不鏽鋼點焊技術論文
不鏽鋼點焊技術是是地鐵車輛、城市輕軌車輛、甚至高速動車組的不鏽鋼車體結構大量金屬板構件間的主要連線形式,這是小編為大家整理的，僅供參考!
篇一
不鏽鋼車體點焊表面化學除黑工藝探討
摘要：文章對不鏽鋼車體試製專案原有除黑工藝進行介紹，重點描述原工藝方法造成的缺陷;利用實驗手段對原工藝方法造成的缺陷進行重現和分析，確定解決方案;對原有工藝進行改進，確定出一套完整的不鏽鋼車體點焊表面化學除黑工藝規程。
關鍵詞：不鏽鋼點焊;除黑工藝;不鏽鋼車體點焊;表面化學
中圖分類號：U271 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374***2014***09-0047-02
上世紀60年代初，為了車輛的輕量化與免維修，日本對車輛結構使用不鏽鋼問題進行了研究分析。同時，研究了以點焊方法進行不鏽鋼結構製造，於1962年完成了除底架的一部分***端底架***之外，其他結構或外板等均採用不鏽鋼製造的東急電鐵7000系，這就是當今稱為全不鏽鋼車的首輛車。
不鏽鋼車輛的特徵有：免維修、輕量化與車體結構的無塗裝，但是這就對車體外板的表面狀態提出了要求。電阻點焊結束後會在不鏽鋼外板表面造成黑色或淡黃色的氧化皮，嚴重影響車體美觀，同時由於氧化導致基材結構發生改變，焊點位置可能會發生電化學腐蝕，因此需要對不鏽鋼外板表面焊點位置進行除黑處理。
1 電化學除黑基本原理
焊點位置的氧化皮即過燒現象主要是由於焊接時間太長、焊後冷卻時間過短造成的。過高的溫度導致在焊鉗電極與外牆板接觸位置發生氧化反應，形成一層黑色或淡黃色的氧化皮。
電化學除黑主要是利用電解池原理分解氧化皮來達到除黑效果，同時在表面形成一層鈍化膜，起到美觀、提升防腐效能的作用。
2 原有工藝介紹
2.1 裝置介紹
由於電解池反應需要在通電形成閉合迴路且有電解液存在的條件下才可進行，所以在實際操作中需要通過裝置來滿足這一要求。
現使用裝置為進口除黑機，該裝置由除黑機主體、接地線、電源線、電極棒、棉布及可適用不同部位的電極頭組成，同時操作過程中，需要配合專用的清洗液和中和液使用。
2.2 原有工藝介紹
根據裝置廠家培訓內容，以及驗證性實驗確定了最初的工藝方法。主要對裝置使用方法與輸出電流強度進行要求，其他方面沒有具體規範，處理效果一般。
3 原有工藝不足之處及改進方法
3.1 原有工藝不足之處
在按照原有工藝對第一個端牆進行除黑之後，發現除黑效果很不理想主要表現在以下幾點：***1***部分焊點位置出現與原氧化皮不同色澤的黑色印記，繼續重複除黑操作也無法清除;***2***部分焊點經過除黑操作後出現過蝕現象，與周圍焊點色差較大，極不美觀;***3***焊點位置周圍出現大面積水印，反覆清洗也無法清除;***4***整體清潔後將端牆板掛起遠觀，牆板光澤度不佳。
3.2 缺陷分析及改進方法
***1***布料的影響。經過反覆實驗，發現部分焊點位置出現的與原氧化皮不同色澤的黑色印記是由於裹在電極頭上的布料過髒導致的。重複除黑操作無法清除，由於現階段缺少實驗裝置，無法確定該黑色印記的組成以及表層是否還有其他膜，對於該缺陷，目前最有效的處理手段為物理打磨，但不鏽鋼外牆板為機械拉絲板，整體紋路一致，打磨後影響外觀效果，因此目前對於該缺陷，最好的處理手段為經常更換裹電極頭的布料，杜絕此缺陷的出現。
原電池反應需要在電解液環境中進行。除黑操作中的棉布就是電解液的載體，電解液過少導致被清除下來的氧化皮沒有被完全分解而直接粘附在棉布表面，造成布料汙染，棉布的吸水量是一定的。因此在不影響除黑效果的前提下嘗試多層布料充分蘸取清洗液，經過多次實驗，最終確定雙層布料既可以儲存足夠量的清洗液又不影響除黑效果，同時要求經常觀察布料汙染情況，布料表面完全變黑後進行更換。
實驗證明，通過這種方式可以有效杜絕黑色印記的出現。
***2***電流的影響。按照裝置廠家的建議，在輸出電流為7的情況下進行除黑作業，顏色較深的焊點位置清除效果比較理想，但是顏色較淺的部位清除結束後出現由於過蝕導致的焊點位置發白的現象，與周圍焊點色差較大，極不美觀。同時原操作方法中對電極棒與牆板的接觸時間沒有做具體規定，這也是造成這一現象的原因之一。
在實驗過程中，將電流的輸出強度調節為5，同時控制電極棒與牆板的接觸時間在2秒以內。
實驗證明，降低後的電流強度對除黑效果沒有影響，同時不再出現過蝕現象。
***3***清洗液使用方法的影響。在原操作過程中，發現起初幾個點的除黑效果很不好，在電極棒與牆板接觸5秒以上才可完全去除氧化皮顏色，但接觸時間過長又會出現過蝕現象，因此在實驗過程中對於清洗液的使用方法進行著重研究。
在除黑作業中，由於通電，在操作時間過長的情況下電極棒會發熱，造成布料上蘸取的清洗液蒸發過快，嚴重影響除黑效果。因此在實驗中嘗試讓電極棒充分蘸取清洗液，然後進行除黑，除黑效果顯著，但是由於清洗液蘸取過多，在牆板上接觸面積過大，造成除黑後焊點周圍有明顯水印，與周圍牆板色差過大，極不美觀。
因此，最終調整操作方法為：將裹好布料的電極棒放入盛有清洗液的燒杯中充分浸潤棉布，然後在燒杯壁瀝乾至不再滴水;對於一次清潔不徹底的焊點可以在重新蘸取清洗液後進行二次操作。
***4***中和液使用方法的影響。中和液的作用是清除殘留的清洗液。殘留中和液清潔不徹底會嚴重影響牆板的光澤度，原操作中使用的中和液為原液，由於濃度過高，造成殘留中和液清潔困難，因此需降低中和液
濃度。
為了在中和液的使用濃度和清洗效果上找到一個平衡點，經過多次實驗，最終確定了中和液：水=1：4的稀釋比例;同時為了便於對殘留中和液進行清潔，在操作過程中，在使用清洗液清洗後立即用蘸取稀釋後的中和液的無紡布清潔殘留的清洗液，然後用蘸取清水的無紡布擦掉殘留的中和液;在整個牆板除黑操作結束後再用清水整體清潔牆板。
4 結語
在通過實驗方法對缺陷進行分析後，最終確定出一套完整的除黑工藝。新的工藝中對電流強度、棉布用法、清洗液以及中和液的用法進行了重新規定。
按照新版工藝方法處理後的牆板整體光澤度良好，焊點位置無過蝕、水印、無法去除的黑色印記等缺陷，滿足對除黑效果的要求。
參考文獻
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作者簡介：韓鵬程，男，天津北車軌道裝備有限公司助理工程師，研究方向：軌道車輛塗裝體系與塗裝
篇二
不鏽鋼點焊結構車體FEA建模方法
摘 要:針對不鏽鋼車體點焊結構的“點傳力”特性,提出了位移主-從約束關係建模思想,並通過數值試驗驗證了採用位移主-從約束關係來模擬焊核比現有其它的模擬 方法 具有更高的精度.以城市輕軌動車組不鏽鋼點焊車體為 應用 物件,基於位移主-從約束關係建立了該車車體的有限元模型, 計算 結果與試驗測試結果基本一致,證明了模型的正確性,為今後該類車型的設計與開發打下了良好的技術基礎.
關鍵詞:FEA,位移耦合,點焊結構
點焊是地鐵車輛、城市輕軌車輛、甚至高速動車組的不鏽鋼車體結構大量金屬板構件間的主要連線形式,分佈於車身各部位,數量達上萬個.點焊結構主要特點是:結構緊湊、重量輕、強度高、耐腐蝕.同時,它的製造工藝比較複雜,技術要求高,因此,儘管點焊結構車輛在國外已經獲得了廣泛應用,在國內則剛剛開始研製[1-2].如何把握點焊結構的力學特性,建立高精度的車體FEA計算模型已成為不鏽鋼點焊車研製過程中計算人員極為關注的 問題 .
當前點焊結構常採用實體單元、樑單元、剛性單元和主-從關係***即位移耦合***來模擬焊核[3-4].從 理論 上說,點焊結構用適當高度的塊體元模擬時,則可獲得較高的精度,但對於大量均布、密集排列的焊點的不鏽鋼車體結構來說這將導致單元/結點數量急劇增加而不可行,因此,必須抓住不鏽鋼點焊車傳力的主要特徵建立FEA模型.
與車輛結構尺寸相比,點焊焊核自身的尺寸可以忽略不計,在有限元模型中,可以將它們視為僅是整體座標系下的一個“點”,在外載荷作用下,結構依靠這些“點”傳遞內力,這類結構可稱為“點傳力結構”.基於位移主-從控制關係原理[5],本文認為對於不鏽鋼點焊車體這類典型的“點傳力結構”,用位移的主-從約束關係來模擬焊核***即等價於在計算模型中被焊接連線的兩點之間位移完全一致***是更為合理的,並通過數值試驗證明了主-從約束關係比其它建模方法具有更高的精度.基於位移主-從約束關係建立了城市輕軌動車組不鏽鋼點焊車體的FEA模型,根據相關標準進行載入計算,通過與物理試驗的比較,驗證了計算模型的合理性和有效性.
1 主-從控制關係的正則方程
主-從關係***位移耦合***,指的是當一個結點被定義為另一個結點的從結點後,該從結點就失去了位移的獨立性,它的位移只能且必須從屬於主結點.主結點上的位移處理為獨立位移,從結點上的位移為相關位移.
在應用最小總勢能原理求基於位移法的結構正則方程時,相關位移對總勢能的貢獻是通過與之有關的獨立位移和指定位移表達的.結構的總勢能為
2 各種方法對比 分析
本文提出用位移主—從約束關係描寫不鏽鋼點焊車體的點焊傳力,這意味著模型中的每一點焊的焊核均被凝聚成一點,那麼,這種簡化與其它建模方法相比精度到底多高?以下用實體單元、樑單元、剛性單元和主-從關係***即位移耦合***為點焊結構建模來討論各種方法的精確性.
假設薄板A與B用點焊方式焊接,其厚度分別為t1與t2,t1薄板右端均勻作用有F噸拉力,t2薄板左端被約束住.焊核為三維橢球,其最大剖面的直徑為d.在各方法的計算模型中,板的中心為焊點位置,也為座標原點,樑單元的物理屬性取決於板材,單元直徑為d,單元長度為***t1+t2***/2;剛性單元,無物理屬性,單元長度為***t1+t2***/2;實體單元物理屬性取決於板材,單元尺寸取決於t1,t2;位移主-從約束不需要定義材料屬性,只需指定六個自由度之間位移主-從約束關係.
以實體元計算結果為標準,t1薄板上載荷方向的應力誤差比列入附表.表中方法1為採用樑單元;方法2為採用剛性單元;方法3為採用位移耦合.表中位置點1至點8依次為t1薄板上過原點與載荷方向一致的座標軸上等距離的點;位置點9至點16依次為t1薄板上過原點與載荷方向垂直的座標軸上等距離的點.表中應力誤差比的定義為***σ-σ0***/σ0,其中σ0為實體元計算結果.由附表可以看出:位移主—從約束建模方法的誤差較小,剛性單元和樑元的較大.
實體單元和位移耦合的兩個模型沿外載荷方向的應力值比較如圖1所示.結果表明:兩種模型高應力區域一致;焊核附近,位移耦合模型的應力值要大於實體單元模型的,稍離開焊核,兩種模型應力值幾乎相同.
3 工程驗證
城市輕軌動車組不鏽鋼點焊車體是典型的點傳力結構,全部採用高強度車輛專用的冷彎或軋壓工藝製造的不鏽鋼型材.除車頂、地板的波紋板之間的連線採用縫焊,其餘板與樑、柱及部件與部件之間的連線均採用接觸點焊.由於板薄,板與板、板與樑***柱***和柱與柱之間只能採用搭接接頭,除2層、3層搭接外,最多還有5層板搭接.該不鏽鋼車體大約有4萬個焊點,該車典型的焊接示意圖如圖2所示.
不鏽鋼點焊車體在承受外載後,載荷通過數萬焊點將力傳遞到車體各部,並由此產生車體各處的變形與應力,這一特點,在建模時必須真實體現,否則, 計算 模型將會失真,並將導致計算結果失真.假定車體構件的每一“點對”之間,一旦形成點焊,儘管這一點焊事實上佔有一很小的面積,但相對車體構件尺寸而言,有理由視這兩點被“焊成一點”,因此,在變形的過程中,點焊可以用位移主—從關係來描述.
城市輕軌動車組不鏽鋼點焊車體有限元建模的關鍵 問題 是每一個焊點位置處必須要有結點生成.因此,在I-DEAS軟體***10.0***中建立真實地反映不鏽鋼車體構件之間的相互關係的、用於劃分有限元網格的三維幾何時,根據點焊位置,要一一建立“錨點”[6],因為“錨點”一經生成,在隨後的單元網格生成過程中,“錨點”將自動轉化為單元的結點,這樣就為點焊的“點對”準確位置的確定創造了條件.不鏽鋼點焊車體四分之一的區域性放大網格如圖3所示.四分之一模型的求解規模為:單元總數132309;節點總數134659;焊點數8824.
依據 文獻 [7]進行載入計算,垂直總靜載荷工況作用下車體和部件的Von.Mises應力雲圖如圖4所示.該車FEA計算結果與強度試驗測試結果[8]的對比如圖5所示,由圖5可以看出兩者基本一致,因此,該計算模型質量很高.
事實上,正是由於該效能模擬模型的高可靠性,設計人員才有可能進行一次又一次的方案對比.而相對最優方案也正是在這種一次又一次對比中逐步形成的,其重要意義不言而喻.
5 結 語
FEA的置信度關鍵在於計算模型的質量,而建立一個計算模型的必備條件是計算機、模擬軟體和使用者.事實上,功能再好的模擬軟體,速度再快的計算機,也只能輔助建模者提高建模的效率而不提供建模的原則與技巧,計算模型的質量主要還是取決於使用者的 理論 素養和建模經驗.只有具有良好的理論素養和厚實的建模經驗才能夠很好地消化吸收模擬軟體中的精髓,並將其融化在模擬模型的建立過程之中,使模擬模型合理和 科學 .
本文基於位移主-從約束關係***位移耦合***原理模擬不鏽鋼點焊車體的點焊,並利用I-DEAS模擬軟體高階建模功能,建立了城市輕軌動車組不鏽鋼點焊車體的FEA模型.通過FEA計算結果與物理試驗結果的對比,證明本文的建模思想 方法 是切實可行的.
參考 文獻:
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