康麗齊 呂冬連 程國利

摘要：針對不銹鋼軌道車輛的材料的性能，適合采用電阻點焊技術(shù)進行焊接。分別從電阻點焊的工作原理、焊接設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)形式、焊接系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、焊接監(jiān)測系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、焊鉗結(jié)構(gòu)、點焊電極、設(shè)備焊接能力、設(shè)備的輔助裝置等方面分析了電阻點焊設(shè)備各系統(tǒng)的組成與應用，指出了生產(chǎn)不銹鋼軌道車輛用電阻點焊設(shè)備的基本組成、應用特點及要求。

關(guān)鍵詞：不銹鋼車輛;電阻點焊;設(shè)備;性能

中圖分類號：TG438.2 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）04-0053-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.10

0 ? ?前言

軌道交通的發(fā)展是解決城市交通擁堵的主要途徑，質(zhì)量輕是城軌車輛選用的重要指標，不僅能夠大幅降低運營成本，還能提高牽引和制動部件的壽命。一臺B型不銹鋼材料車輛的車體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為6 t，是同等長度的碳鋼材料車輛質(zhì)量的2/3，且車輛表面無需油漆涂裝，車輛制造成本和后期維護保養(yǎng)成本也大為降低。不銹鋼材料采用電阻點焊工藝，焊接過程中無需填充焊接材料，沒有焊接煙塵，有利于保護環(huán)境。

中車長春軌道客車股份有限公司已制造了多個項目的不銹鋼車輛，使用材料為SUS301L系列高強不銹鋼。公司從國外引進了多套不同結(jié)構(gòu)形式、不同性能特點、不同能力的電阻點焊設(shè)備，布置了一條不銹鋼材料車輛的焊接生產(chǎn)線，設(shè)備資產(chǎn)超過2 000萬美元。

1 SUS301L系列高強奧氏體不銹鋼材料性能和焊接工藝分析

SUS301L系列高強度奧氏體不銹鋼材料在軋制過程中，根據(jù)需要可獲得HT、MT、DLT、ST和LT五個強度等級，其化學成分完全相同，但機械性能完全不同[1]，機械性能如表1所示。產(chǎn)品不同部位采用不同等級的材料。金屬在長時間的高溫環(huán)境下（如電弧焊接），材料的拉伸強度會急速下降。采用電阻點焊，在短時間內(nèi)完成焊接，能夠保證材料的機械性能。且必須采用較高的電極壓力，以防止產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，焊接時及時采用外部冷水進行冷卻，防止焊接變形。材料塑性好，能夠較好地完成拉彎成型。

近幾年，表面不涂裝的不銹鋼材質(zhì)的車輛應用較為廣泛，電阻點焊焊點表面成形美觀，焊接變形小，焊后無需修磨焊點表面，避免了對不銹鋼金屬材料表面狀態(tài)的破壞，因此電阻點焊是不銹鋼軌道車輛的最佳焊接工藝之一。

2 不銹鋼軌道車輛用電阻點焊設(shè)備組成

用于不銹鋼軌道車輛的電阻點焊設(shè)備為大型的非標準設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復雜，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和工作范圍需要單獨定制，成本高、工藝性強、制造周期長，一般為國外進口。設(shè)備由主體結(jié)構(gòu)、焊接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、焊接監(jiān)測系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、焊鉗結(jié)構(gòu)、點焊電極、設(shè)備軌道等部分組成。以焊接車頂部件的雙腿龍門結(jié)構(gòu)設(shè)備為例，整體布局如圖1所示。

（1）主體結(jié)構(gòu)。

主體結(jié)構(gòu)采用有鋼性的框架結(jié)構(gòu)，如圖1中件號1所示的雙腿龍門框架結(jié)構(gòu)。龍門根據(jù)需要產(chǎn)品特點和生產(chǎn)場地工藝布局要求設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)。其重要功能是搭載設(shè)備各部件，如焊鉗，運行到需要焊接的產(chǎn)品位置。

框架龍門采用高強度鋼焊接組對完成，具有足夠的強度和剛性，能夠連續(xù)焊接16 h，龍門不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。龍門腿端部設(shè)計有安全防碰撞裝置（見圖2），當龍門遇到障礙物時，防碰撞裝置先接觸到障礙物，將信息傳遞至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)緊急控制龍門立即停止移動，防止龍門損壞。

龍門架上方根據(jù)需要搭載電阻電焊設(shè)備的各系統(tǒng)部件，如空氣壓縮機、空氣干燥器、冷卻機等柜式設(shè)施。在龍門架的上方設(shè)計有安全護欄，護欄高1.2 m，由圓鋼管結(jié)構(gòu)焊接組成，保護設(shè)備和設(shè)備檢修人員的安全。龍門側(cè)面布置有爬梯，方便人員攀登到龍門上部。

（2）焊接系統(tǒng)。

焊接變壓器是電阻點焊設(shè)備焊接系統(tǒng)中的重要部件，重要功能是將電流通過被焊材料產(chǎn)生電阻熱，熔化金屬，完成焊接要求。焊接變壓器的性能決定設(shè)備的焊接能力。車頂部件的焊接設(shè)備（見圖1中件號2）采用中頻逆變的焊接變壓器，質(zhì)量比交流焊接變壓器減輕70%，體積減少50%，尺寸小，布置在靠近焊鉗位置，可減少電流損耗，局部如圖3所示，將交流電經(jīng)過增幅機形成高電流、低電壓后經(jīng)過二極管轉(zhuǎn)換直流電，通過焊鉗進行焊接，電流控制精度不超過預設(shè)定的±3%;對于車頂焊接，焊接電源的容量130 kVA可滿足焊接需要，變壓器質(zhì)量16 kg，輸入周波1 kHz，無負載2次電壓能夠達到9 V。

（3）走行系統(tǒng)。

走行系統(tǒng)包括設(shè)備龍門框架沿著車輛長度方向的移動（又稱作X軸方向移動）、多關(guān)節(jié)平衡器和焊鉗裝置在龍門架橫梁下部沿著車輛寬度方向的走行（又稱作Y軸方向移動）。

車頂部件長度約為20 m，一般采用產(chǎn)品固定不動、設(shè)備移動的焊接方式。在車輛長度方向，地面鋪設(shè)固定軌道（圖1中件號3），整個龍門框架由齒輪齒條電機驅(qū)動沿著軌道移動，兩個龍門腿下部各布置一套電機（圖1中件號4），左右電機同步控制，龍門走行速度控制在0～20 m/mim，采用逆變控制方式，實現(xiàn)無級調(diào)整啟動和停止動作，使設(shè)備行走更加柔和。對于手動操作的設(shè)備其軌道采用普通鐵路軌道。軌道安裝的平行度和水平度控制要求為≤1 mm/30 m。

為實現(xiàn)在各角度對產(chǎn)品進行焊接，在龍門框架上部橫梁的底部，沿車輛寬度方向布置了線性走行軌道（圖1中件號5）。多關(guān)節(jié)平衡器和焊鉗裝置沿著車輛寬度方向Y軸的走形控制方式與X軸方向移動相同。

（4）控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)是電阻點焊設(shè)備的中樞系統(tǒng)。有2個重點部分——系統(tǒng)控制和焊接控制。

系統(tǒng)控制器（圖1中件號6）采用PLC機型的Q00系列的產(chǎn)品，輸入程序的控制方式，有自診斷功能、異常檢測功能、存儲數(shù)據(jù)的功能，存儲數(shù)據(jù)容量可達14 kbyte，處理各種功能、異常信息的能力速度可達1～2.3 μS/step。在設(shè)備龍門結(jié)構(gòu)上布置有操作臺，操作臺上可顯示設(shè)備的開/關(guān)、異常停機等信息，在輸入盤上按鍵輸入焊接參數(shù)，焊接狀態(tài)的讀數(shù)就可在顯示操作盤上顯示。

對于焊接控制器，設(shè)定存儲256個焊接參數(shù)的能力，一般選用可靠性較好的德國博世的產(chǎn)品。通過焊接變壓器進行恒流控制，恒流精度達到±1.5%以內(nèi)，可實現(xiàn)多級點焊功能（可進行3次通電）。對高強不銹鋼材料的焊接，采用多次通電的方式實現(xiàn)焊接要求。

（5）點焊監(jiān)測系統(tǒng)[4]。

設(shè)備配有點焊監(jiān)測系統(tǒng)（見圖4），通過焊機電極焊接參數(shù)輸出端配置的信號收集傳感器，傳遞到監(jiān)測系統(tǒng)中進行分析，并顯示監(jiān)測結(jié)果（見圖5），形成數(shù)據(jù)庫管理。在點焊監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置焊接電流、通電時間、電極壓力等參數(shù)的許可范圍，實際輸出參數(shù)一旦超出許可范圍，系統(tǒng)予以報警并停止焊接。操作者分析報警原因，解決問題后再進行焊接。

由于電阻點焊不能進行破壞性的檢查，監(jiān)控焊接過程是非常重要的。

（6）冷卻系統(tǒng)。

電阻點焊采用大電流的焊接規(guī)范，較好的冷卻裝置可以保證10 000 A電流點焊的連續(xù)性。設(shè)備配有內(nèi)部強制自循環(huán)冷卻系統(tǒng)，冷卻水流量35 L/min，冷卻系統(tǒng)配有過濾裝置，保證點焊作業(yè)連續(xù)進行。冷卻水循環(huán)過程為：冷卻器→焊接控制器→變壓器→焊槍→冷卻器。

（7）潤滑系統(tǒng)。

設(shè)備安裝有可靠的潤滑系統(tǒng)，如在設(shè)備橫向、縱向、高度方向移動的部件軌道均布置有自動潤滑單元裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)定時定量自動提供潤滑油脂，保證系統(tǒng)各運動部件的移動、旋轉(zhuǎn)等功能，增加設(shè)備的使用壽命。

（8）焊鉗及點焊電極。

焊鉗是焊接系統(tǒng)中直接執(zhí)行焊接的關(guān)鍵設(shè)備，采用電機無級控制方式能夠繞直垂地面的軸進行-180°～+180°的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到任意角度，焊鉗均能實現(xiàn)自鎖功能。焊接車頂用焊鉗為C型焊鉗，其材料選用A5052型鋁合金材質(zhì)，整體質(zhì)量降低，便于平衡器對焊鉗的抓舉。C型焊鉗有喉深W和喉高H的尺寸要求，如圖7所示，W=600 mm，H=540 mm。

為了防止在焊接過程中焊鉗與工裝接觸，在焊鉗的鉗體上噴涂一層厚度2 mm的絕緣材料。

對手動控制的設(shè)備，焊鉗上方采用關(guān)節(jié)式氣動平衡器（見圖1中件號7）懸掛焊鉗。平衡器機構(gòu)設(shè)定工作范圍半徑達到2 000 mm，可以持重的焊槍質(zhì)量一般大于300 kg。使用平衡器，操作者對提升和下降300 kg的焊槍都能達到操作自如，且平衡器有自鎖功能，當提升或下降至任何一個位置，均能保持穩(wěn)定停到指定位置，實現(xiàn)焊接。

設(shè)備焊接點焊電極，電流從電極的正極出來，通過工件，再流轉(zhuǎn)到電極的負極，形成一個焊接電流流轉(zhuǎn)回路，完成對工件的加熱、熔化、加壓，完成焊接。電極頭形式為R100 mm的球面形式。電極材質(zhì)為CuCrZr，硬度≥160 HV，相對導電率≥70%[5]，其中Cr含量為0.4%～1.0%，Zr含量為0.02%～0.45%，增加Cr元素是為了增加電極硬度，能夠提高焊點成型質(zhì)量。

3 生產(chǎn)應用及后期改進分析

按照功能系統(tǒng)的性能特點要求，完成車頂部件工序點焊設(shè)備的采購技術(shù)條件的編制、制造和設(shè)備驗收。從2005年生產(chǎn)不銹鋼軌道車輛開始使用這些焊接設(shè)備，車輛現(xiàn)場運行良好。

焊鉗平衡器的旋轉(zhuǎn)臂，設(shè)計加長形式，目的是增加設(shè)備在寬度方向的可達范圍，對寬度3.2 m的車輛也能實現(xiàn)點焊操作。旋轉(zhuǎn)臂在空間±360°旋轉(zhuǎn)的工作范圍，設(shè)計相同范圍，對設(shè)備安裝無需特定方向，以提高設(shè)備的適用性。在平衡器與焊鉗之間增加快速換鉗機構(gòu)，便于后期對設(shè)備進行改造，通過更換不同規(guī)格的焊鉗代替設(shè)備整體采購，降低成本。

對焊接控制器，存儲焊接參數(shù)的能力還需增強，可以存儲不同車輛的焊接參數(shù)。對焊接加壓力的控制方式，目前大部分采用氣動方式控制，存在調(diào)整壓力范圍不精確問題，后期可以研究伺服電機控制方式，實現(xiàn)無級調(diào)整，目前已應用于汽車行業(yè)，在軌道車輛行業(yè)還未得到廣泛開發(fā)應用。

4 結(jié)論

（1）生產(chǎn)不銹鋼軌道車輛的電阻點焊設(shè)備是非標準化的大型設(shè)備，其工藝性強。針對不同點焊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，設(shè)備的技術(shù)性能和焊接能力差別大，需要針對圖紙結(jié)構(gòu)特點分析研究設(shè)備的性能特點和工作范圍。

（2）生產(chǎn)不銹鋼軌道車輛的電阻點焊設(shè)備價格高、結(jié)構(gòu)復雜，為確保設(shè)備的性能，生產(chǎn)過程中對設(shè)備的定期保養(yǎng)非常重要。

參考文獻：

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趙熹華.壓力焊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1989：3-15.

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康麗齊，于菲.電阻點焊電極頭形式對高強不銹鋼焊點強度影響的試驗研究[J].工程機械，2014，45（2）：56-59.

收稿日期：2021-04-09

作者簡介：康麗齊（1971—），女，學士，教授級高工，主要從事不銹鋼、碳鋼車輛車體鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝技術(shù)的研究。E-mail：kangliqi@cc car.com.cn。