（车辆工程专业论文）进口和国产调质轧制301l不锈钢电阻点焊接头组织和性能的研究.pdf

摘要 y 8 8 0 10 5 摘要 不锈钢客车作为车辆轻嫩化发展的方向之一已经越来越得到重视。作 为一种全新的车体，它多采用搭接方式，电阻点焊是不锈钢车体制造的关 键技术。同时不锈钢扳材豹辫产化进程也追在眉睫，这必然能带动一批国 家支柱产业豹发展。 本文对两种不锈钢板日本进口s u s 3 0 l l _ h t 不锈钢板和太原钢 铁j 一生产的国产不锈钢( 相当于s u s 3 0 1 l ) 经过电阻点焊后的焊点 缀织和性能进行了全面综合分析与对比，得出了系列有意义的结论。 本论文的主要工作包括以下几个方面： 1 本文就目翦世界各潮特剐是日本的不锈钢车体及板材作了阐述， 对毙了遴臼扳和善产板懿化学成分差异，透过拉伸剪切试验比较了两静母 材常温下的基本力学性能，并初步对不锈钢点焊接头的微观组织进行了金 相照微镜、扫描电镜和x 射线衍射分析。 2 本文对两种不锈钢的点焊接头进行了静载拉伸试验，建立了其受 力模型，并借助于有限元分析软件a n s v d y n a 对其受力过程进行了模 拟仿真，褥到了点焊接头的廒力分布场。 3 本文就不锈镶的点焊接头展开系统豹疲劳试黢，稠用成维法褒升 降法得到了两种不同板材的点焊接头的疲劳极限及其p s n 曲线，比较了 俩者的性能差异，并对疲劳断口进行了分析。 4 研究了不锈钢板点焊接头原始组织及受力后的马氏体相变以及影 响因素等，进一步丰富了不锈钢车体在实际应用过程中需要注意的因素。 关键谖：不锈钢车体s u s 3 0 l l 不锈钢板电阻点浑微缆组织疲劳 北京交通大学硕士学位论文 a b s t l a c t s t a i n l e s ss t e e lc a r w h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw a y si nt l l ef i e l do f l i g l l tw e i g t l to fr a i lc a r i sm o f ea n dm o r ep a i da t t e n t i 咖b yr a i l w a ym i n i s t r y s l a i n l e s ss t e e lc a ri sak i n do fa l l e wc a rb o d ym a k j n gu s co fl a pj o i n t s t n l c t u r e ，s or c s i s t a n c cs p h d tw e l d i n gh a sa l r e a d yb e e nt l l ek e yt c c h n o l o g yo f s t a i 砖e s ss l e c lc 旺a l 氆es 锄el i m e ，i ti su r g e n tt oh s es l a 主n l e s ss t e c l 撇a d eo f o u rc o 雌| 妫确i 曲w i l ld r i v e 氆e 掣e a ld 钾e l o p 掰e 嫩o fm 锺yi n d l l s t 基c s 强e r e t w ok i n d so fs t a 谰e s ss t e e l ，w h i c ha r cs u s 3 0 l lp l a t ei 埘州e d f t o mj a p a l la n dm a d eo fc h i n a t h en u g g e ts t n l c t l l r ea l l dm e c h a n i c a l p r o p e n i e so fs p o tw e l d i n gw e f er e s e a r c h e da n dc o m p a r c di t h ep a p e ra f t e r s t a i n l e s ss t e e lp l a l ew e l d i n g a n ds o m es i g n j f i c a n tc o i l d u s i o nw a so b t a i n e d 纳mt h e s ee x p e f i m e n ta n da n 出y s i s f i f s t l y ，伯es t a i n l e s ss t e e lc a ra n dp l a l eu s e db ym 船yc o u n t r i e s ，e s p e c j 舔l y 了印卸，w e r c 娟o w 穗j 蠡曲ep 8 辨l 弧e 曲e 商c 荫c o m p o n e 玎to f 攮e mw a s c o n t f a s t e di nt h ep a p e lt h em i c f o s t m c t u f eo fs p o tw e l d i n gj o i n | w a s i n v e s t i g a t e db ym i c r 吣c o p e ，s e ma n dx r d ，t h eb a s i cp m p e r t i e so fs t a i n l e s s s t e e lw a s c o m p a r c dt h r o u g h t e n s j l es h e a rl o a d i n ge x p e r i m e n t s e c o n d l y ，t c n s i l es h e a rl o a d i n ge x p e r i m e n to fr e s i s t a l l c es p o tw c l d i n g w a s c a 玎i e do u t ，柚dt h es t r c s sm o d e lw a se s t a b l i s h e d b yu s i n gt h ef e as o f 细a r e a n s y s ，d y n a ，t h es t r e s sd i s l f i b u t i 衄o fs p o tw e l d i n gj o i n li ss 确u l a t e db a s e o nl h es t f c s sp r o c c s s 。 丁h i f d l y ，t 董l ef a t i g u et e s to fs p o tw e l dj o i n tw 鹪s y s t e m a 吐c 越l ym e a s u r c d t w og i o u po fp s nc u n ，e so ft w ok i n d so fs t a i n l e s ss t e e lp 王a t ew e r c s h o w e dw i t hs e v e r a lm e m o d ss u c ha ss t a i r c a s e 柚dg m u pt e s t ，a i l df 甜i g u e s t r u c t u r ea n a l y s i sw a sd i s c u s s e df i n a l ly f i n a l l y ， t h e w e l d i n g s t 珊c t u r eo fs t a j n l e s ss t e e la n dm a n e n s i t i c 仃a n s f o m a t i o nw e r cd i s c u s s e d ，a sw e 珏a st h ef a c t o ro fi n n u e n c e i tw a s h e l p 如l 耋ou s ei np f a d i c c f o fs t a i n l e s ss t e 越c a r 垂【e yw o r d s ：s t 萄羲l e s ss 童c dc 鸥s u s 3 0 王ls t a i n l e s s e l ，砖s i s t 黼s i 蹦 w e l d i l l 舀f a t i g u e ，m i c r o s t n l c t u r e 第一章绪论 1 1 不锈钢客车车体 第一章绪论 1 1 1 不锈钢车体的发展 现代交通车辆与飞襁、汽车等载运工其在客运方面展开的激燕竞争， 促进了各种载运装备的快速发展。强前，发达国家如日本、德国等国家铁 路和城市轨道车辆普遍使用不锈钢、铝合金等多种材料，这是轨道车辆轻 量化和高档化发展的要求，是今后轨道车的主要发展方向。而开发快速、 高档和轻量化不锈钢轨道车辆已成为同、韩及欧美各国的发展战略之一。 陶外的不锈钢客车大致分为嚣类，郓骨架为普通钢、外皮为不锈钢豹 半不锈钢车体和只有部分受力件为低合金钢、其余均为不锈钢豹“全不锈 钢”车体。后一种不锈钢车体通常只有底架中的牵引粱、枕梁、缓冲梁、 边粱和悬挂重物的横梁仍采用耐侯钢或低合金钢，其余部分均用不锈钢。 世界上不锈钢车体主要缀历了4 个发展阶段：仅外墒板为不锈钢的外 板不锈钢车、碳钢底架的半不锈钢车、全不锈钢车和辍黛化不锈钢车。 最早把不锈钢材料用于车辆铡造的是美重巴德( b u 删1 公司，它于1 9 3 2 年研铡出世界上第一台不锈钢铁路客车。1 9 5 9 年来，臼本东急车辆公司与 美国巴德公司进行了技术合作，为生产以不锈钢车体为主要结构的全不锈 钢车迈出了一大步，并于1 9 6 2 年生产出世界上第一辆众不锈钢车，目前， 日本不锈钢车体的制造技术已网臻成熟和完善，日本在此方面也领先世界 水平。经过三代的发展1 1 1 ，日本不锈钢客车的减重效果与铝合金车体相比 已毫不逊色，露在经济性、安全牲和抗瘸蚀性更其有优势。下图l 。1 为第 悲塞交通大学颈士学位论文 三代不锈钢客车的整体结构。 强l 。l 零锈锈车薅结搦潮 强本最近使用的不锈钢车辆蕊缸第二代商第三代的过渡裂，薪型车辆 是琴耱檄化豹，数量农不隧埂加，熙其耐蚀性优藏，并呵发撵点辉优点， 在多晶秘、，l 、懿量生产中逐渗蠢毽缳，著垂在舞力曳艇攘纯濑援器人毯熬 工她产品化方向发展。 今聪不锈钢车辆更应以工业产品化为目标，努力减少制造工时，不 锈镶疆滋板车葵续褥黪曩发工终g 冀) 歪在袤丑零、薪弱本髓铁、东慧车辆 等公司中进行。以往纳车体绩构蹩将骨架和岁 授点焊组装，磷新开发车体 方法列怒程两块不锈钢扳之闻嵌装煳强榜料班缀合成取傣教牵体结构。阐 疆往懿方式楗魄，黢鬟教兹零传数爨藏少、翩逡工薅疆多。溪在正在j 冀 东日本的a c 列车试骏车上部分应用、预计将逃人验证阶段f 2 1 。 图1 2 为不锈钢双层板制遗的车体结构。如能达到实用化，那么下一 我不锈锈牵辆不久将涎生。 2 第一章绪论 圈1 2 不锈钢双层板车体的结构 1 1 2 我国不锈钢客车车体发展现状 随着我国图民经济的飞速发展，人民嫩活水平的不断提高，对铁路客 运事业也提啦了更离的要求。由于列车的不断提速，对车辆轻量化豹要求 也随之越来越强烈。对于轨道交逶车辆的车体结构西言，主要的要求是强 度高、刚度好、率体轻量化和优良的抗腐蚀能力以及减免维修，客车率体 钢结构一般分为耐侯钢、不锈钢和铝合金三种，不锈钢客车适合速度在 1 6 0 k 瑚，l l 一2 0 0 l l 情况下运行。我国繁忙干线运行的速度为1 6 0 k n | l l ， 虽然高速代表了发展趋势，但考虑到我豳的嗣情，以及不锈钢车体的高抗 腐蚀性、禽安全悭移使用寿命长、低维修量、成产工艺易于篦化、环境污 染小等优点，我i 鞫铁路在很长一段时间内仍簧以2 0 0 1 c m l l 以下的旅客列车 为主要运输手段。这些都表明不锈钢车辆在我国的使用将有光阔的前景。 我国的不锈钢客车制造刚起步不久，技术尚不成熟，很多方面需要完 善。长春客车厂在这方面走在国内的前列：早在1 9 8 7 年，长客厂就采用 太原钢铁公司的0 c r l 8 n i 9 材料，使用传统的电弧焊工艺生产了圈内第一 辆不锈钢车，势配属给了铁路武昌车辆段；1 9 9 5 年，长客厂与韩遴公司 联合开发了轻煮化不锈钢车辆3 0 辆，运靥予我国南方衡广铁路：在2 0 0 2 北京交通人学硕士学位论文 年又对不锈钢享体避霉亍第二除段的研捐，更透彻氇满纯吸i | 芟匿本在不锈锈 车辆方面的经验，聘请外国专家，并予2 0 0 2 年初售4 造出了全新的点焊结 构轻量化不锈钢车体，在此基础上，又生产出4 辆北京城铁不锈钢车辆； 2 0 0 3 年7 月，长春轨道客车股份有限公司为天津滨海快速轨道交通发展 有限公司设计的银白色不锈钢城轨客车下线，这是我国自行研制的酋例不 锈钢城轨客车，也是我国第一个时速达到l o o k m 的城市轨道客车，它标 志羞我国城孰军鼓术实现了蠢碳钢车体向不锈钢车体豹成功跨越。 1 1 3 s u s 3 0 l l 奥氏体系列不锈钢板 自从德国党虏伯不锈钢公司( s k s ) 1 9 0 r 7 年发明了不锈钢，特别是奥氏 体不锈钢于1 9 1 3 年在德国问世后，在随后的9 0 年闻，奥氏体不锈钢不论 是在性能还怒焱应用上，都有长是的进步。其全嚣、良好的综合性能傻得 在石油、车辆、纯学、轻工、食品、医药等行业中有着广泛的艘瘸。 其中，3 0 0 系奥氏体不锈钢以英怠好的耐蚀性、塑性变形能力和韧性， 较低的屈强比，以及优良的高、低温机械性能成为车辆制造业首选的结构 材料。目前，发达国家如日本、德国等的铁路和城轨不锈钢车辆普遍使用 3 0 0 系奥氏体不锈钢。以日本为例说明铁道专用奥氏体不锈钢的发展f 3 】。 在五十年代末全不锈钢车发展之襁，闷本并没有合适的结构壤不锈钢 材，美国也怒采用巴德公司独自研究开发作为铁道车辆用豹不锈钢，东急 车辆公司与网本不锈钢厂家协作，进行了高抗拉强度不锈钢( 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，研究了以点焊方式进 行不锈钢结构制造。由于高碳含量的s u s 3 0 1 不锈钢会导致焊缝热影响区 的晶间腐蚀问越，现在低含碳量匏s u s 3 0 1 l 已经取代了它的应用。 尽零不锈钢客车使用自奄n i q 型举锈镶s u s 3 0 l l 调质轧翱褰强度钢 板根据强度分5 个等级。l k l wt c n s i l e 羽于不需特别强度的构件或冲压 4 第一章绪论 体，与s u s 3 0 4 相目需要电弧焊豹郝传如内部骨架、车门内教、外扳嚣架 等；d l 不d e a d l j n et c n s i l e 用于拉伸或冲压成型件，特翔是外板；s t - s p e c i a l t c n s i l e 用于要求强度的构件，如车项弯梁、拱形梁等；m t l m e d i u mt c n s i l e 用于要求高强度的构件或压烈件，如波纹板等；h t - h i 窟bt e n s i l e 屈服强度 和抗拉强度均最高，用于要求高强度如侧梁、立柱等。 国内不锈钢板材方面，其实早在1 9 9 2 年北方交通大学和太原钢厂就 联合磺究和开发了经济型不锈钢o c r l 7 n i 7 ( 相当于s u s 3 0 l l ) ，并进行了 腐蚀、冷冲和焊接方露的试验，性能均达到o 1 8 n i 9 的指标，是比较有 希艇的国产不锈钢客车用材。隧前，太钢的车辆专用不锈钢板已经研制成 功，各方面的性能基本达到日本进口钢板的水平，准备投入批量生产，为我 国发展国产不锈钢客车奠定了竖实的基础。本论文中正是纂于这种不锈钢 板避彳亍的一系列研究。 | i 2 点焊技术的发展现状 电阻焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，通以电流， 利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。电阻焊接头可靠，焊 接过程的生产率和生产文明程度嵩。 奄阻点焊是电阻焊的主要分支，自1 8 7 6 年弧啪o s o n 教授发明第一台 窀隰点烽梳后，经过一个世纪的发展，电阻点焊技术不甑致遴，焊接接头 质攘不断提高f 4 】。目前，电阻点焊已在航空航天，原子能、电子技术、汽 车制造等工业部门获得了广泛成用。 奥氏体钢的线膨胀系数大、导热率低，焊点或焊缝附近的变形和内应 力较大的特点决定了不锈钢客车不宜用电弧焊，两采用在两电极间通有大 电流、商压力、热影响区小的点焊工艺【鬟。点焊工艺参数奄电极压力、焊 接电流、通电时闯、电极工作溺面的形状与尺寸等。选择点焊工艺参数瘟 5 l e 索交蘧大学硕士学健论文 保证获褥一个睨摄的熔纯核心，劳饺熔化金麟至基体闻驰热影响区最小。 正确熬辉揍纛范群题可褥戮器袋麓黧豹壶柱状燕粒组残黪熔侥群核嘲。 匿浅於报多学者辩零缝电照患爆接头应力痰变场获力学行为麴磷究 工作缀多。g l a t z e l 翱p r o 妯。端n k o j 8 j 分别考察了点焊搭谈中斡磁力场台癌 变行为。l ( r a n 帮e i 抽h 蒯9 l 试验研巍了各种因豢对点焊接头强度的影响。 男终，穰多关予疲势健怒方瑟氇遗行了磺襄。阳呔1 1 霹浆溺凝袋力学理论 分析了点焊接头的疲劳彳亍为，s m j t h i ：1 1 j 等利用断裂力学方法研究了电阻点 焊接头豹疲劳寿余，我毯鹣藩建辑1 1 2 l 采震有瓣元方法，戮究了汽警钢板控 剪点焊接头的疲势潜命。r 稍a j i l 3 j 针对电阻点焊接头进行了一畚列豹试验 磅究工掺帮理论礤炎，尽力了分褫模燮，提出了魄阻点烊接袋豹续褥应力、 缺口藏力及应力激发谶予分橱移译定方法，取掇了一系捌绒浆。舶h 0 h l 建立了攀纯邀隧点辫接头麴诗葵模黧，获得了接头孛戆波力分露。露傈攀 5 j 等建立了奄阻点焊接头的三维弹辍性有限元分析模型，其计簿模型中考 虑了力学性能不对称性和楗料非线馈以及电极鹾瘊和板之闼的分离。 1 3 选题背景和意义 不锈钢本身豹特点决定了不锈镶车体献浚诗到囊遗都与镶率捧有羞 很大的不同，如鼯】3 所涿，它绝不是简单的树料替换，丽怒种全新的 车葵，它瓣缝梅甏为复杂，多采建捺羧方式，势楚蘧遵浚豹逡按捧。辑汉 电阻嶷爆技术无疑成为不锈镳车体熬关键技拳。 有澈霾技术( 翔a 狂s y s 、j d e a s 、m s c 等) 稼麓一耱诗簿税模羧技术， 在产晶设计中已经成为一种不可缺少的分析工具。根据脊限元获褥的应力 建交绪聚避褥逡一疹酌疲劳寿命设诗基羟在一悠熏要魏工渡矮域( 汽事、 航空航必和机械制造锋) 得到广泛戚用。与基于试验的传统方法相比，有 限元分横幂需要芯赘大量黪大力积糖力，在设诗除段靛碍默粼鞭零部传靛 6 第一章缝涂 薄弱位置，并通过修改设计可以预先避免不合理的寿命分布。因此，它能 够减少实验样品的数慧，缩短产品的开发周期，进而降低开发成本，提高 市场竞争力 1 6 1 。 q - *“e t l ；t t5 j 啭* 5 哪 ；，：、 圈1 3 外表面四周都可点焊的车体结合 虽然发达国家豹不锈钢客车车体制逸技术已经毙较成熟秘完善，但对 予我藿它还是一顼耨皴零，嵩逵技拳及耱关戆标准、鼓术文簸等都还箍于 学习、创立和健全究善阶段。2 0 0 8j b 京奥运的申办成功和豳家发展城市 轻轨公共交通的发展战略，为不锈钢客车的发展提供了前所朱有的广阔发 艇空间。通过引进、消化和吸收日本的先进技术，建立和完善技术资料， 尽擎实疆我嚣不锈镄客车生产豹鏊产纯，楚广大辩技工终誊麴爨经帮馒会， 同时它会带动相关产业诸如钢铁、点爆帆、冷弯型钢常i 遥等行业的发展， 也必将带来巨大的缀济效益。 1 4 本课题研究内容 本文是根据铁邋害5 科技发展资助项蹲( 2 0 0 2 j 0 2 1 ) 关于圈产不锈钢板无 涂装不锈钢客车焊接工艺和性能的研究鬻求，对长春客车厂实际生产的以 日本进口的s u s 3 0 1 l 不锈钢板和国产不锈钢板为材料的不锈钢车体的底 絮逑粱、车门门握、麓架蒙皮等三静重黉绦稳受力点部位鲍游点豢援蛙施、 7 j 匕京交通大学硕士学位论文 疲劳强度及影响因素进行了研究，并应用国际知名软件 a n s y s l s d y n a ，对点焊部件进行了o d 几何模型的建立、有限元强 度分析和疲劳寿命预测，分析结果与实验结果吻合良好。本论文主要包括 以下几方面的内容： 1 、分别对进口不锈钢板和国产不锈钢板点焊接头的微观组织进行了 分析研究，为其所表现出的力学性能提供微观依据。 2 、利用国际知名非线性软件a n s y s 璩d y n a 对点焊接头的受力破 坏情况进行了模拟，得到了点焊接头复杂的受力状况，并与国产板和进口 板的试验结果进行了比较。 3 、分别对进口板和国产板点焊接头进行了疲劳试验研究，绘制了各 自的p s n 曲线，得到了两种板材的基本疲劳性能数据。 4 、以进口板点焊接头为主，研究了奥氏体不锈钢在温度降低和机械 应力或塑性变形时会发生马氏体转变，以及这种转变对不朽钢点焊接头的 力学性能的影响。 结果表明，太原钢铁厂生产的3 0 1 l 不锈钢基本达到了进口不锈钢板 的要求，在某些方面甚至超出了进口板的性能。数据显示，国产板经过适 当的改进，是可以替代进口板应用到铁道不锈钢车辆的。 8 第= 章不锈钢点焊接头的显微组织 2 1 引言 第二章不锈钢点焊接头的显微组织 奥氏体不锈钢自1 9 1 3 年在德国问世后，就以其全面、良好的综合性 能被广泛应用于原子能工业、铁道车辆、造船工业、食品设备等。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。国内外的许多学者对铬镍奥氏体钢 焊缝性能及抗蚀性方而已有诸多研究1 1 z “。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。 本章主要内容有通过多种试验手段对用于车体底架边粱的4 m m 以上 的s u s 3 0 1 l 不锈钢及国产不锈钢板的显微组织进行了研究；同时也比较 了进口板和国产板的差异，为解决奥氏体不锈钢钢焊接和板材的国产化等 一系列问题提供基础实验数据。 2 2 母材的拉伸实验 2 2 1 试样制取 试验板材分别是日本进口的s u s 3 0 1 l 不锈钢板以及太原钢铁厂仿照 其生产的国产不锈钢板，加工顺序为冷轧后进热处理、酸洗处理，最后经 冷轧获得适当光洁度，板厚分别为4 i r n 和4 5 m m 。其化学成分【1 q 见表2 1 。 冷轧获得适当光洁度，板厚分别为4 i r n 和4 5 m m 。其化学成分【1 q 见表2 1 。 9 藏索交遴大学硕士学位论文 按照漏栎g 87 2 霹爨避绫镄澍瑟，籍母妾孝麴王残凝i 潦试稃，鲡踅2 ，l 所示。实验在上进彳亍。试样墩交举瀚测控是虫_ 夹特在试样必特糖上的引伸 纹弓l 嬲。挝伸速度保持为0 5 m m 翩 n ，结果叛文本的形式输出。 2 0 2 实验缝粜分褥 瓣乏l母耪控捧试撵 母材的拉伸结果域嗣2 2 ，避黼板和国产板l l 哿性能整弊不大。两者酃 有明显的属服阶段，各自的屈服强度以及抗拉强度等见表2 2 所示。 璃 柏 篱 2 3 。 苎薜 r 嚣 l # 撼 s ll 一1 l l，rl ， f 一 l ，f ， l ，ii l ilj zll- 一 lll _ “一 ll 。246 8 搜罄k 豫 | l罅捕艚 f 、 ， | ， ， ( a ) 谶明扳( b ) 翻产板 圈五2 实辍霉薅拉镩麴线 由炭w 知，函产板绚届撮焱秘抗拉强度与遴翻板接遴，德潮产板在殛 塑性方掰氛有较大优越性。 第二章不锈钢点焊接头的显微组织 s u s 3 0 1 l 不锈钢实际使用过程中存在着强度不足黧性有余的缺点， 因此国产板在仿制过程中，适当增加了氮元素的含量。有实验表明，和常 规超低碳不锈钢相比，每增加o 0 1 n ，增加8 9 m p a ；氮含量在o 2 以下，辩断强l 殳缩率未见影响；含量不大予o 1 2 对l 率长攀不产生影响困。 ( a ) 进板 图2 3 拉伸试验断裂图 2 3 点焊接头试样制取 ( b ) 国产扳 驭上述不锈钢母耪，在长春轨道客车殷份有蔽公司按国标 g b 厂黻6 5 1 1 9 8 l 耨其制成等殍救面单点电阻点焊试样，冤图2 4 。焊接工艺 为：电流1 1 l ( a 、时间1 3 次周波、电极压力l o k n 。 二卫互 c = = = = = = 篓孽e 产2 2 = = 3 图2 4点焊器始试样 0 b 柬交通大学硕士学位论文 将电隰点焊接头懋线切裁后，分裂缀过四道砂纸戳及擞光梳糖搬，铡 藏金穗试撵，采嬲三筑偬铁漆液露是金耱腐蚀裁，裁各疆弦魄镶实验巍x 袈线髹袈试稃。 2 4 点焊接头宏观分析 2 。4 1 点焊接头尺寸 两块板点焊接熬的熬体形虢如图2 5 ( a ) 所示，图2 5 ( b ) 为点焊接头尺 寸示意图e 图中电极缀径为如，板厚灸艿，热影响区的庭饪为d 。，中 阔嚣点长度帮为杰辫羧头壤菝塞径d ，熔孩豹毫度为热。 ( a ) 点焊接扶熬体形貌8 ( b ) 点焊接头尺寸承懑图 图2 5 点撵接头宏麟尺寸 馥上图孛可羧卷黩l ，点浮熔榱貔蛊径不戆获乡 表甏奁缓获褥，簧遵嚣 测量必矮宠潼蓍络拨鬟衽或者聚会嚣韬裁瑟方霹送行。舅一穷疆，悠孩壹 径荠不是耘壤熬嚣形，实际测量中尽霹筏多次测量取乎均後。鞠使逡样， 测量结果仍然不可避免存在着误差。杨思就等 2 1 根据国外的经验，利用点 焊熔核直径的电阻辩离温台金及不锈钢点烨赢径进行了无授梭测。点焊板 厚和壹径豹关系，安辩中常用的一种参数关系为d - 5 碴，妻f j 图2 6 雳示。 1 2 第二章不锈钢点焊接头的显微组织 ， ， j ，一 ， ， u 口jl - 4口j # t h ) 图2 6 点焊板厚与直径的关系 本实验中，实测的点焊熔核直径平均值分别为：进口授1 2 。1 6 姗；国 产板1 3 o ? 黼。与上述工程审常黉的参数公式相艮要大缀多，这瑶以从两 方蕊鳃释：一是点焊工艺方面的差异，焊接电流、电极电压的不同都会引 起熔核直径的差异，二是奥氏体不锈钢不同于一般材料，它具有良好的塑 性和韧性，屈强比又比较高，又有良好的焊接性能，这黪在一定程度上都 会引起熔核直径的增大。 熔挟直径是点焊部位捡查方法的重要袋据之一。掇羰j l sz 3 1 4 0 1 9 8 9 标准l 冽，板厚分剐为钰臁和4 。5 m m 嚼焊点壹径的平均傻都是1 0 m m 。实 验数据显示，不锈钢点焊接头的实际测量平均值大于标准规定的数值，因 此，这种试样是完全合格的，能够满足要求。 2 4 2 点焊接头缺陷分析i 冽 点焊接头常燕的缺鹅鸯缭松、缩手l 、气孔、裂纹、遘烧组织以及脆硬 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 不锈钢具有良好的塑性和焊接性，但是由于多种原因特别是 随着厚度的增加，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 因糕围，翦者往往连成片，厝者剡局限为一较大“孔洞”。点焊熔核缩松 与缩筏是垂于熔核凝固过程中金属的收缠，劳且最瑶豹结晶逛域锻压力不 北京交通大学硬士学位论文 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， 因而更翔促进了缩松与缩孑l 缺陷的形成，觅豳2 7 。 ( a ) 进口板( b ) 国产板 图2 7进口授与国产板的接头缺陷 2 5 点焊接头微观分析 2 5 1 点焊接头维织分析 进口奥氏体不锈钢点焊接头的微观组织见图2 8 所示，圈产板的微观 组织示子图2 9 。试验在卦l e o p 珏o 他l 型卧式鬟微镜下进箨。图国殇为焊 点边缘组织，自下而上的三个组成部分分别为熔核、热影响区和母材。 图均为焊点中心贴合面附近的糨状晶加等轴晶组织，可以看到组织较 纯净、戈夹杂物。由予不锈钢两叛之间焊点接触瑟上无其它成分存在，含 碳量很低，也不会发生偏析，故熔核中心处于基本均匀的状态，从图r b ) 中可看到在靠近熔合线最初柱状晶都与熔合线簇本垂直，互搬平行的柱状 晶在焊缝中心处相遇。 s u s 3 0 1 l 奥氏体不锈钢板电阻点焊熔核的扫描电镜组织见图2 1 0 。 试验在j s m 5 8 0 0 扫描电镜上进行。可以看到熔核由蠕虫状和树枝状的6 1 4 第二章不锈钢点焊接头的显微组织 ( a ) 焊点边缘组织( b ) 焊点中心组织 图2 8进口板点焊接头金相组织 ( a ) 焊点边缘组织( b ) 焊点中心组织 图2 9国产板点焊接头金相组织 ( a )熔核的低倍组织 ( b )熔核的高倍组织 图2 1 0点焊接头的s e m 微观组织 铁素体和奥氏体组成，有很强的方向性。熔核凝固形态主要取决于液相金 属的温度梯度、晶体的生长速度和合金中溶质的浓度【刎。点焊时，在母材 北京交通大学硕= ：学位论文 帮电极的作嗣下，焊缝金属善先在熔池壁遵接母材处形核长大，并飘沿着 与最大冷却敞热相反的方向快速生长。由此可知，结晶完成时观察焊缝的 结晶方向，是以点焊接头圆心为中心并向四周呈圆形扩展。奥氏体不锈钢 的导热系数较低( 只有碳钢的三分之一) ，随着温度梯度的降低，结晶体 在液相中形成主干，在横方向长出分桉，这样由一棵树枝晶就构成了粮大 的桂状树枝晶，如图2 1 0 ( b ) 所示，图中树枝晶的二次分枝细而短。 2 5 2 点焊接头物相定量分析 在讨论不锈钢的组织与合金元素的关系时通常用s c h a e f f l e r 图f 捌，铬 当量和镍当量的计算公式如下： c 1 矗= c r + m n + l 。5 x s i + o 5 n bn i 。4 = 5 n i + 3 0 x c + o 5 x m n 式中秘n i 钝戆成分均为质量分数。将表2 1 中不锈钢静元素含量 带入到上式中，褥出铬、镍当量分别为1 7 和9 5 ，对照s c h 魁e f 图，焊 点组织应为舆氏体与铁素体的混合体，并伴有微量的马氏体产生。 s u s 3 0 1 l 奥氏体不锈钢板点焊熔核的x 射线衍射分析【2 6 l 见图2 1 0 。 定量分析结果显示，原始母材中并非只有唯一的奥氏体y 相( 图a ) ，由 于冷轧作用，母材中含有少量的a ( 6 ) 榍( 大约2 。6 ) 。铁素体和马氏体 的褥瓣峰缀滩送分，特别是当s u s 3 0 l l 不锈钢含碳量低于o 0 3 ，这时 可以采用取向分布函数诗算极图归一化因子来修正织构的影响i 朋，本文， 这里不对此进行讨论。文献2 7 中作者即通过一系列的修正因子和试验方 法证明了o c r l 8 n i 9 双相钢轧制过程中奥氏体不十分稳定，部分会转化成 铁素体。然而，要注意的是这与在后面要讨论的形变诱发马氏体相变广为 人们接受的理论有出入，有待进一步研究。阑产板的x r d 结果如匿2 1 0 ( c ) 、( d ) 掰示，可敬爱至4 ，嚣者的差别不怒缀大。 1 6 第二章不锈钢点焊接头的鲺微缎纵 ( 撞) 进口授母秸( b ) 蠛稿板原始霹点 0 ) 因产扳母薅( d ) 潮产投骧始焊意 图2 1 0 x 射线衍射继粜 2 6 小缩 本溉对进口不锈钢和国产不锈钢的母材按照网标进行了拉伸试验并 进行了比较。结果显示，国产不锈钢有明显的屈服点，而且抗拉强度高于 进口不锈镧。避一步试验表明，国产扳较高躬禽氮爨楚主要原因。 还瓣涎秘镄叛静点焊接头进行了宏魏窝擞鼹分橱，势瑟遴强扳霾患浮 接头避露了x 瓣线定量分辑，缝栗表骥，母耪釉杰爝接头都不是擎一类 氏体缀缓，冀中含有少量兹马氏体和铁素体。 1 7 筵豪交邋大学颞士学诬论文 第三章不锈镶点焊接头的静载投伸性能 3 。 萼l 言 点烊接头鼢特殊结构决定了它的震爨竣骏方式。一般的梭验方法是对 漆撩檄材进哥亍剪甥挝 串检验。在蜜际运行过稷中，不锈钢车傣的点挥部位 主葵承受魏是蘩甥影式鹣载蔚，露虽爆煮程魏锈方巍上暴窝较鑫獒强度， 瓣忿不锈镄点焊接头的飘戳性麓主要罴稀究患辫承载帮位在受剪讶载蔫 下的强度1 1 3 1 。f 1 本的点焊部位的检鸯办法( j i sz 3 1 0 4 1 9 8 9 ) 也是通过 对点焊的拉伸剪切裁荷和焊核赢径来进行点焊接头的威燃评定的【2 2 l 。 髓着计算机软硬件技术和数值仿真理论的飞速发展，人们越来越多地 袋翔诗冀枫像囊手段逛行终鞫势辑秘後优设圣_ ，常麓瓣方法跫有疆元法。 捐辩予毒成予上嚣个努布靛浮点连接嚣戏瓣车身宋涎，焱瀑零身不辱模 掇，霞疵，点焊结构酌肖限元模型技术，最缣涯诗算络艨正确并有较高精 度的荧键按术l 勰j 。 零牵内褰圭受蠢瓣苓锈溺意海接头豹势耱强度试狳磷究；稳弱窝舔著 襄静蒋线性渤力分耩软侔a n s y s 月已s d y n a 瓣熹浑接头麴联接关系送行 模揪；对比了试验结果和软传分孛斥的绩聚以检验模型的，行往。 3 2 点焊的拉 枣剪切试验 3 基纛试验材辩 各敬同样的邀聪嫒和国产扳点焊试梯数掇，滋长誊轨道客攀段份有限 公司瑕攘篷标g 戮戴6 5 1 1 叠8 9 剩藏懿强2 4 掰示豹双鬻肇煮邀阻点浮试 1 8 第三章不锈钢点焊接头的静载挝伸性能 样。邋翻授豹尺寸：宽度为3 0 m | l l ，厚度为4 m m ，长度为1 3 0 m m 。国产 板的尺寸：蹙菠为3 2 m 揶，厚度为4 5 捌n ，长艘为1 5 黼瑚。 点群试榉的剪切试验在s a n s 微机控制电予万能试验机上进行，拉伸 遮魔保持程l m m ，m i n 。试验过程中每隔o 0 5 m m 读数一次，结果以 m 影e x l 瓣形式自动输蹬。 3 0 0 试骏结巢处理 电黼煮焊试样的捷 审试黢结巢见豳3 1 。从圈中可阻看出，辉接试祥 的数据激艇性好，说明试样的性能稳定。拉伸j 遘程中焊点及周边各部位存 在严煞的威力集中，而且同时受多重应力的作用，变形十分复杂，因此无法 准确计鳟出焊点的应变量。 袖 一 薹柏 一 袭瓣 抽 o j g 剥 妒嚣 么 石琴 ， 夕 i i矿 l 一， i ，。 z 沙 。2 。幢挣、一 5 58。 4 鼢甜 28 ( a ) 进口板拉伸曲线( b ) 鞫产板拉伸曲线 图3 1 点烊试样的力位移曲线 幽豳胃熟，4 m m 簿的进豳扳点焊按头豹平均拣按载旖为5 3 2 0 k n ； 4 5 m m 群的国产扳的平均抗拽载荷为6 5 6 4 k n 。根麟j l sz3 1 4 m 1 9 8 9 l 竭， 母树挝伸强发超过5 9 0 州m m 2 时，对应板厚为4 l n m 和4 5 m m 的点焊接头 的拉 审辫切载荷平均值为6 2 强n 和7 4 9 k n ，最小值为5 3 2 8 k n 和 配6 8 瓣。试验孛煮簿接头豹撬剪切力显然没露满慰乎均馕懿要求，毽已 经这弼袋，l 、馕豹要求。嚣在文靛2 3 串，作者京秘弱瓣工笔下褥窭熬3 m m 簿度点浮试梯逡遁高于标准孛靛数僮。随饕缀浮躺增鸯嚣，点：簿工艺靛要求 1 9 北京交通人学硕士学位论文 也会越高，因此，通常点焊试样的板材厚度都小于等于5 m m 【2 2 】。本试验 中试样的焊接工艺没有达到要求，有待进一步优化，改进完善。 3 2 3 点焊接头剪切受力分析 点焊接头受拉伸剪切载荷作用时，这种接头的力学特性是：承受外力 拉伸时会由于搭接板间位置横向偏心( 偏心距等于板厚) 而在板中产生弯 矩，这使得相当大的弯曲应力叠加在拉应力之上并引起板的挠曲。挠曲的 程度主要取决于两搭接板的厚度。 点焊搭接接头拉伸效应与弯曲效应的叠加可用图3 2 所示的横截面模 型加以描述，该模型实际上是一个简化梁模型1 1 3 l 。在梁模型中，实际上具 有一定大小的焊点缩小成为一点p 。点p 也可设想成位于焊点边缘处。若 点p 左右两边梁的几何尺寸与受载情况均相同，则该梁模型相对于点p 为 对称。相对于点p 的点对称不应包括绕点p 的弯矩，因为这种内力会破坏 点对称。这种情况下便可把点p 想象成一个铰。图中所示为放大了的弯曲 变形。要注意的是因为是小变形，内力的平衡都在未变形的梁上进行讨论。 ， _ _ 一i c ) j d 】 图3 2点焊接头中的简化模型 t m 争 第三章不锈钢点焊接头的静载拉伸性能 图中豹三穗不同豹简化梁模型代表了三耪不同的点蜉受力情况。b ) 图为焊点中心露受剪切力，在搭接板的两端卡其处各放一垫片即可实现这 种方式；c ) 图为在板中心面肉承受切力的受力情况，此时切力可引起次级 横向力；d ) 图为在抗弯刚性约束下板中心面内承受切力时点p 处的受力情 况。由于搭接板问中心面位甓偏心，这三种受载情况下作用于板内点p 处 的力不仅包括拉伸切力f ( 或横向力t ) ，而且还包括因偏心丽引起的弯矩 粥，裔 膨：里 2 当板( 梁) 的宽度为l 时，拉应力和弯曲应力分别为： f 盯 一 f n6 ”i 嬲此酉褥板内、外表露上豹应力 班。竺：4 盯 f c r o 一一等一2 盯 即内表面( 点p 所在表面，即焊点贴合面) 上拉应力楚平均应力的四 俯，丽外表面上会产生压应力，大小是平均应力的二倍。 上述三种受载情况下点p 处浆弯惑匣力均相同，侄扳( 鄯梁) 中的弯 艴威力不同。从点p 至约束端扳中弯盐应力的分布情况是：第一种情况下 保持为常数，即各点处均与点p 相同，其二种情况下趋于零，第三种情况 下将改变其符号。 三种情况下横向力从无至有( 即第一种情况下无横向力) 逐渐增加且 已经包含在上述弯盐应力之中。 本实验中，在卡具豹位爨主敖餐垫片，以搜褥点焊接头冀受到剪切力， 2 1 北京交通火学硕士学位论文 所以这种受力分布可以用第一种模型的情况模拟。 把实验中数据( 最大拉伸载荷) 以及点焊试样的尺寸带入上述公式， 可知板的内、外表面上的应力大小，结果示于表3 1 中。 表3 1板内外表面的应力( 负号表示压应力) 由表中数据可知，当点焊接头的剪切载荷达到最大值时，其应力已经 远远大于材料的抗拉强度，此时，点焊接头的附近存在着严重的应立集中。 由表还可知，进口板的断裂应力要小于国产板的断裂应力。 试样的断裂方式如图3 3 所示。厚板试样在焊点中部两板贴合面处撕 开，被焊钢板在点焊联接处由于大应变而变形翘曲。这由模型的受力分布 也很容易看出。进一步的实验说明，板的翘曲程度随着板厚度的减小而变 大。当板的厚度减小到1 唧左右时，焊点不是沿着贴合面撕开，而是只沿 着热影响区的环形面撕开，焊核仍然连接在一起，见图3 3 所示。 ( a ) 板厚4 + 4 m( b ) 板厚1 + 1 m 图3 3点焊试样断裂图 第三章不锈钢点焊接头的静载拉伸性能 3 3 点焊接头的有限元模拟 3 3 1 引论【划 车体结构主要是由薄板冲压的覆盖件、承载骨架和各种加强件组成， 因而不可避免的存在许多复杂结构，包括复杂的几何形状、复杂的载荷作 用和复杂的支撑约束等，以及多种连接装配关系，对于这样一个复杂的系 统，有限元分析结果的正确与否，与所建立的计算模型有很大的关系，即 模型必须能反映其实际结构和连接关系的力学特性等。 由于车身薄板零件具有容易变形的柔性特点，在复杂的车身制造过程 中，零件冲压制造偏差、运输变形及工装卡具偏差等难以避免，从而不可 避免的导致零件可能在点焊连接处不完全匹配而存在初始间隙，而且初始 间隙的存在与否及其大小也很难预知。这种不可避免的点焊装配误差的存 在，使得对车身建模时，不能简单地将焊点作为一般的普通有限元节点来 处理，而应该建立一种焊接单元，使其更符合实际情况了。 对于点焊模拟，传统的建模方法一般有两种【2 9 】。第一种是将焊点之问 的问隔区域划分为细密的有限元网格，对焊点本身则采用节点耦合的方法 直接通过定义对应单元节点问的位移约束关系来模拟，这样的处理使得整 个模型的计算工作量剧增：第二种则是用短梁单元来模拟连接关系，这样 可以更准确地模拟焊点的载荷状况，但对大量密集点焊处理效果不佳。 在分析较多焊点的构件特别是车体时，第二种方法的计算量将是不可 想象的，而且建模的过程是相当复杂的，再结合划分有限元网格的壳单元 的特点，综合上述两种方法，取长补短对点焊处理提出一种新的对策，即 仍采用梁单元来模拟连接关系，但梁为刚性梁，并在计算焊接力时引入节 点间的位移约束关系。这样既避免了局部网格细化，又能较好地反映焊点 北京交通大学硕士学位论文 的力学特性。初始变形是焊接单元每个节点的位移相同，当单元内部受力 超过点焊的实际承载能力时，单元自动分解为两部分，且分解后自动进入 接触搜寻处理系统。点焊的有限元模拟，包括点焊连接关系的模拟、焊接 力的计算以及焊接失效的模拟。 3 3 2 点焊连接关系的模拟 点焊由焊核与连接板组成，如图3 4 所示，在仿真计算中，用位于薄 板中面的薄壳单元来模拟薄板，点焊连接则用连接两板的中面且垂直于中 面的刚性梁单元来模拟，这也是为什么在有限元模拟中焊接节点间存在间 隙的原因。节点间的间距即量单元的长度，为板壳单元厚度之和的一半， 并考虑装配误差的存在。与单纯的节点耦合模拟不同，采用此方法，点焊 附近的壳单元网格无需进行细化处理，只要求壳单元上的力能正确传递至 梁单元即可。事实上，若使用大尺寸的壳单元( 大于2 倍的焊核直径) ， 能获得更好的结果，即最接近实际的连接刚度。 每一焊接梁单元的节点同时也是其所连接的板壳单元内的节点，每个 节点具有六个自由度，通过定义失效准则来模拟点焊连接的失效。失效前， 在位移约束条件下节点一起运动，一旦满足失效准则，节点自动脱开。点 焊模型如图3 4 所示。 ( a ) 典型焊点示意图( b ) 2 个节点的单元模型 图3 4 点焊示意图及单元模型 第三章不锈钢点焊接头的静载搬伸性能 3 3 3 焊接力的计算 有限元仿真计算方法一般可分为隐式有限元和驻式有限元法两种。在 隐式有限元法中，对约束豹处理一般是引入拉格朗翻黎予，涉及未知约束 力的联立方稷求籍，适用于小变形豹静力学阅灏，翔对结构进行静力分掇。 当遴露磅漆疆撞谚奏嚣算辩，由于涉及稳郝憩大经移、大襞凌、丈交 形闯题，存在多重菲线性因素( 尼鹰菲线健、章葶糕繇线睦、接舷菲