2 mm不銹鋼SUS301L-HT光纖激光對接工藝研究

龔興華， 唐　舵， 朱　偉， 戴忠晨， 付寧寧， 金文濤， 夏　寧， 王凱杰， 王春明

(1.南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責任公司， 江蘇 南京210031; 2. 華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室， 湖北 武漢 430074)

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2 mm不銹鋼SUS301L-HT光纖激光對接工藝研究

龔興華1， 唐舵2， 朱偉1， 戴忠晨1， 付寧寧1， 金文濤1， 夏寧1， 王凱杰2， 王春明2

(1.南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責任公司， 江蘇 南京210031; 2. 華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室， 湖北 武漢 430074)

摘要本文進行了2 mm不銹鋼SUS301L-HT光纖激光對接的工藝研究，得出了激光功率、焊接速度和離焦量三個重要參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響規(guī)律。保證焊縫成形與否是對2 mm SUS301L-HT光纖激光對接焊縫強度影響的最主要因素，其焊接的工藝適應性較好。

關鍵詞不銹鋼SUS301L-HT光纖激光焊接工藝參數(shù)焊接質(zhì)量

Study on the Process of 2 mm Stainless Steel SUS301L-HT Fiber Laser Butt Welding

GONG Xing-hua1, TANG Duo2, ZHU Wei1, DAI Zhong-chen1, FU Ning-ning1,JIN Wen-tao1, XIA Ning1, WANG Kai-jie2, WANG Chun-ming2

(1.CSR Nanjing Puzhen Rolling Stock Limited Liability Company, Nanjing Jiangsu 210031, China;2.State Key Laboratory of Material Forming and Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430074, China)

AbstractIn this paper, the process of 2 mm stainless steel SUS301L-HT fiber laser butt joint is studied. Then come out the effect law of three important parameters of laser power, welding speed and defocusing amount on welding quality. It is found that the most important influence of the SUS301L-HT on the strength of the fiber laser butt welding seam is to guarantee the weld formation and the welding process is better.

Keywords Stainless steel SUS301L-HTFiber laser weldingProcess parametersWelding quality

0引言

SUS301L系列不銹鋼是專門應用于車輛的不銹鋼材料，該系列的不銹鋼具有耐腐蝕性佳、強度高、焊接性能優(yōu)異、易冷加工等特點，是非常合適的車體不銹鋼材料，目前已成為日本國內(nèi)外城軌車體的主流材料之一[1]。

目前用于奧氏體不銹鋼焊接的焊接方法較多，主要有TIG焊、MIG焊、電阻電焊和激光焊等[2]。普通的TIG焊存在焊縫熔深小、熔敷率低、生產(chǎn)效率低等缺點； MIG焊可對厚板進行焊接，可進行全位置焊接,且敷效率高,由于需要填絲，對電弧的穩(wěn)定性和熔滴過渡的穩(wěn)定性有較高的要求；電阻電焊存在焊縫密封性不良等問題；激光焊接可以很好地克服傳統(tǒng)焊接方式已存在的缺陷與不足。

20世紀70年代開始出現(xiàn)關于激光焊接的報道,眾多學者也開始對激光焊接展開研究,近些年來激光焊接得到了迅速的發(fā)展與應用。目前已在航空航天、武器制造、船舶制造、汽車制造、壓力容器制造、民用及醫(yī)療等多個領域被廣泛應用[3]。這主要是由于激光焊接具有焊接效率高、焊縫深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、可對異種材料進行焊接、易于實現(xiàn)焊接自動化等特點[4]，這相對電弧焊、電阻焊等傳統(tǒng)焊接方式有不可比擬的優(yōu)越性。目前國外已成功研發(fā)出了高功率的光纖激光器，相比于傳統(tǒng)激光器，光纖激光器具有光電轉(zhuǎn)換效率高、波長短、光束質(zhì)量好、輸出功率高等優(yōu)點，已在歐美發(fā)達國家的汽車、船舶、航空等工業(yè)領域得到了廣泛應用[5]。

本文將開展2 mm 301L-HT不銹鋼光纖激光對接的焊接工藝研究。研究各個工藝參數(shù)對對接焊縫成型質(zhì)量的影響。

1實驗材料及條件

1.1實驗材料

實驗中用到的材料是2 mm的SUS301L-HT奧氏體不銹鋼，其成分如表1所示。在室溫下，SUS301L系列不銹鋼冷加工性能較好，但屈服強度和抗拉強度都不高。這種材料經(jīng)過了形變強化后，強度會顯著提高，這是由于在形變過程中產(chǎn)生了一定量的形變馬氏體的緣故。

表1　SUS301L的化學成分　　　　　　　　　　　　　　單位：wt%

通過控制延伸率的大小(0%~23%)可獲得LT、DLT、ST、MT、HT五種強度級別的材料，SUS301L-HT實際測得其抗拉強度為1 050 MPa。

1.2實驗條件

實驗采用IPG 4000光纖激光器,如圖1所示。該激光器的最大輸出功率為4 kW，激光通過光纖傳輸經(jīng)焊接頭聚焦，焦長為250 mm，焦點直徑0.3 mm，激光波長為1.07 μm。實驗用的焊接機器人為ABB IRB4400/60機器人，如圖2所示。機器人的額定負載是60 kg，重復精度是0.07 mm。

在焊接之前，對試樣的焊接位置用砂紙打磨，再用丙酮進行清洗，以除去試樣表面的氧化物和其他污物。

圖1　IPG 4000光纖激光器　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　ABB機器人

2實驗結(jié)果與討論

2.1激光功率對焊縫質(zhì)量的影響

研究激光功率對焊縫質(zhì)量的影響時主要參數(shù)為：焊接速度3.0 m/min，激光離焦量+4 mm，保護流量25 L/min，激光功率取3 000 W、3 250 W、3 500 W、3 750 W和4 000 W五組。實驗結(jié)果如表2所示。

表2　不同激光功率焊接下的焊縫形貌

從表2中可以看出，在不同激光功率下，焊縫正面成形均比較穩(wěn)定。在功率為3 000 W時由于熱輸入過小，沒有形成完全熔透的對接焊縫，當激光功率超過3 250 W時，焊縫背面成形均勻穩(wěn)定。

圖3是焊縫熔寬隨激光功率的變化曲線。功率超過3 250 W時，焊縫熔寬之間的差別較小，在激光功率為3 000 W時，此時熱輸入雖相對較小，但焊縫熔寬反而大。這是因為在激光功率為3 000 W時，焊縫未完全焊透，較多的激光能量集中在焊縫內(nèi)部，因而有利于焊縫熔寬的變寬。由此可見在焊縫焊透的情況下，激光功率變化范圍不大時，焊縫熔寬的變化隨激光功率的變化不大，焊縫未焊透在一定程度上有使焊縫熔寬增大的趨勢。

激光功率對焊縫強度的影響如圖4所示。當激光功率為3 000 W時，由于焊縫沒有完全焊透，焊縫有效承載面積相對于焊透焊縫有一定程度的減小。因此焊縫強度在功率為3 000 W時較小，而在功率超過3 250 W時，焊縫強度均達到975 MPa以上，超過母材的92%。因此可以得出結(jié)論，進行2 mm不銹鋼SUS301L-HT的激光對接時，只要保證焊縫的良好成形，就可以使焊縫強度得到保證。

圖3　激光功率對焊縫熔寬的影響　　　　　　　　　　　　圖4　激光功率對焊縫強度的影響

2.2焊接速度對焊縫質(zhì)量的影響

研究焊接速度對焊縫質(zhì)量的影響時主要參數(shù)設置為：激光功率3 500 W，激光離焦量+4 mm，保護氣流量25 L/min，焊接速度變量設置2.4 m/min、2.7 m/min、3.0 m/min、3.3 m/min和3.6 m/min五組。

表3　不同焊接速度焊接下的焊縫形貌

不同焊接速度焊得的試樣焊縫形貌如表3所示。焊接速度為2.4 m/min時，由于熱輸入較大，焊縫出現(xiàn)了一定程度的下凹。焊接速度為3.6 m/min時，焊縫處于臨界焊透狀態(tài)，熔透不充分。在焊接速度為2.7 m/min、3.0 m/min和3.3 m/min時焊縫成形良好，沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

圖5　焊接速度對焊縫熔寬的影響　　　　　　　　　　　圖6　焊接速度對焊縫強度的影響

焊縫熔寬隨著焊接速度的增大而減小，如圖5所示。焊接速度增大，焊接線能量減小，焊縫熔化量減小，因而使得焊縫的熔寬變小。

焊接速度對焊縫強度影響的變化曲線如圖6所示。在焊接速度大于2.4 m/min，小于3.6 m/min時，焊縫強度差別不大，均超過975 MPa，在母材強度的92%以上。而在焊接速度為2.4 m/min時，焊縫強度為957 MPa；焊接速度為3.6 m/min時，焊縫強度為909 MPa，這在很大程度上是由于在這兩個焊接速度下，焊縫成形存在一定缺陷所造成。這也再次證明，對于2 mm301L-HT不銹鋼進行激光對接時，只要保證焊縫的良好成形，就能保證焊縫的強度。

2.3激光離焦量對焊縫質(zhì)量的影響

研究激光離焦量對焊縫質(zhì)量影響時，主要參數(shù)設置為：激光功率3 500 W，焊接速度3.0 m/min，保護氣流量25 L/min，離焦量變量設置為-4 mm、-2 mm、0、+2 mm和+4 mm。

表4　不同離焦量焊接下的焊縫形貌

實驗結(jié)果如表4所示。焊縫表面成形在不同離焦量下有一定的區(qū)別，從表中可以看出，當采用負離焦時，焊縫表面成形不穩(wěn)定，采用正離焦時，焊縫表面成形更穩(wěn)定。這是由于負離焦時，焊接過程中，能量密度大的區(qū)域在焊縫內(nèi)部，焊接時熔池的金屬蒸汽蒸發(fā)更劇烈，熔池更易不穩(wěn)定，因而焊縫表面成形出現(xiàn)一定的不穩(wěn)定。

圖7　離焦量對熔寬的影響　　　　　　　　　　　　　　 圖8　離焦量對焊縫強度的影響

離焦量對焊縫熔寬的影響如圖7所示。從圖中可以看出，在離焦距離大時，焊縫的熔寬相對于離焦距離小時大。這是由于在離焦距離大時，作用在焊縫表面的光斑較大，有利于使焊縫表面熔寬增大。焊縫強度隨離焦量的變化曲線如圖8所示。當離焦量為-2 mm時，焊縫強度最低，僅為908 MPa，而在其他離焦量焊接時，焊縫強度超過了母材的91%。

2.4焊縫金相

圖9　SUS301L-HT顯微組織

圖9為SUS301L-HT不銹鋼母材的組織，由奧氏體晶粒構(gòu)成。熱影響區(qū)為焊縫區(qū)與母材過渡區(qū)域，HAZ與焊縫區(qū)域有一條明顯的熔合線分開。圖10中可以很清楚的看到熔合線，其右邊有較窄的熱影響區(qū)，焊縫中晶粒的結(jié)晶方向是垂直于熔合線而指向焊縫中心的。在焊接熱源的作用下，熱影響區(qū)的晶粒發(fā)生回復和再結(jié)晶并不斷長大，晶粒尺寸具有粗大的趨勢，且距離焊縫越近晶粒尺寸粗化越明顯。熱影響區(qū)組織不均勻，導致該區(qū)域的性能也不均勻，在承受載荷時往往成為接頭性能薄弱環(huán)節(jié)。拉伸時大部分試樣均斷在熱影響區(qū)就說明了這一點。圖11為焊縫中心區(qū)，焊縫的柱狀晶組織均勻，且柱狀晶一直生長，直至焊縫兩側(cè)的柱狀晶在焊縫中心相遇。 焊縫中心的組織主要由奧氏體組成，在奧氏體的晶界處存在少量的鐵素體。

圖10　焊縫熱影響區(qū)組織圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖11　焊縫中心區(qū)組織圖

3結(jié)論

(1) 綜上所述，2 mm不銹鋼301L-HT其激光對接的工藝范圍較廣，工藝適應性較好，不同激光功率下只要能保證焊縫的成形，焊縫強度則可以得到保證。

(2) 激光功率為3 000 W時，焊縫未能焊透，焊縫強度較低，激光功率超過3 000 W時，焊縫強度均超過母材的92%。在焊透的情況下，在一定的功率變化范圍內(nèi)，焊縫熔寬隨功率增加變化不大；在功率相差不大時，未焊透時焊縫熔寬比焊透時有一定的增加。

(3) 焊接速度在2.7 m/min和3.3 m/min之間時，焊縫成形良好，焊縫強度達到母材強度的92%以上。焊接速度為2.4 m/min時，焊縫出現(xiàn)一定的下凹缺陷。焊接速度為3.6 m/min時，焊縫熔透不充分，在這兩種情況下焊縫強度相對低一些。焊縫熔寬隨著焊接速度的增大而減小。

(4) 負離焦焊得的焊縫其穩(wěn)定性不如正離焦焊縫穩(wěn)定性。離焦距離大，焊縫的熔寬有增大的趨勢。

參考文獻

[1]湯超.不銹鋼車體激光焊接的工藝研究[D].武漢：電子科技大學，2012.

[2]陳慶雷.SUS30L奧氏體不銹鋼激光焊接頭組織與力學性能的研究[D].長春：吉林大學，2012.

[3]王家淳.激光焊接技術的發(fā)展與展望[J].激光技術，2001,1(25):48-53.

[4]陳武柱.激光焊接與切割質(zhì)量控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[5]程齊君，歐耀輝，周水波，等.高功率光纖激光焊接工藝的探討[J].焊接技術，2011,12(40)：28-30.

中圖分類號U671

文獻標志碼A

作者簡介：龔興華(1980-)，男，工程師。主要從事軌道車輛、車體焊接工藝方面工作。