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客运铁路车辆和其他应用中的冷加工奥氏体不锈钢
摘 要
冷加工奥氏体不锈钢的结构应用从历史角度进行了审查，重点放在客运铁路车。描述了基材，包括它们的机械和技术特性介绍了车身设计的一些概念，以及与涉及所讨论材料的设计实践相关的挑战。描述制造过程。提供了有关电阻和电弧焊接过程的信息，包括关于所讨论材料的特定方面，设备描述，程序质量，参考标准和生产控制。讨论了与冷加工奥氏体不锈钢的更广泛应用相关的挑战。
关键词：寒冷的工作，奥氏体不锈钢乘客铁路车辆设计，焊接
1. 介绍
冷加工奥氏体不锈钢（CWASS）代表了卓越的结构材料。它们具有独特的优点组合，即高到超高强度，高延展性，易于金属加工和焊接操作以及耐腐蚀性。
第一个CWASS结构是在20世纪30年代中期制造的铁路客车。 这是一个持续至今的伟大成功故事的开始。CWASS还在管状结构，公路运输（公共汽车，拖车和油罐车），雷电（桅杆和电杆），储罐等领域发现了应用。
本文的第一部分专门用于客运铁路车辆。 本文的第二部分讨论了其他应用。 最后一部分致力于相关CWASS应用程序的挑战和机遇。
本文的总体目标是提高CWASS属性及其在科学界的优势以及首先在潜在用户中的优势。 为此，CWASS在客运车辆上的成功应用应鼓励其成功扩展到其他领域。
2. 乘客有轨电车
2.1. 历史
2.1.1. 开始
不锈钢在铁路客车制造中的应用开始代表了工程领域的一项引人注目的成就。它是链接的以及宾夕法尼亚州费城Edward G. Budd制造公司创始人Edward Gowan Budd（1870-1946）的创造力和远见
他的公司是第一家生产全钢车身和全钢车轮的车轮制造商，也是第一家使用电阻点焊的公司之一图。1).
在1930年访问欧洲期间，爱德华bull;巴德对不锈钢着迷。与此同时，伯灵顿铁路公司总裁拉尔夫bull;巴德有想到在铁路车辆设计和制造中使用不锈钢。 两项重要的发展使得这一切成为可能：美国钢厂掌握了18-8冷加工高强度奥氏体不锈钢的生产能力，以及Budd公司在材料成形性和电阻点焊方面日益增长的经验和能力。作为最终结果，一种新型客车轨道车辆于1934年创建并投入使用。这是Zephyr列车的诞生（图2），这代表了客运铁路车辆设计的一个主要模式转变。 与现有的铁路车相比，列车的重量显着降低，这又成为柴油电力推进装置的首次应用。 在速度显示中，第一台Zephyr以每小时125公里的平均记录平均速度从丹佛前往芝加哥1632公里的直达车道[1,2]。 这款时尚的银色列车是工业设计“流线型”趋势的先驱之一。Zephyr列车改变了铁路旅行，由于它们的速度，舒适性和便利性，例如精心的室内设计，空调和广播收音机的音频系统，公共广播和来自录音机的音乐。
2.1.2. 进展
巴德的榜样之后是美国的圣路易斯汽车公司和普尔曼标准。他们一起生产了数千辆不锈钢客车。下一个重要的发展发生在日本20世纪50年代末以后，大部分用于地铁和通勤列车的不锈钢客车有轨电车大规模生产。在亚洲，不锈钢轨道车也在印度和韩国生产。
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图1. Edward Gowan Budd（由Hagley Museum＆Library提供）
图2.伯灵顿西风（伯灵顿路线历史协会提供）。
在北美，庞巴迪运输公司自20世纪80年代初开始在加拿大魁北克省LaPocatiegrave;re和美国纽约州Plattsburgh的工厂生产不锈钢车。这些车包括Eurotunnel的穿梭车，有史以来生产的任何一种最大的铁路车（图3）。一些日本公司也在美国的卫星工厂生产不锈钢汽车。
在澳大利亚，有超过2000辆不锈钢汽车正在使用中。它们占该大陆所有乘用车的80％以上。
在欧洲，由于与汽车车身完全涂漆的传统要求有关的原因，不锈钢汽车的受欢迎程度仅有限。 一个明显的例外是20世纪90年代制造的X2000瑞典火车。 重要的DOLTRAC项目[3] 和INSAPTRANS传播倡议[4] 欧洲不锈钢生产商和研究机构也开展了CWASS在铁路客车上的应用。
2.2. 物料
2.2.1. 化学
首批不锈钢轨道车由奥氏体“18-8”合金制成，化学成分接近301（1.4310）钢[2]。相对较高的碳含量使得这种钢易受焊缝热影响区（HAZ）中的碳化铬沉淀以及随后的晶间腐蚀。需要将停留时间限制在临界温度范围内，使得巴德的专家能够发明#39;Shotweld#39;短时间点焊工艺[2,5].
在20世纪50年代和60年代，还应用了201和202 Cr-Mn-Ni钢。自20世纪70年代后期以来，氩-氧脱碳已经允许制造含碳量低于0.03％的低碳不锈钢。该碳水平防止焊缝HAZ中的碳化铬沉淀。
二十一世纪初镍价的显着上涨促使Cr-Mn-Ni钢的价格回升[6].
最常用于铁路客车制造的CWASS的化学成分如图所示表格1。用于18-8合金的参考文献是1940年发表的一篇论文[7]。其他等级的化学成分按ASTM A 666标准规定，适用于退火或冷加工奥氏体不锈钢板，带材，板材和扁钢[8]EN 10088-4不锈钢。施工用耐蚀钢板/钢板和钢带交货技术条件。[9]。所有这些钢的合金元素含量相对有限，对材料的冷加工及其价格具有双重效应。目前在轨道车上应用最多的等级为301L/LN和201L/LN，分别接近1.4318和1.4371。
对于其他不锈钢组，双相（奥氏体-铁素体）钢具有应用潜力，尤其是因为它们具有较高厚度的高强度。然而，在车身结构需要更大厚度的情况下，通常使用屈服强度高达700MPa的高强度低合金（HSLA）钢。
2.2.2. 机械性能
不锈钢车身几乎全部由CWASS生产。ASTM A 666定义了它们的强度等级[8]，看表2和EN10088-4[9]，看表3。根据[9]，描述CWASS的处理路由被指定为2H。
冷轧的强化潜力取决于材料的厚度。举例来说，在厚度达1mm时，可以实现接近1300MPa的拉伸强度和接近1000MPa的0.2％拉伸强度。对于5mm厚的材料，可达到的值分别为1000MPa和750MPa。高强度重量比允许将冷加工不锈钢视为轻质材料。实际上，Budd公司生产的第一个不锈钢移动物体是1932年首先拥有的先锋两栖飞机[2]。随后的11年后，Conestoga货机已经建成，其中25架[2] (图4).
CWASS的机械性能在一定程度上与方向有关。在拉伸强度和压缩强度方面也存在不对称性，特别是在纵向上。对于这种情况，结构不锈钢的Euro Inox设计手册[10]，依据[11]，种类的压缩/张力0.2％耐力强度比等于0.8。通过测试（在横向方向上，压缩/拉伸0.2％耐力强度比大于1），可以建立更高的压缩0.2％屈服强度值，尤其是对于粗轧。
2.2.3. 物理性质
奥氏体钢的三种物理性能对于它们的焊接制造是重要的：电阻率，热导率和热膨胀系数。与碳钢相比，奥氏体钢的电阻率高三倍半，导热率低三倍，热膨胀系数高40％。退火和冷加工奥氏体不锈钢的这些性能是相同的。
2.2.4. 焊接性
奥氏体不锈钢不经历gamma;-alpha;转化 -
从而确保其在任何电阻或熔焊过程中具有出色的冶金可焊性。有限的重结晶发生在焊缝的热影响区（HAZ），在CWASS的情况下，导致一些HAZ软化。HAZ在所有情况下都保持韧性。
在奥氏体钢的电阻焊接中，它们的高电阻率使得焊接熔核能够快速起始和生长。低热导率进一步增强了这一点，从而限制了散热到周围材料中。因此，需要相对较低的安培数，并且可以点焊多个部件的焊接厚组件（图5）。
图3.欧洲隧道穿梭。该机车是标准尺寸（由镍研究所提供）。
注：除非另有说明，否则内容以质量百分比表示，最大值。 等同于每个[9] 是近似的。有利的物理和冶金性能的结合意味着CWASS是能够以非常大的厚度范围和多种组合进行电阻点焊的最强的材料。
由于CWASS的硬度较高，这些材料的点焊压痕深度小于退火的奥氏体不锈钢。
注：屈服强度定为0.2％耐力。 表中的值是
精确的201LN，301L和301LN。 用于其他等级[8]，值可能略有不同。
高热膨胀系数有利于冷加工材料中金块收缩不连续性的出现。 因此，为了确保熔核的坚固性，在焊接循环结束时施加高锻造力。
在电弧焊中，材料的热膨胀系数大，导热系数低，可能导致组件变形，特别是在涉及CWASS的典型小厚度时。 为了减轻这一点，电弧焊的应用受到电阻焊的限制，电弧焊位于适当的位置，并且采用低参数。
注意：只能指定一个参数。 中间值可能会议。
图4. RB-1 Conestoga（维基百科）。
图5.厚度为15.6 mm的CWASS组件（庞巴迪）的点焊。 在ve 3.12 mm厚板组件中进行电阻点焊的宏切割。
任何强度级别的CWASS都可以在相同或不同牌号的组件中以及与碳钢或低合金钢的组件进行安全电弧焊接。 使用的填料金属生产奥氏体不锈钢焊接金属。 镍金属的等级是基于冶金考虑确定的。这种情况的一个重要结果涉及焊接强度与基体金属之间的关系。根据定义，奥氏体焊缝金属的强度与CWASS的强度不匹配，导致焊缝处于不匹配状态。
2.3. 设计
通常，不锈钢乘客有轨车的车身是硬壳概念（图6）。侧面和屋顶由冷成型构件框架组成，结构蒙皮与其连接。 结构由横梁组成，横梁固定在侧门槛上。 典型的材料强度水平按照[8] （看到表2）用于直冷成型件的硬度为1/2硬度和1/4硬度。 强度等级低于1/4硬度的材料适用于经历更复杂成型的某些部件，如波纹屋顶板和屋顶汽车。侧面蒙皮片通常由1/4硬质材料制成。 这些部件可以轻易达到较高的强度等级。但是，考虑到皮肤的压力分析是基于屈曲和剪切的，1/4的硬度水平是足够的。
在应力分析中，CWASS纵向压缩的0.2％屈服强度的减小值（见第2.2.2节）用于满足管理汽车车身机械测试的规范。
在北美实践中，焊缝设计主要基于美国焊接协会标准。AWS D17.2“航空航天应用电阻焊规范”定义了不同强度等级的电阻焊接的设计强度[12] 和AWS C1.1电阻焊接推荐做法[13]。弧焊的设计部分由AWS D1.6结构焊接规范 - 不锈钢制定[14].
电弧焊接接头通常应用于1/4和1/2硬度[8] 材料。在这两种情况下，对接接头在拉力下的实际强度都低于母材; 看到第2.2.4节。另一方面，接头的0.2％弹性强度和某些情况下拉伸强度高于退火基体金属的值，这通常在某些标准中有所规定[14,15]。为了优化设计，可以通过测试建立不同配置的电弧焊接接头的性能。 精确的应力分析，低应力区域的不匹配接头的位置以及仔细的焊接尺寸确保了车身的结构完整性。也可以看看第4.4节.
根据车身设计策略，也可以使用带锁紧螺栓的机械接头。
在北美，配置和分析的准确性通过对整个车身结构的三个标准化测试验证：纵向压缩载荷，垂直载荷和对角顶杆。在压缩载荷试验中，纵向载荷（高达3600kN）施加到车身底架的端部。垂直负载测试包括将权重表示为最大指定服务负载的200％。最后，在对角顶升中，车身在两个对角相对的角落被举起。在每次测试中，使用数百个位移和应变仪来评估结构响应。
2.4. 制造
2.4.1. 切割
直剪主要由铡刀制成。然而大部分主要部件都是复杂的形状，为此成功地应用了激光切割。
CWASS可以弯曲，滚压成型，拉伸成型并轻松冲压。 即使在对应于700MPa的0.2％耐力的条件下，材料也可以弯曲，其内径等于其厚度的两倍。CWASS的冲压技术必须抵制其机械各向异性。大回弹也应在任何成形过程中加以考虑和补偿。 与碳钢相比，应该降低变形速度并增加施加力。 其原因在于CWASS等奥氏体不锈钢的延伸率随其变形速率而降低，而这些材料的强度随着变形量的增加而增加。
自CWASS应用开始以来，所有这些形成方面都已成功掌握。Budd专利于1932年存放[16]显示了车身结构的复杂拉伸成形轮廓。1947年出版的一本书[17] 给出了适用于所有强度级别的CWASS的非常深入的金属成形知识证明。
最近的项目涉及CWASS[3,18]对金属成形有着很多的关注，并提出了诸如用二极管激光器局部软化弯曲区域的创新技术[3].
如上所述，由成形引起的变形增加了奥氏体不锈钢的强度。在设计计算中可以考虑材料或部件的结果属性。
图6.典型的不锈钢车身结构（由Nickel Institute提供）。
2.4.2. 保养表面
不锈钢车身的外表面应该无划痕，并且位于原来的尼斯的恢复非常困难。 此外，点焊的凹痕应该浅而无缺陷，并且不允许在可见表面上出现热变色（热色）。
采取不同的预防措施来应对这些挑战。材料被保护性塑料薄膜覆盖，在制造过程中尽可能晚地移除。使用适当的点焊程序，包括使用保护气体。暴露在视线内的弧焊数量保持在最低限度。基体金属上的电弧焊接面和加热色调被清除，以确保其可接受的外观和抗腐蚀性。
在离开制造工厂之前，车身要经过彻底的清洁和保护，以防止环境因素和污染物。正在使用的汽车定期使用旨在清除外露表面污垢和
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