車頂波紋板激光焊工藝研究

■ 孟憲偉 火巧英 戴忠晨 梁連杰 王未

孟憲偉：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，助理工程師，南京江蘇，210031

火巧英：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，工程師，南京 江蘇，210031

戴忠晨：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，高級工程師，南京江蘇，210031

梁連杰：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，助理工程師，南京江蘇，210031

王 未：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，工程師，南京 江蘇，210031

1 概述

激光焊工藝在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用已嶄露頭角，其優(yōu)越性將在后期的實(shí)際應(yīng)用中得到全方位展示。以車體波紋板為例，對激光焊工藝進(jìn)行介紹。

1.1 波紋板簡介

軌道車輛某不銹鋼項(xiàng)目的車頂波紋板是車頂?shù)闹匾M成部分，波紋板材質(zhì)為鐵素體不銹鋼，厚度為1 mm。激光下料后，采用激光自熔焊方法進(jìn)行焊接。其部分尺寸要求高，如壓型端頭位置的開槽尺寸不大于60 mm，成型后間隙不大于3 m。

1.2 激光焊工藝簡介

激光焊接的原理是激發(fā)電子或分子使其產(chǎn)生相位相同的光束，其使用設(shè)備是由光學(xué)振蕩器空穴兩端間的介質(zhì)所組成。當(dāng)介質(zhì)受到激發(fā)產(chǎn)生至高能量狀態(tài)時，經(jīng)過一系列的作用形成光電串結(jié)效應(yīng)，經(jīng)過放大后就可以獲得足夠的能量從而產(chǎn)生激光[1]。激光焊接是一種新型的焊接方式，主要針對薄壁材料、精密零件的焊接，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊、對接焊、疊焊、密封焊等。

激光焊與其他焊接方法對比具有以下特點(diǎn)[2]：（1）焊縫成型質(zhì)量好；（2）焊接速度高；（3）熱輸入量低；（4）焊接異種材料范圍廣；（5）焊件幾何尺寸范圍寬；（6）焊接接頭裝配要求高。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為X2CrNi12（歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10088），X2CrNi12是德國1995年在3Cr12基礎(chǔ)上發(fā)展起來的超低碳、低鉻經(jīng)濟(jì)型鐵素體不銹鋼，具有中等抗蝕性、適度強(qiáng)度、良好的耐磨性和低的維修成本[3]，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。采用激光自熔焊方法焊接，焊接保護(hù)氣為高純氬氣。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）激光焊工藝優(yōu)化。焊接試驗(yàn)依據(jù)ISO 13919標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，通過焊接件的工裝夾具保證焊縫的錯邊量和間隙在標(biāo)準(zhǔn)可控范圍內(nèi)。

（2）金相和力學(xué)性能試驗(yàn)。分別用金相顯微鏡和蔡司電子顯微鏡對焊接接頭的組織形態(tài)、焊縫成型情況進(jìn)行觀察和分析。焊接接頭試驗(yàn)材料均沿垂直于焊縫方向取樣，拉伸試驗(yàn)在SANS試驗(yàn)機(jī)上，按ISO 4136標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。彎曲試驗(yàn)在WE-100上，按ISO 5173標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

表1 X2CrNi12化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 X2CrNi12力學(xué)性能

（3）硬度試驗(yàn)。焊接接頭用顯微硬度儀430SVD（HV10）對母材、熱影響區(qū)和焊縫依據(jù)ISO 9015-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 激光焊工藝參數(shù)

1 mm厚的波紋板長達(dá)3 m，焊后的平面度要求小于0.1 mm。因此，在焊接過程中控制焊接接頭錯邊量和間隙必不可少。經(jīng)工藝摸索，激光焊的焊接接頭錯邊量控制在不大于0.1 mm（見圖1，圖中h表示錯邊量）。間隙控制在0.05 mm以下，在焊接參數(shù)選定為激光功率為1.5 kW左右、焊接速度為3.0 m/min左右、離焦量為負(fù)離焦，可得到與母材近等強(qiáng)度的焊縫。波紋板示意見圖2。

3.2 拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

表3為X2CrNi12激光焊焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果?？梢?，由激光自熔焊焊接鐵素體不銹鋼時，焊接接頭具有良好的拉伸性能。

表4為X2CrNi12激光焊焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果?？梢姡诒ＷC焊接質(zhì)量的前提下，不論面彎還是背彎，彎曲角度均達(dá)到180°不開裂。

圖1 錯邊量示意

圖2 波紋板示意

表3 X2CrNi12焊接接頭拉伸性能

3.3 金相試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為X2CrNi12激光焊焊縫的金屬組織圖，焊縫金屬顯微組織為白色奧氏體基體上分布著網(wǎng)狀條狀鐵素體。通過熔合比及相圖得出含有δ鐵素體，鐵素體不銹鋼焊縫中形成δ鐵素體，有助于防止產(chǎn)生熱裂紋[4]。

3.4 硬度試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為X2CrNi12激光焊接頭的硬度分布曲線?？梢姡覆?、熱影響區(qū)和焊縫的硬度分布都均勻。母材的平均硬度為200 HV，熱影響區(qū)的平均硬度為179 HV，焊縫的平均硬度為188 HV。熱影響區(qū)比焊縫的平均硬度值要小，原因可能是晶粒長大所致。根據(jù)3個區(qū)域的硬度值可以看出，焊縫強(qiáng)度與母材強(qiáng)度近等。

表4 X2CrNi12焊接接頭彎曲性能

圖3 焊縫金屬組織（×400）

圖4 X2CrNi12接頭硬度分布

4 結(jié)論

（1）焊接1 mm厚、3 m長的波紋板時，錯邊量控制在0.1 mm以下，間隙在0.05 mm以下，采用合理的焊接參數(shù)，可得到與母材近等強(qiáng)度的焊縫；

（2）X2CrNi12激光焊接頭在室溫下具有良好的拉伸和彎曲性能，彎曲處無裂紋與斷裂；

（3）X2CrNi12激光焊接頭焊縫組織為奧氏體和δ鐵素體；

（4）X2CrNi12激光焊接頭硬度值在焊縫和母材分布較均勻，晶粒長大區(qū)的硬度沒有明顯下降。

[1]李亞江，李嘉寧．激光焊接/切割/熔覆技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012．

[2]謝頌京，姚建華，劉必利．激光焊接技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢[J]．激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2005(9)：1-2．

[3]許鴻吉，趙雯雯，王春生，等．1.4003不銹鋼與0Cr18Ni9不銹鋼焊接接頭組織和力學(xué)性能[J]．焊機(jī)技術(shù)，2008，37(6)：12-13．

[4]埃里希 ?？斯讳P鋼焊接冶金[M]．栗卓新，朱學(xué)軍，譯．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．