头的过载断 裂模式是拔出或是界面断裂，熔核和热影响区的破坏变形都会使奥氏体发生应变 诱导马氏体相变，使3 0 l l 点焊接头即使不能实现拔出断裂，仍然具有非常高的断 裂强度，而且拔出断裂也并不比界面断裂的强度更高。 r s t r p 9 0 叫i a 哪驰毫瑚岫 亭 最 毫 l 芑 i 瞰眦 、 一删 | ，、 l b 啪削融静m 删矗饥锄伯 撇翩删瓣删 图l - 6t 砌p 8 0 点焊接头硬度分布 f i g 1 6h ar = d n e 豁d i s t r i b u t i o no f t r i p 8 0 0w e i d i n g j o i i l t s l o 不连续的点焊结构具有缺口效应，焊点周围有很严重的应力集中，被焊板内 表面、焊点熔核边缘是结构应力最大的区域，最大结构应力是板内平均应力的十 倍以上；如果两搭接板f h j 有缝隙，还存在较大的缺口应力，缺口应力是板内平均 应力的二十倍以上。而冷轧3 0 l l 点焊接头的热影响区由于强度低、缺口应力集中 效应严重，是疲劳裂纹的起始部位。对于冷轧3 0 l l 点焊接头而言，拔出断裂与界 面断裂的静强度和吸收功是否与传统理论一致，以及这两种破坏机制、熔核尺寸 如何影响点焊接头的疲劳行为，现有的理论和成果不能给出准确答案。 1 7 论文的研究内容和目的 1 7 1 研究内容 基于上述问题，本论文拟选择不同强度等级和厚度的国产3 0 1 l 冷轧板，以不 锈钢轨道客车中的关键承载焊接节点为研究对象，对焊接工艺和性能开展以下两 方的基础试验研究： 1 针对3 0 l l 冷轧板点焊特性开展的基础试验研究：由于3 0 1 l 冷轧板点焊接 头的硬度低于母材，现有的点焊理论和标准已不适用，j i sz31 4 0 推荐的点焊熔核 直径d = 5 f 无法实现拔出断裂。本论文选择冷轧3 0 1 【广h t2 m m 薄板和3 0 l l m t 、 3 0 l l - h t4 m m 厚板的等厚板焊接、以及3 0 1 l d l t1 5 删m 薄板与3 0 l l m t4 衄厚 板的不等厚板焊接接头进行点焊几何结构与机械性能关系的基础试验研究。对这 四种点焊组合分别制备出熔核直径d = 5 f 、6 f 、7 以( t 为板厚) 的点焊试样， 进行静态拉伸和疲劳试验，研究熔核直径对静态力学性能、断裂模式，以及对疲 劳性能的影响。 2 针对车体设计和制造的需要对3 0 l l 冷轧板点焊力学行为和疲劳极限的试验 研究：对上述这四种点焊组合、三种不同熔核直径中的工艺性和机械性能匹配最 好的点焊试样进行静态拉伸力学行为和疲劳极限的试验，为车体设计和制造提高 基础参考数据。 1 7 2 研究目的 1 ) 了解亚稳态3 0 l l 奥氏体不锈钢冷轧板点焊接头的熔核尺寸、静态断裂强 度和断裂机制的关系。 2 ) 了解3 0 1 l 冷轧板点焊接头的熔核尺寸与疲劳强度的关系，了解点焊接头 最佳静强度和疲劳强度匹配的焊接工艺或焊点几何因素。 3 ) 测定3 0 ll 冷轧板点焊接头力学行为和疲劳极限，为车体设计和制造提供 基础数据和理论依据。 此外，根据所得的一系列不锈钢点焊试验研究数据，不断地优化焊接工艺， 获得承载力高和疲劳可靠性好的优质点焊结构，最终目的是解决一些目前不锈钢 车体设计和制造中亟待解决的难题，通过系统的试验研究和生产实践逐渐建立和 完善自有核心技术。 1 2 2 点焊试样的制备及冶金分析 在轨道不锈钢客车中，侧梁与立柱通常使用的是高强度的3 0 l l 厚板：侧墙采 用的是平面度好的3 0 l l d l t 薄板，车体门框采用的是3 0 1 l h t 薄板。针对实际 生产中侧梁与立柱、轧制成型部件、车体门框及侧墙与立柱的焊接，设计了四种 组合的点焊试样。根据断裂力学中的断裂失稳条件及j l sz 3 1 4 0 标准推荐，考虑到 熔核直径d = 5 也( t 为板厚) 不能满足3 0 ll 冷轧系列不锈钢板点焊接头实现拔出 断裂，因此设计了d = 5 也、6 f 、7 以三种熔核尺寸及其对应焊接工艺，研究熔 核直径和断裂模式与点焊接头静强度的关系。 本论文的试验部分包括：1 四种板材组合在三种不同工艺( 对应三种熔核直 径) 下的点焊试样的静拉伸剪切和疲劳试验；2 最佳静强度和疲劳强度匹配的焊 接工艺下的点焊试样进行静拉伸剪切强度和疲劳性能测试。 2 1 试验材料 本论文选用3 0 l l h t4 m m 和2 m m 板、3 0 1 l m t4 删 i l 板和3 0 l l d l t1 5 m m 板等不同强度等级的国产冷轧不锈钢板，与进口3 0 l l 系列板材相比，国产板碳和 氮含量较高，有助于提高奥氏体不锈钢的稳定性。试验板材的化学成分如表2 1 所示。 表2 1 试验板材的化学成分( 训) t a b l e2 - l t h ec h 锄i c a lc o m p o s i t i o no f 既p e ：曲啪t a lp l a t 嚣( 叭) 表2 - 2 是各试验板材的机械性能，从表中可以看出，3 0 l l 广h t 板的强度最高， 1 3 屈强比超过o 8 4 ，拉伸时伸长率最低，说明其塑性变形量低、刚性好，在点焊时 出现收缩性裂纹和缩孔的可能性比较大。3 0 1 l m t 板强度高，屈强比也达到0 7 5 ， 伸长率只比h t 板稍高，塑性也不好，同样在点焊时也容易出现缩孔和收缩性裂纹， 同时由于受热时强度不足，其热影响区也容易出现折叠等缺陷。3 0 l l d l t 虽然屈 服强度较低，但抗拉强度超过7 0 0 m p a ，其弹塑性变形阶段，应变强化明显；同时 其伸长率超过5 0 ，具有良好的塑性，焊接过程板材机械性能稳定，具有良好的 点焊工艺性。 表2 2 试验板材的机械性能( 嘶) t a b l e2 - 2m e c h 彻i c a lp m p e n i 鹤o f 甑p 舐m 锄t a lp l a 瞄( 训= ) 2 2 点焊试样种类和尺寸 根据3 0 l l 冷轧系列不锈钢板在轨道列车上的实际应用，本论文点焊试样选取 3 0 ll m t4 m m + 3 0 l l m t4 m m 、3 0 1l h t4 m m + 3 0 l l h t4 m m 、3 0 1 i ，h t 2 m m + 3 0 l l h t2 咖三种同种强度等级板材的等厚板焊接与3 0 l l d l t 1 5 m m + 3 0 1 l 广m t4 m m 的不同强度等级板材间的不等厚板焊接。 3 0 ll m t4 m m 广卜3 0 ll m t4 m m 3 0 ll 广h t4 m m + 3 0 1l h t4 m m 0 3 0 ll - h t2 m m + 3 0 ll h t2 m m 3 0 1l d 【t1 5 m m + 3 0 ll m t4 m m 上述四种板材组合分别制备出熔核尺寸为：d = 5 f 、6 也、7 以( t 为板厚) 的点焊试样，分析焊接工艺与熔核控制目标和熔核实际目标的关系，研究熔核尺 寸对3 0 l l 冷轧板点焊接头静强度和疲劳性能的影响。 点焊试样的搭接类型通常有搭接接头、折边接头和十字交接接头。根据3 0 1 l 板材在不锈钢车体焊接中的实际应用，本论文用的点焊试样都是单点搭接接头。 边距的最小值取决于被焊金属的种类、厚度和焊接条件。对于屈服强度高的金属、 薄件或采用强条件时可取较小值。试样的最小搭接量一般为边距的两倍。表2 3 给出了常见金属的接头最小搭接型删。 1 4 表2 3 常见金属点焊接头的晟小搭接量( m m ) 1 a b l e2 3m i n i m u ml a pv o l u m eo fc o m m o nm e t a ls p o tw e l d 综上考虑，根据国标g b 胞6 5 1 1 9 8 9 和工厂的生产实际，试验用四种组合试 样的尺寸和形状如图2 1 所示，焊件的纵向为板材轧制方向。每种试样制备a 、b 两类，其中a 类试样用于焊接质量检验和焊点冶金分析，b 类试样用于对焊点进 行不同加载方式的力学性能检测和疲劳可靠性试验，全部试样都要具备足够的精 度和对称度，试样板边缘需适当修整。 ( a ) a 类( b ) b 类 图2 1 焊接试件的尺寸和形状( 单位：m m ) f i g 2 - 1s i z e 锄ds h a p e o fw e l d e ds p e c i i n ( 啪i t ：m m ) 2 3 点焊接头的几何结构及制备工艺 各种行业标准建议对给定厚度的板材制定最佳或最小熔核尺寸，例如美国焊 接协会( a w s ) 、汽车工程协会( s a e ) 和美国国家标准学会( a n s i ) 等都建议焊点的 熔核直径按公式d = 4 柝来计算【4 1 丌，对于金属板材，d 和t 分别代表焊点熔核直径 和厚度( 以栅为单位) 。此外，还有最小熔核直径由公式d = o 6 9 ( 1 6 5 t o 0 0 7 ) “。计 算，标准熔核直径由公式d = o 8 6 ( 1 6 5 t o 0 0 7 ) “计算，其中d 和t 是以英尺为单位。 需要注意的是，所有这些行业推荐的标准都是从大量的实验得出的经验公式，这 些经验公式适用的材料包括从传统的低碳钢到高强度钢，也适用于特种材料。而 对于高强度钢，尤其是不锈钢，通常焊点直径的设计依据为：d = 5 廿。 1 5 点焊试样在拉伸过程中，焊点有两种非常标志性的失效模式，即：熔核断裂 和母材断裂。熔核上剪断称为熔核断裂，又由于是在两被焊板的熔合面断丌亦称 为界面断裂( i n t e m c i a l 触c t l l r e ) ：在熔核周围破坏断裂称为母材断裂，因为断裂发 生在熔核周围的母材，熔核从被焊接板中拔出，拔出的熔核形成“纽扣”状，也 称为拔出断裂( b 硼o np u l l o u t ) 。 一般认为发生母材断裂的熔核拔出断裂更能够达到焊接质量的强度要求，是 车身点焊接头质量评定的标准之一。美国和r 本点焊标准中推荐的熔核直径就是 为了保证实现拔出断裂的。但生产实际表明，国产板点焊熔核直径在d = 5 也远远 不能满足实现拔出断裂的要求，而且界面断裂与拔出断裂相比并不必然导致静强 度降低，更不会降低疲劳强剧4 引。 3 0 l l 不锈钢板的点焊技术国内并没有一个标准，需要通过大量试验研究摸索。 本论文通过比较和测定不同焊接工艺下，不同熔核直径大小的点焊试样的各种机 械性能，为车体设计和制造提供基础数据和理论依据。 本论文选用的3 0 l l - m t4 n 1 1 1 1 + 3 0 1 l m t4 删【i l 、3 0 l l 广h t4 m m + 3 0 l l h t4 m m 、 3 0 l l h t 2 m m + 3 0 i l h t 2 砌m 和3 0 l l d l t1 5 姗+ 3 0 l 【广m t 4 n 蚰四种板材组合的 焊接难度是3 0 1 l 冷轧系列板中点焊难度相对较大的。根据j i sz 3 1 4 0 标准推荐的 焊接直径以及板材规格对点焊试样进行设计，焊接过程中通过使用不同规格的电 极，调整焊接电流、焊接时间、电极压力等主要工艺参数，制备出实验用的三套 不同几何结构的点焊试样。各套试样的设计熔核直径如表2 4 ，使用的焊接工艺和 实际试样的平均熔核直径列于表2 5 。 表2 _ 4 点焊试样设计熔核直径d ( 单位：m m ) t a b l e2 4 d e s i 驴n u g g e td i a m e t 盯do f w e l d i n gs p e c i m 印( u n i t ：m m ) 在焊接给定熔核直径后，焊接电极尺寸的选择就很重要，如果电极尺寸过小， 为了达到设定熔核尺寸，就要加大焊接电流或减小电极压力，这样做就更容易产 生焊接缺陷。因此合理选择电极尺寸是获得具有良好冶金质量焊接接头的关键。 为了增大熔核直径，焊接电流在焊接时不宜变化太大，特别是厚板焊接，其焊接 电流已经很大，电流的与输入热量是二次方的关系，如果再增大电流，使熔核塑 1 6 性环不稳定，更容易引起飞溅等焊接缺陷，这时应该通过适当减小电极压力和延 长焊接时l 日j 来控制熔核直径。焊接时问主要是用来调节焊接热量的输入，熔核直 径越大，需要输入的热量也越多，因此通过延长焊接时间也能调节熔核直径大小。 电极压力对焊接接头的几何尺寸和冶金质量都有很大影响，它通常不是调节熔核 尺寸的因素，不过通常熔核直径与电极压力是负相关的，增大电极压力，熔核直 径会减小。 表2 5 四种组合点焊试样焊接r 艺及平均熔核直径 t a b l e2 5s p o tw e i d i n gp r o c e s sa n da v e r a g en u g g e td i a m e t e ro ff 0 u rc o m b i n a t i o n s 比较表2 4 和表2 5 可以看到，焊点的实际熔核直径大小与控制目标是有差距 的，一般认为实际试样的平均熔核直径接近熔核控制目标( 偏差小于0 5 m m ) ，设 计的焊接工艺就是合理的。表2 5 中，3 0 l l h t4 m m + 3 0 1 l - h t4 m m 板材组合的2 号和3 号工艺方案、3 0 ll m t4 m m + 3 0 l l 广m t4 姗板材组合的3 号工艺方案和 3 0 l l h t2 倒【i l + 3 0 1 l h t2 舢脏组合的3 号平均熔核直径偏小，而3 0 1 l 广m t 4 姗+ 3 0 l l m t4 栅板材组合的2 号工艺方案平均熔核直径偏大，因此其设计的 1 7 焊接工艺不合理。其他点焊试样的焊接工艺基本都符合设定目标。 2 4 点焊试样冶金分析 点焊试样的冶金组织和接头各组成部分的焊接质量决定了点焊试样的力学性 能，对点焊试样进行冶金分析是优化点焊工艺、获得优质点焊接头的重要环节。 奥氏体不锈钢的点焊接头可以分为热影响区、熔合区和熔核。大部分的研究主要 集中在熔核部分和热影响区的组织、缺陷对接头性能的影响。 2 4 1 点焊微观分析试样的切割与制备方法 金相检验是研究金属和合金内部微观组织的重要的方法。对于不锈钢点焊试 样来说，通过金相分析，可以判断选择的焊接工艺是否合理，观察是否存在缺陷， 并可以分析出产生缺陷的原因。 制备金相试样一般包括母板选取、试样截取、镶嵌、磨光、抛光、腐蚀等步 骤。采用线切割切取点焊接头，如图2 7 所示。在x q - l 型金相试样镶嵌机上镶样， 接着用不同目数的s i c 砂纸打磨，再在f g 1 a 金相试样抛光机上抛光，抛光采用 金刚石研磨膏，最后用王水腐蚀，制备完成。 图2 7 金相试样切割方法 f i g 2 7s p e c i m c u t 血gm e t l l o df o rm e t a l l o g r a p h i c 2 4 2 点焊接头组织性能的不均匀性 3 0 l l 不锈钢点焊接头包括熔核、热影响区和母材三部分组组织，熔核组织的 形成经历了熔化、结晶和固态相变三个过程，焊接时，熔融金属与熔核未熔化的 晶粒混合存在，当移除焊接电极后，靠近未熔化母材的金属液最先冷却，由于焊 接熔核尺寸很小，金属液冷却速度快，在熔池壁与母材连接处生成一层等轴晶， 随后熔核中心开始冷却，熔核凝固组织定向生长，形成柱状晶，在凝固后期，出 现自发形核长大的等轴晶。 3 0 l l 不锈钢点焊接头各部分的组织是不同的。在熔核区，奥氏体基体上存在 的树枝状铁素体，这些铁素体散布在奥氏体晶界，可以有效阻隔晶界，提高抗晶 白j 腐蚀性能。采用磁性法测量的体积分数约8 9 ；基体是无磁性的奥氏体，如图2 3 所示；与之相邻的热影响区是晶粒略显粗化的退火态奥氏体，如图2 - 4 ( a ) 所示； 而母材则因轧制应变量和强度等级的不同而不同，图2 - 4 ( b ) 所示是3 0 l l h t 母 材的微观组织，除了包含变形亚结构的奥氏体以外，还有约1 3 的应变诱导马氏 体。图2 5 是3 0 l l h t2 + 2 m m 等厚板焊接点焊接头上述三部分组织的硬度分布， 可以看出，其中母材的硬度最高约4 0 0 h v ，为熔核硬度的两倍，与图1 6 所示的 t r i p 8 0 0 硬度分布完全相反。 x 2 0 日b1 8 6 1 0 j j n 一 ( a )( b ) 图2 3 熔核区组织低倍( a ) 和高倍彻 f i g l l 陀2 3n u g g e tz o n eo fl o w 砌驴i f i c a t i o n ( a ) 锄dl l i 曲瑚嘶f i c a 6 ( b ) ( a )( b ) 图2 _ 4 点焊接头热影响区( a ) 和3 0 l l h t 母材( b ) ( 马氏体+ 变形奥氏体) f i g 2 4n em i c m s t m c t l l 心o f h e a ta 胝同z o n e ( a ) a n dt l l eb 撇m e t a lo f 3 0 l l - h t ( b ) ( m a n 蜘s i t e a n da u s t c 犯i t ed e f 0 彻a t i o n ) 1 9 图2 53 0 l l h t2 姗板点焊接头硬度分布 f i g 2 - 5h a n 髓s d i s t r i b i l t i 伽o f 3 0 l l h t 2 m m w e l d i n g j o i n t s 2 4 3 点焊接头焊接缺陷 在3 0 l l 不锈钢4 n 硼厚板焊接的熔核中心通常会出现凝固缩孔，但一般对点 焊接头的机械性能没有影响。本论文的部分厚板点焊中心缩孔出现如图2 6 ( a ) 所示的带有凝固裂纹的中心缩孔，这会导致其拉伸剪切强度的下降，造成该缺陷 的原因可能是电极压力不足或焊接电流太小。而2 6 ( b ) 所示的是2 m m 薄板点焊 试件结合线折叠，并且结合线向熔合区伸入，这种结构的缺陷对疲劳性能不利， 出现的原因可能是电极球面半径太小，导致加载在熔核边缘的压力太小，或者焊 接工艺参数匹配不当。 ( b ) 图2 - 6 中心缩孔端部裂纹( a ) 和结合线折叠( b ) f i g 2 6c 锄t 盯s 晡n l c a g e 啪c kt i p ( a ) 锄dc o m b i n e d 、i t ht h ef o l d i n gl i i l e ( b ) 2 5 本章小结 通过点焊试样的制备和点焊接头的冶金分析，得出以下结论： 1 点焊工艺设计依据的是控制熔核尺寸，但实际焊接接头的熔核直接往往与控 制目标有差距，一般认为实际试样的平均熔核尺寸与控制目标差距在o 5 m m 以内 的，其焊接工艺就是合理的。3 0 l l h t4 m m + 3 0 ll - h t4 m m 板材组合的2 号和3 号工艺方案、3 0 1l m t4 m m + 3 0 ll - m t4 i n m 板材组合的3 号工艺方案和3 0 1l h t 2 m 瑚r 卜3 0 l l h t2 舢1 1 组合的3 号平均熔核直径偏小，而3 0 l l m t4 m m + 3 0 l l m t 4 m m 板材组合的2 号工艺方案平均熔核直径偏大，因此其设计的焊接工艺不合理。 其他点焊试样的焊接工艺基本都符合设定目标。 2 点焊接头的冶金分析表明，3 0 1 l 母材存在应变诱导马氏体，而点焊接头熔 核区是奥氏体加铁素体，热影响区是退火奥氏体，失去了马氏体的强化使其熔核 硬度远低于母材，强度也远低于母材，因此不容易实现熔核拔出断裂。热影响区 由于存在结合线折叠，疲劳裂纹容易在这里萌生。 2 l 3 点焊试样静载拉伸变形行为 点焊接头一般的检验方法是对点焊试样进行剪切