电铆焊工艺在薄板焊接上的应用

0 前言

近年在铁路货车产品方面，为增大车体容积，减轻车体自重，提高运能，在其侧墙、端墙、棚顶等部件的结构上采用框架+薄板蒙皮结构的轻量化设计。其中端墙、棚顶设计上是框架与蒙皮薄板采用段焊连接，侧墙是框架与蒙皮薄板采用段焊和塞焊方式连接。这些部件由于焊接后产生较大的焊接变形，需要进行框架整体矫正，外侧蒙板需要进行钢板的烤火矫平，矫平工作量非常大，而且效果不是十分理想，增加了制造工作量和制造成本。

在铁路货车产品的推出及应用推广的过程中，不仅车体的设计是产品成功的关键，其产品的制造工艺及制造质量，尤其产品的外观质量和商品化程度对客户需求的影响也至关重要。为此，文中对电铆焊技术在薄板焊接结构制造中的应用进行了系统研究，探索电铆焊焊接工艺方面的技术要素和经验，以期解决铁路货车车体的外观质量和商品化的技术难题。

1 电铆焊工艺简介

1.1 电铆焊工艺的技术特点

电铆焊工艺是利用特种焊机具有的焊接时间延时和定量调节功能，通过设计、制作特殊的焊枪工具，在薄板焊接结构上实现焊接的一种新的工艺方法[1]。其原理是将两张叠放在一起的薄钢板，开孔或不开孔，从单面利用电弧熔透上板，电弧接着熔透下层钢板的一部分而形成焊点，从而进行部件的有效连接，电铆焊工艺示意图如图1所示。

国防和军队建设必须以国民经济发展为基础，以国防费投入为支撑。从国防费投入的角度看，改革开放40年国防和军队建设大体经历了三大阶段。

图1 电铆焊工艺示意图

1.2 电铆焊工艺的应用特点

电铆焊最适用于薄板框架式结构的焊接，从薄板一侧进行引弧焊接，而板后面的框架部分一般比蒙板厚度大；但铁路货车的部件产品连接方式正好相反，是从框架向蒙板方向焊接，而且蒙板厚度比框架的厚度小，要求连接的焊缝要有一定强度，并且蒙板表面的平面度和美观度又要求比较高。因此，铁路货车的部件产品的电铆焊焊接有其特殊性，也增加了应用难度。

2 电铆焊工艺的技术研究

鉴于电铆焊工艺本身的特点以及它的适用性，结合铁路货车的结构特点[2]，对电铆焊工艺进行了下列焊接技术试验及研究。

2.1 试验材料

试验材料为Q345NQR2(即原09CuPCrNi-A)，其抗拉强度≥480 MPa；焊接材料为ER50-6焊丝，焊丝直径为1.2 mm，其抗拉强度≥500 MPa。

2.2 电铆焊工艺试验

2.2.1 不加工孔的电铆焊工艺试验

不加工孔的电铆焊工艺对比试验所用试板规格为150 mm×60 mm×2 mm，在不开孔的情况下，进行电铆焊焊接。不加工孔的电铆焊工艺试验数据见表1。 焊接后观察及测量表面焊点的直径及背面热影响区的直径，在不开孔的情况下，板上的连接点直径约为1.6～2.4 mm之间，扭转撕裂的力度较小，说明电铆焊的连接强度不大。

表1 不加工孔电铆焊工艺试验数据

试板编号板厚组合δ/mm焊接电流I/A焊接时间t/s焊点数组对间隙b/mm表面焊点直径d1/mm背面热影响区直径d2/mm连接点直径d3/mm扭转撕裂力度12+23000.540.29.014.01.60较小12+23000.540.29.512.01.65较小12+23000.540.19.811.01.70较小12+23000.5409.813.01.70较小22+23000.640.110.013.02.00较小22+23000.640.210.611.01.90较小22+23000.640.210.512.52.00较小22+23000.640.110.011.52.10较小32+23000.840.512.513.52.30较小32+23000.84013.013.12.30较小32+23000.84013.013.32.20较小32+23000.840.312.912.92.20较小42+23001.040.212.913.62.20小42+23001.040.113.413.22.20小42+23001.040.213.413.52.32小42+23001.040.113.714.02.38小

2.2.2 不同直径加工孔的电铆焊工艺试验

不同直径加工孔的电铆焊工艺试验试板规格为160 mm×60 mm×3 mm与160 mm×60 mm×2 mm板厚组合，孔的直径分别为5 mm,6 mm,7 mm。 不同直径加工孔的电铆焊工艺试验典型试件照片如图2所示。不同直径加工孔的电铆焊工艺试验数据见表2。

图2 不同直径加工孔的电铆焊工艺试验典型试件照片

在上述试验的基础上，可以观察到孔的直径为5 mm,6 mm,7 mm时电铆焊的表面都存在不同程度的缩孔现象，这是由于焊接时间没有调整好，或者操作手法问题，当焊丝没有完全熄弧的情况下，过早提起焊枪的缘故。另外，也可以观察到孔的背面也存在不同程度的烧穿和熔凸情况。随着孔的直径的增大，这种情况发生的多(例如直径7 mm的情况)。因为孔增大后，需要延长焊接时间，以补充填充的铁水数量，但同时加大了背面烧穿和熔凸情况。对照5 mm和6 mm加工孔的焊点表面和背面质量，可以看到6 mm加工孔的表面和背面质量比5 mm加工孔的质量好，而且实际焊接时操作相对容易一些。

2.2.3 电铆焊与塞焊试件的焊接变形对比试验

两组焊接变形对比试验均采用框架加蒙皮结构，电铆焊与塞焊试件如图3、图4所示。按产品设计要求，电铆焊试验是在框架上钻6 mm孔，塞焊试验是在框架上钻10 mm孔，孔间距为150 mm。框架材质为09CuPCrNi-A，板材质为05CuPCrNi。两种试验均先进行框架的焊接，框架焊接完成后进行矫正，保证框架与板接触一面的平面度在1 mm以内，然后分别进行框架与板的塞焊和电铆焊。塞焊与电铆焊的焊接顺序必须完全一致。焊后对两种试验板的平面度进行精确测量，对比同位置平面度的变化情况。焊接完成后，等待试板冷却，利用标尺对试板焊接变形进行测量，取各个方向最大值汇总。

表2 不同直径加工孔的电铆焊工艺试验数据

试板编号板厚组合δ/mm焊接电流I/A焊接时间t/s焊点数 加工孔直径d0/mm 表面焊点直径d1/mm背面热影响区直径d2/mm表面成形背面成形13+21001.8459.09.7有缩孔平整13+21001.8458.79.1平整平整13+21001.8459.19.6平整平整13+21001.8459.410.0有缩孔平整23+21152.04610.09.6有缩孔平整23+21152.04610.19.8平整平整23+21152.04610.09.7平整平整23+21152.04610.09.9平整平整33+21002.44712.213.5有缩孔似烧穿33+21002.44711.913.3平整有熔凸33+21002.44711.713.5平整平整33+21002.44712.113.4有缩孔似烧穿

图3 电铆焊试件焊接变形试验

图4 塞焊试件焊接变形试验

由于电铆焊变形量比较小，在整个试板的各个方向上找出4个变形量最大点，最大点的变形量为2.4 mm，最小点变形量为0.2 mm。相对来讲，塞焊的变形量较大，在整个试板上找出10个最大点，普遍变形量为4～5 mm，只有两点的最小变形量为2 mm。因此可以看出，采用电铆焊工艺焊接可以明显降低焊接变形，只需对个别变形量较大的点进行局部火焰矫正即可，可以大大减少矫平工作量[3]。

2.2.4 电铆焊焊接工艺评定试验

由于目前国家没有关于电铆焊的相关焊接工艺评定标准，因此参照与电铆焊类似的电阻焊焊接工艺评定标准进行φ6 mm加工孔的电铆焊工艺评定。相关的焊接工艺评定有下列几项：剪切试验，交叉拉伸试验，机械撕裂试验，宏观金相试验。试验内容、试件规格、数量及焊接规范参数见表3。

2.2.4.1 剪切试验

在φ6 mm加工孔进行无脉冲电铆焊的情况下，焊点的剪切破坏发生在焊点上(图5)，其破坏力需要1.1～1.2 kN，而且电铆焊的时间短(2 s)，热输入小，焊点表面成形比较圆滑，类似于圆滑的铆钉头，高度仅0.6 mm；由于实际产品结构上，焊点不存在剪切作用，只起外表连接作用，而且不承受较大的连接力，因此其试验的破坏力对于连接强度的要求来说足够。

表3 电铆焊焊接工艺评定试验数据

序号试验内容规格/mm×mm×mm组别加工孔直径d0/mm焊接电流I/A焊接时间t/s数量1剪切试验138×60×22-1～2-11(无脉冲)61102.0111剪切试验138×60×23-1～3-11(有脉冲)61950.8112交叉拉伸试验150×50×22-1～2-11(无脉冲)61102.0112交叉拉伸试验150×50×23-1～3-11(有脉冲)61950.8113撕裂试验150×60×22-1～2-12(无脉冲)61102.0113撕裂试验150×60×23-1～3-12(有脉冲)61950.8114宏观试验50×30×22-12～2-13(无脉冲)61102.024宏观试验50×30×23-12～3-13(有脉冲)61950.82

图5 电铆焊试件剪切试验

在φ6 mm加工孔进行有脉冲电铆焊的情况下，焊点的剪切破坏也是发生在焊点上，其破坏力需要1.2～1.3 kN，而且电铆焊的时间更短(0.8 s)，但由于增加了焊接电流。因此，热输入比无脉冲情况下要大，焊接点比无脉冲情况下要大，其焊点表面成形比较平滑，高度为0.1 mm。

2.2.4.2 交叉拉伸试验。

在φ6 mm加工孔进行无脉冲电铆焊的情况下，焊点交叉拉伸的破坏发生在开孔板上，但不是热影响区，焊点呈柱状拉出，母材受到破坏，而焊点无破坏(图6)，其破坏力需要0.9～1.2 kN(由于这种破坏的断面面积无法计算，所以无法计算出焊点的强度数据)，从破坏的状态来看，说明其焊点的强度比母材强度高,而且电铆焊的焊点表面成形比较圆滑。

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在φ6 mm加工孔进行有脉冲电铆焊的情况下，焊点交叉拉伸的破坏也是发生在开孔板上，但不是热影响区，焊点也是呈柱状拉出，其破坏力需要0.9～1.4 kN，热输入比无脉冲情况下要大，焊点比无脉冲情况下要大，其焊点表面成形比较平滑。

图6 电铆焊试件交叉拉伸试验

2.2.4.3 撕裂试验

在φ6 mm加工孔进行无脉冲电铆焊的情况下，焊点的撕裂破坏发生在开孔板上，但不是热影响区，焊点呈柱状拉出，母材受到破坏，而焊点无破坏(图7)，其破坏力需要0.57～0.7 kN，电铆焊的焊点表面成形比较圆滑。

在φ6 mm加工孔进行有脉冲电铆焊的情况下，焊点的撕裂破坏也是发生在开孔板上，但不是热影响区，焊点也是呈柱状拉出，其破坏力需要0.6～0.65 kN。

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2.2.4.4 宏观金相试验

从断面熔合可以看出：图8a中φ6 mm加工孔无脉冲电铆焊与图8b的有脉冲电铆焊的焊核比较适中，熔合也比较好，焊核增高不大；分析其晶粒度为5～6级，组织较好，为贝氏体+铁素体。

图7 电铆焊试件撕裂试验

图8 电铆焊试件宏观金相试验

3 结论

(1)通过2 mm厚的不加工孔的电铆焊试验可以看出，焊点的连接强度比较小，对于要求一定强度的货车产品而言，不加工孔的电铆焊工艺是不适合的。

(2)通过不同孔径(5 mm，6 mm，7 mm)加工孔的电铆焊对比试验可以验证，在零件上加工φ6 mm孔进行电铆焊是可行的，其焊点成形比较好。

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(3)通过φ6 mm加工孔电铆焊与φ10 mm加工孔塞焊的对比试验可以验证，在相同结构、相同面积情况下，电铆焊工艺的变形程度明显小于塞焊工艺，是塞焊工艺变形量的1/5～1/10，可以显著降低焊接变形，大大减少工件的矫平工作量。

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(4)通过剪切、十字拉伸、撕裂及宏观金相等工艺评定试验可以验证，φ6 mm加工孔的电铆焊工艺为最优化工艺，焊接质量良好，焊点强度满足结构要求。焊接时焊机设定为有脉冲和无脉冲均可以得到良好的焊接成形。

通过采用上述系列研究的成果及电铆焊的最佳工艺参数，公司进行了货车产品的结构件焊接，其焊缝成形良好，焊接后仅需对很少的操作不良的焊点进行打磨；最主要的是大大减小了结构件的焊接变形，部件的板面不需要再进行烤火矫平，仅需进行较少的焊接变形矫正即可以达到设计要求，显著地降低了矫正工作量；同时，保证了结构件的外观质量，提高了车辆的商品化程度。

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排种器装置主要有种箱、清种装置、充种装置、护种装置以及检测和控制部分构成。其中，用带式充种，增大了种子的充种距离，从而可以满足对型孔的更高要求，达到精量充种和更好完成充种的效果。为了达到更精确的检测效果，充种带采用同步带，这样也避免了因带的打滑而引起播种间距不稳或造成漏播的后果。设置同步护种带可以实现护种带和充种带间无相对滑动，两带相对柔软，大大减小了伤种情况。检测装置利用对射型光电传感器分别对充种后和排种后的型孔进行检测，结合播种速度，综合计算单位播种量内的播种效果，从而实现精确检测漏播率的效果。另外，对单位播种量内出现连续漏播时，可实现报警，提醒操作手下机检查。

参考文献

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