不锈钢车体的焊接工艺及发展.doc

动车组总体题 目 不锈钢车体的焊接工艺及发展 班 级 2007级电车（本）2班 姓 名 张 景 学 号 20078040 二一一年三月不锈钢车体的焊接工艺及发展摘 要：从不锈钢车体的设计结构和焊接特点出发 ,介绍了不锈钢车体的焊接工艺;结合国内外新兴焊接技术的发展 ,阐述和展望了不锈钢车体制造的新工艺。关键词：不锈钢车体;焊接工艺;激光 - M1G焊接;GMAW;复合粘接现代交通业中 ,轨道车辆与飞机、汽车等载运工具在客运方面展开的激烈竞争 ,促进了各种运载装备的快速发展。开发快速、高档和轻量化不锈钢轨道车辆已成为日、韩及欧美各国的发展战略之一。为适应机车车辆工业跨越式发展的需要 ,国内铁路客车及城市轨道车辆制造业 ,也正在积极进行全面技术装备改造和产品的技术升级。不锈钢车辆因其较好的撞击吸能特性、防火安全性、轻量化和维护成本低等特点 ,已成为重要的发展方向之一。车体采用不锈钢钢结构不是把碳钢改为不锈钢的简单置换 ,而是其结构设计较普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1 不锈钢车体的结构特征目前国际上不锈钢车辆上采用的多为奥氏体系SUS301L 类不锈钢材料。这类材料不仅具有较高的抗拉强度(930MPa) ,还具有良好的冲压性能 ,同时还具有较好的点焊焊接性。现在 ,车辆设计者借助于电子计算机进行有限元计算方法(如ANSYS软件) ,来分析车体的受力、变形以及应力分布情况 ,充分地利用了材料的高抗拉强度 ,设计出薄壁筒型和板梁结构的车体。车体钢结构主要由侧墙、底架、车顶、外端等部件构成。不锈钢车体结构受力部件主要使用不同强度等级 SUS301L 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。不锈钢板材的冲压性能是衡量不锈钢材料在1综述述评车体上应用的重要指标 ,不锈钢材料的热物理性能又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 ,其车体结构与碳钢车体有着较大差别。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 ,尽最大可能消除角焊、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 ,加大车体钢结构断面 ,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 ,采用低合金钢的角焊、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较高 ,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 ,减少热量输入。此外 ,借助于ANSYS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 ,最大限度地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。2 不锈钢车体的焊接工艺由于不锈钢车体的整个结构与传统的碳钢车体有较大差异 ,因而其焊接制造工艺与传统的车体焊接工艺有很大不同。不锈钢车体的组焊工艺是先形成独立的大部件 ,然后完成组装。不锈钢车体及其结构件多采用电阻点焊工艺。每次钢结构生产前 ,必须做众多点焊接头试件 ,通过对接头试件力学性能的测试和焊点端面的破坏性试验 ,来选定点焊的参数范围。由于点焊接头的特殊性 ,在工程上难以实现对接头的无损检测 ,点焊质量和接头强度是通过点焊试件质量来验证的。2. 1 不锈钢车体的底架钢结构不锈钢车体底架的设计是车辆轻量化的关键,从各国设计生产的不锈钢车体来看 ,其主要受力部件底架端部的设计与碳钢车相似 ,亦采用高强度的中、厚耐候钢板制造 ,便于采用气体保护焊接。车底的其余受力部件均选用不锈钢材料 ,采用电阻点焊焊接方法。而碳钢部分与不锈钢部分难以实现点焊的部位 ,可采用电弧焊中焊接变形较小的塞焊或环焊。底架钢结构的组装工序是先完成底架端部组焊 ,然后从底架端部开始 ,在框架组焊工装内完成框架组焊 ,最后通过翻转完成部分配管等安装工作。根据框架结构的特点和施工作业的习惯 ,框架组焊可以采用正组方式或反组方式。底架横梁与边梁之间通过电阻点焊方式连接 ,配备专用龙门式点焊机完成上述点焊工作。底架宽度是靠下料质量要求较高的横梁的长度来保证的 ,从而可以简化组焊用工装。框架组焊结束后可以通过转胎翻转 ,安装另一侧的零件。波纹板与横梁之间可以采用特殊的电弧点焊完成焊接 ,其余部件的焊接采用电阻点焊方式。底架的吊运器具需具有防护功能 ,防止底架外露部分不被划伤或碰伤。2. 2 不锈钢车体的侧墙钢结构侧墙钢结构的生产采用单面点焊工艺 ,这是一种较理想的焊接方式 ,可以很好地保证侧墙外表面的平面度。单面点焊台位的设计需要考虑单面点焊的特点 ,在平台上铺一层导电性好的铜板 ,起到辅助电极的作用 ,以减少点焊分流对焊点质量的影响。不锈钢外墙板和骨架依次放在平台上 ,用数控自动点焊机来完成侧墙的焊接。在侧墙的制造过程中要考虑侧墙的挠度。侧墙板为预冲窗口的通长墙板 ,采用真空吊具吊运;侧墙钢结构的吊运也须采用专用吊具。不锈钢车体的外包板不涂装是车辆设计和制造的难点之一 ,侧墙的设计和制造应主要考虑如何保证侧墙的平面度和侧墙表面质量。实践证明 ,采用单面点焊工艺代替双面点焊和弧焊工艺 ,是减少因双面点焊造成的焊点凹陷和弧焊造成的焊接变形的有效途径。侧墙外表面因失误而造成损伤的修复工作 ,目前尚无可推荐的方法 ,需要通过实践 ,不断研究和提高。2. 3不锈钢车体的端墙钢结构端墙钢结构有前端墙和后端墙的区分 ,尤其是端墙为司机室的一端 ,其制造工艺与非司机室端不同。由于车体的无涂装要求和不锈钢材料的钣金曲面成形困难 ,设计上多采用玻璃钢材料辅以板梁结构(多采用碳钢材料)形成司机室端。而非司机室的端墙框架的连接多采用MIG焊接方式 ,框架与外皮板之间则采用点焊方法。2. 4不锈钢车体的总组装六大部件分别组成后 ,便开始车体总组装 ,组装顺序跟碳钢车体相同。底架的挠度需要借助于总组装工装来预制 ,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地采用点焊 ,只有点焊达不到的部位 ,才可采用塞焊或环焊等焊接方法。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单面自动点焊机焊接 ,不但表面质量好 ,且焊接质量稳定 ,工作效率高。侧墙立柱与底架边梁之间通过塞焊连接 ,侧墙与车顶之间通过龙门式点焊机点焊连接。不锈钢车体钢结构组装结束后 ,需对车体钢结构进行淋雨试验和表面清洗 ,使车体达到不涂装车的要求 ,随后对所有的焊缝涂密封胶密封 ,最后喷涂阻尼浆 ,完成钢结构的生产。3 不锈钢车体的焊接新技术近年来 ,焊接技术获得了迅速的发展 ,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。3. 1 点焊质量监控技术的发展及应用电阻点焊过程是一个高度非线性、多变量耦合和大量随机不确定因素的过程 ,又由于点焊的形核处在封闭状态而无法直接观测 ,特征信号的提取相当困难 ,而且形核时间较短 ,焊接条件短时间的波动就会造成严重后果。点焊质量不稳定是影响点焊结构在车体重要结构上使用的最主要原因 ,使底架的端部仍然须采用低合金钢结构。为稳定点焊质量 ,监控技术显得尤为重要。点焊质量监控技术属于焊接过程的质量控制 ,包括实时稳定控制焊接参数和控制焊接过程中反映焊点状态的物理量两方面。按照控制目标和方法的不同 ,可分为以下四类:监控焊接热量;监控点焊过程参数的某个特征量;监控某一过程参数曲线和监控点焊质量参数。这些监控方法在日本和欧美各大汽车公司均有应用 ,我国各大汽车公司也有部分采用。实践证明:根据对点焊形核简单切片试验来确定点焊规范参数的方法是不能满足要求的 ,而先进的点焊质量监控技术可对点焊质量进行实时检测和反馈控制 ,能对点焊质量进行实时、迅捷、准确的控制 ,这对于提高点焊质量确实是一种行之有效的措施 ,应在不锈钢车体的制造中积极采用2 。3. 2 焊接机器人技术日本不锈钢车体广泛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。除了在不锈钢车体钢结构的车顶和侧墙上采用了数控编程的点焊机 ,日本川崎重工在对 19992002 年出口北美的地铁车辆中还使用了弧焊机器人技术。3. 3激光 - M1G复合焊接技术在欧美 ,激光焊已被使用在汽车部件的连接上 ,它主要用于板 - 板、板 - 杆之间的连接。瑞典某汽车公司用激光分段焊接代替点焊 ,质量优于点焊。激光焊在不锈钢车身焊接工艺中遇到的问题主要是由于光束直径很细 ,要求坡口装配间隙小于0. 5mm。跟踪精度要求很高 ，在尚未形成熔池时其热效率较低。这些问题可以通过激光 - MIG复合焊解决。由于MIG焊的复合 ,熔池宽度增加使得装配要求降低 ,焊缝跟踪容易。MIG电弧可以解决初始熔化问题 ,从而可以减小使用的激光器的功率 ,同时 MIG的气流也可以解决激光焊金属蒸汽的屏蔽问题。MIG焊便于填加焊丝 ,从而可以避免表面凹陷形成的咬肉 ,而激光的高焊速 ,高熔深、窄焊缝、低热输入特点仍可以保持。实践证明:激光 - M1G复合焊接是一种在车体焊接上有广阔发展前景的焊接工艺 ,但其成本较高4 。3. 4脉冲熔化极气体保护焊( GMAW)为了防止汽车车体锈蚀 ,常采用镀锌钢板 ,而镀锌钢板的点焊性能很差 ,MIG焊时由于锌的蒸发而产生气孔 ,铁道车辆上也会遇到同样问题。汽车工业采取的措施是采用交流脉冲 GMAW焊 ,其大的脉冲焊接峰值电流增大了熔池前部加热范围 ,从而使锌在进入熔池前蒸发逸去。低频的脉冲波动可以使熔池共振而使进入熔池的锌易于逸出 ,同时保留搭接时板间隙为 0. 30. 5 mm ,使蒸发的锌可由间隙逸出而减少气孔生成。采用自适应控制系统 ,根据测定的板间隙来自动调整焊接速度和正接系数 ,从而得到完好的薄板搭接焊缝。通过减少焊缝的熔深和熔宽 ,增大焊丝的熔化率以增大焊缝的余高 ,所以薄板熔穿的危险大大下降;对母材的热输入少使焊接变形也大为减少。这种焊接方法将逐渐应用到城轨地铁车辆的薄板和镀锌板的焊接4 。3. 5 新型材料的复合粘接技术随着材料科学的发展 ,新型材料不断出现并被不断应用到车体中来。在复合材料车体中 ,材料的连接很难由传统的点焊来完成 ,因而各种机械连接或机械连接和粘接复合的方法被大量使用 ,粘接技术变得越来越重要。汽车上大量采用了复合粘接结构 ,譬如一辆奔驰汽车上粘接、铆接、咬接、折边连接和点焊组成的复合连接总长达 71 m左右。由于采用复合粘接技术 ,原来点焊结构件的抗扭曲能力可以提高15 %;采用高抗冲击树脂粘接剂 ,抗破坏能力比原来单一的点焊连接进一步加强;由于粘接层隔离作用提高了接头抗腐蚀性 ,调节粘接