不锈钢点焊技术文件
不锈钢车身点焊表面化学发黑工艺探讨
介绍了不锈钢车体试制项目的原发黑工艺，重点描述了原工艺造成的缺陷。通过实验手段重现原工艺方法造成的缺陷，并进行分析，确定解决方案；对原工艺进行了改进，确定了一套完整的不锈钢车身点焊表面化学发黑工艺规程。
关键词:不锈钢点焊；除黑工艺；不锈钢车身的点焊:表面化学
中国图书馆分类号:U271文献识别码:A文号:1009-2374(2014)09-0047-02。
在20世纪60年代初，为了车辆的轻量化和免维护，日本研究和分析了不锈钢在车辆结构中的使用。同时，对点焊制造不锈钢结构进行了研究。1962年，东快电铁7000系列完成，除一部分底架(端底架)外，其他结构或外板均为不锈钢。这是今天第一辆被称为全不锈钢车的车。
不锈钢车的特点是免维护、轻量化、无涂装车身结构，但这需要车身外板的表面状态。电阻点焊后，不锈钢外板表面会形成黑色或淡黄色的氧化皮，严重影响车身外观。同时，由于氧化引起的基板结构的变化，焊点可能会被电化学腐蚀，因此需要对不锈钢外板表面的焊点位置进行黑化处理。
1电化学除黑的基本原理
焊点处烧鳞现象主要是由于焊接时间过长和焊后冷却时间过短造成的。过高的温度导致焊钳的电极与外墙板的接触部位发生氧化反应，形成黑色或淡黄色的氧化皮。
电化学除黑主要是利用电解池原理分解氧化皮达到除黑的效果，同时在表面形成钝化膜，起到美观和提高防腐性能的作用。
2引进原创技术
2.1设备介绍
因为电解槽反应只有在通电形成闭合回路，有电解液存在的情况下才能进行，所以在实际操作中需要通过设备来满足这一要求。
目前使用的设备是进口的涂黑机，由涂黑机主体、接地线、电源线、电极棒、棉布和适合不同部位的电极头组成，操作时需要使用专用的清洗液和中和液。
2.2原始流程介绍
根据设备制造商的培训内容和验证性实验，确定了初始工艺方法。主要要求设备的使用方法和输出电流强度，其他方面没有具体规范，处理效果一般。
3原工艺的缺点及改进方法
3.1原工艺的缺点
按照原工艺对第一端壁进行黑化处理后，发现黑化效果并不理想，主要表现在以下几点:(1)部分焊点出现与原氧化皮颜色不同的黑印，反复黑化操作无法去除；(2)部分焊点在黑化操作后已经过蚀，与周围焊点色差较大，极不美观；(3)焊点位置周围出现大面积水印，反复清洗无法去除；(4)整体清洗后，隔空悬挂末端墙板，墙板光泽度不好。
3.2缺陷分析和改进方法
(1)布的影响。经过反复实验，发现部分焊点出现与原氧化皮颜色不同的黑痕，是由于电极头上包裹的脏布造成的。重复涂黑操作无法删除。由于现阶段缺乏实验设备，无法确定黑痕的成分以及表面是否有其他薄膜。目前，对这种缺陷最有效的处理方法是物理抛光。而不锈钢外墙板是机械拉丝板，整体纹路一致，影响打磨后的外观效果。所以目前对这种缺陷最好的处理方法就是经常更换包裹电极头的布，防止这种缺陷。
原电池反应需要在电解质环境中进行。棉布是除黑操作中电解质的载体。电解液过少导致已经去除的氧化皮没有完全分解而是直接附着在棉布表面，造成布面污染，棉布吸水是一定的。所以在不影响黑化效果的前提下，我们尽量将多层布在清洗液中充分浸泡。经过多次实验，最终确定双层布在不影响黑化效果的情况下，可以储存足够的清洗液。同时要求经常观察布的污染情况，待布表面完全变黑后再更换。
实验表明，该方法能有效防止黑迹的出现。
(2)电流的影响。根据设备厂商的建议，输出电流为7时，较暗的焊点去除效果比较理想，但较亮的焊点去除后，由于过蚀，焊点变成白色，与周围的焊点差别很大，极不美观。同时，原操作方法中没有规定电极棒与墙板的接触时间，也是造成这种现象的原因之一。
实验时，电流输出强度调整为5，电极棒与墙板接触时间控制在2秒以内。
实验表明，降低的电流强度对除黑效果没有影响，不存在过侵蚀。
(3)清洗液用量的影响。在原来的操作过程中，发现前几个点的除黑效果很差。电极棒与墙板接触5秒钟以上，氧化皮颜色可完全去除，但接触时间过长，氧化皮会被过度腐蚀。因此，在实验过程中重点研究了清洗液的使用方法。
在发黑操作中，由于带电，操作时间过长时电极棒会发热，导致浸在布上的清洗液蒸发过快，严重影响发黑效果。所以在实验中，我们尝试将电极棒完全浸入清洗液中，然后涂黑，涂黑效果显著。但由于清洗液浸泡过多，墙板上的接触面积过大，导致发黑后焊点周围有明显的水印，极其不美观。
所以最后的调整操作方法是:将缠有布的电极棒放入盛有清洗液的烧杯中，使棉布充分浸透，然后在烧杯壁上沥干，直到不再滴水为止；对于一次清洗不彻底的焊点，可以重新蘸清洗液后再进行第二次操作。
(4)中和溶液使用方法的影响。中和液的作用是去除残留的清洗液。残留中和液清洗不彻底会严重影响墙板的光泽度。原操作使用的中和液为原液，残留的中和液由于浓度较高，很难清洗干净，所以需要减少中和液。
专注。
为了找到中和液浓度和清洗效果的平衡点，经过多次实验，最终确定了中和液:水= 1: 4的稀释比例。同时，为了便于清洗残留的中和液，在操作过程中，用清洗液清洗后立即用无纺布蘸稀中和液清洗残留的清洗液，然后用无纺布蘸清水擦去残留的中和液；整块墙板黑化作业完成后，用清水清洗整块墙板。
4结论
通过实验方法分析缺陷，最终确定了完整的除黑工艺。在新工艺中，重新定义了电流强度、棉布的使用、清洗液和中和液的使用。
按新工艺方法处理后的墙板整体光泽度好，焊点处无腐蚀、水印、擦不掉的黑痕等缺陷，满足除黑效果要求。
参考
[1]赵明华，刘玉敏。城市轨道车辆不锈钢车体的开发
[J]。城市轨道交通研究，2004，(1)。
[2]刘永刚，韩晓辉，马明举，王苏欢。铁路车辆没有生锈。
钢车身电阻点焊缺陷及其防止技术[J].点焊
机器，2012，42 (4)。
[3]张妙龄。原电池电解池的区别与判断[J].教育和教学
学术论坛，2011年，(7)。
作者简介:韩鹏程，男，天津北车轨道装备有限公司助理工程师，研究方向:轨道车辆涂装系统及涂装。
不锈钢点焊结构车身的有限元建模方法
摘要:用于不锈钢车身点焊结构？点传力？特征，提出了位移主从约束关系的建模思想，数值试验证明，位移主从约束关系对熔核的模拟具有比现有其他模拟方法更高的精度。以城市轻轨电动车组不锈钢点焊车体为应用对象，基于位移主从约束关系建立了车体有限元模型，计算结果与试验结果基本一致，证明了模型的正确性，为今后该类车体的设计开发奠定了良好的技术基础。
关键词:有限元分析，位移耦合，点焊结构
点焊是地铁车辆、城市轻轨车辆乃至高速动车组不锈钢车体结构大量金属板件之间的主要连接形式，分布在车体的各个部位，数量上万个。点焊结构的主要特点是结构紧凑、重量轻、强度高、耐腐蚀。同时，其制造工艺复杂，技术要求高。所以，虽然点焊结构车在国外已经有了广泛的应用，但是在国内，才刚刚开始发展[1-2]。在不锈钢点焊车的开发过程中，如何掌握点焊结构的力学特性，建立高精度的车身有限元计算模型，成为计算人员非常关心的问题。
目前点焊结构常用实体单元、梁单元、刚性单元和主从关系(即位移耦合)来模拟焊芯[3-4]。理论上，当点焊结构用适当高度的块体单元模拟时，可以获得较高的精度，但对于大量均匀分布、密集布置焊缝的不锈钢车身结构，这会导致单元/节点数量急剧增加，因此要掌握不锈钢点焊车的传力是不可行的。
与车辆结构尺寸相比，点焊熔核的尺寸可以忽略不计。在有限元模型中，它们在整体坐标系中可以视为唯一的一个。点？，在外荷载作用下，结构靠这些？点？传递内力，这种结构能叫什么？点传力结构？基于位移主从控制关系原理[5]，本文认为对于典型的不锈钢点焊车身？点传力结构？用位移的约束关系来模拟焊芯更合理(即计算模型中两个焊接点之间的位移完全相同)，数值试验证明位移的约束关系比其他建模方法更准确。基于位移约束关系，建立了城市轻轨电动车组不锈钢点焊车体的有限元模型，并根据相关标准进行了加载计算。通过与物理试验的对比，验证了计算模型的合理性和有效性。
1主从控制关系的典范方程
主从关系(位移耦合)是指当一个节点被定义为另一个节点的从节点时，从节点就失去了位移的独立性，其位移只能且必须从属于主节点。主节点上的位移被视为独立位移，从节点上的位移是相关位移。
应用总势能最小原理求解基于位移法的结构正则方程时，相关位移对总势能的贡献用相关独立位移和指定位移来表示。该结构的总势能为
2各种方法的比较分析
本文提出了位移原理。不锈钢点焊车身的力传递是从约束关系来描述的，也就是说模型中每个点焊的熔核都凝聚成一个点。那么，这种简化与其他建模方法相比有多精确呢？在下文中，使用实体单元、梁单元、刚性单元和主从关系(位移耦合)来对点焊结构进行建模，以讨论各种方法的准确性。
假设A片和B片采用点焊焊接，厚度分别为t1和t2，T1片右端均匀作用F吨拉力，T2片左端受约束。焊芯为三维椭球体，其最大截面直径为D，每种方法的计算模型中，板的中心为焊点位置和坐标原点，梁单元的物理性质依赖于板，单位直径为D，单位长度为D .刚性单元，无物理性质，单位长度为(t 1+T2)/2；实体单元的物理性质取决于板，单元大小取决于t1，T2；位移主从约束不需要定义材料属性，只需要指定六个自由度之间的位移主从约束关系。
基于实体单元的计算结果，t1薄板在载荷方向上的应力误差比列于附表。表中的方法是采用梁单元；方法2是使用刚性元件；方法3采用位移耦合。在表中，从点1到点8的位置是t 1薄板上原点等于载荷方向的点。从点9到点16的位置是t 1薄板上的点，其原点与垂直于载荷方向的坐标轴等距。表中应力误差比定义为(？-?0)/?0，其中？0是实体元素的计算结果。从附表可以看出，主力排水量？约束建模法误差较小，而刚性单元和梁单元误差较大。
实体单元和位移耦合两种模型沿外载荷方向的应力值比较如图1所示。结果表明，两种模型的高应力区是一致的；位移耦合模型在靠近焊芯处的应力值比实体单元模型大，在稍远离焊芯处两种模型的应力值几乎相同。
3工程验证
城市轻轨电动车组不锈钢点焊车体是典型的点转移结构，由高强度车辆专用不锈钢型材经冷弯或轧制而成。除屋顶和地板上的波纹板外，其他板与梁、柱、部件的连接处均为接触点焊。由于板薄，板与板、梁(柱)、柱之间只能采用搭接，除两三层搭接外，最多有五层板。
不锈钢点焊车身承受外部载荷后，载荷通过成千上万个焊点将力传递到车身各个部位，从而在车身各个部位产生变形和应力。这种特性必须在建模中得到真实的体现，否则，计算模型会失真，计算结果也会失真。假设每个车身部件。对吗？在此期间，一旦形成点焊，虽然这个点焊实际上占用的面积很小，但是把这两点看成是相对于车身部件的尺寸来说是合理的。焊一点？因此，在变形过程中，点焊可以使用位移主？从关系上描述。
城市轻轨电动车组不锈钢点焊车体有限元建模的关键问题是每个点焊位置必须有节点。因此，在I-DEAS软件(10.0)中创建真实反映不锈钢车身部件之间关系并用于划分有限元网格的三维几何图形时，需要根据点焊位置逐一创建。锚点？【6】因为？锚点？一旦生成，在后续生成单元网格的过程中，锚点？会不会自动转换成单元的一个节点，所以是点焊？对吗？准确位置的确定创造了条件。不锈钢点焊车身四分之一的局部放大网格如图3所示。四分之一模型的求解规模为:总单元数为132309；总节点数为134659；焊点数量为8824。
根据参考文献[7]中的载荷计算，Von。在垂直总静载荷条件下，车体和部件的Mises应力云图如图4所示。该车的有限元计算结果与强度试验结果[8]的对比如图5所示，两者基本一致，因此计算模型的质量很高。
事实上，正是因为性能仿真模型的高可靠性，才使得设计者有可能对方案进行一次又一次的比较，相对最优的方案也就在这一次又一次的比较中逐渐形成，其意义不言而喻。
5结论
有限元分析的可信度关键在于计算模型的质量，而创建计算模型的必要条件是计算机、仿真软件和用户。实际上，仿真软件再强大，计算机再快，也只能帮助建模者提高建模的效率，而不能提供建模的原理和技巧。计算模型的好坏主要取决于用户的理论素养和建模经验。只有具备良好的理论素养和扎实的建模经验，才能消化吸收仿真软件的精华，融于仿真模型的建立之中。
基于位移主从约束(位移耦合)原理，对不锈钢点焊车体进行了点焊仿真，并利用I-DEAS仿真软件先进的建模功能，建立了城市轻轨电动车组不锈钢点焊车体的有限元模型。通过有限元计算结果与物理试验结果的对比，证明了本文建模方法的可行性。
参考资料:
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周，，范子杰，陈，，等.微型客车白车身模态分析[J].汽车工程，2004，26(1):78-80。
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