激光搭接焊工藝與電阻點(diǎn)焊工藝在軌道車(chē)輛不銹鋼車(chē)體中的對(duì)比分析

（中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

0 前言

不銹鋼軌道車(chē)輛具有外板免涂裝、節(jié)約能源、安全性高、耐腐蝕性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)，其市場(chǎng)需求越來(lái)越大。由于不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小、線脹系數(shù)大，所以不銹鋼車(chē)體多采用電阻點(diǎn)焊工藝[1]。由于電極等原因，電阻點(diǎn)焊方法在不涂裝的不銹鋼外板不可避免地會(huì)產(chǎn)生明顯的焊點(diǎn)壓痕；另外，制造的車(chē)體密封性較差，只能適用于城軌車(chē)體，很難適用于高速列車(chē)。

為此研發(fā)了部分熔透激光焊疊焊工藝，通過(guò)控制焊接參數(shù)使激光束貫穿補(bǔ)強(qiáng)板，在熔入外墻板某一深度時(shí)中止，主要解決不銹鋼客車(chē)車(chē)體外觀質(zhì)量不佳和氣密性較差的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)將不銹鋼客車(chē)應(yīng)用于高速列車(chē)領(lǐng)域的目標(biāo)。日本首先提出用激光焊接方法代替電阻點(diǎn)焊，研究開(kāi)發(fā)激光焊接的不銹鋼客車(chē)。日本的川崎重工[2]和意大利的AnsaldoBreda[3]開(kāi)展了采用激光搭接焊替代電阻點(diǎn)焊焊接不銹鋼車(chē)輛的研究，并將該技術(shù)應(yīng)用于不銹鋼車(chē)輛的生產(chǎn)中，但目前尚無(wú)激光焊接與電阻點(diǎn)焊的對(duì)比研究報(bào)道。

研發(fā)部分熔透的不銹鋼激光搭接焊工藝對(duì)于提高不銹鋼車(chē)輛的制造技術(shù)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，激光焊接不銹鋼軌道車(chē)輛的市場(chǎng)需求也在不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)前景良好。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

軌道車(chē)輛不銹鋼車(chē)體大多采用SUS301L系列奧氏體不銹鋼板材，外墻板和補(bǔ)墻骨架的厚度分別為2 mm和1 mm。SUS301L系列不銹鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

表1 SUS301L奧氏體不銹鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能[4]

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

激光焊接使用Trudisk4002盤(pán)式固體激光器，額定功率4 kW；光束質(zhì)量8 mm·mrad，激光束波長(zhǎng)1.06 μm；光纖直徑0.6 mm；焦距200 mm。保護(hù)氣體為氬氣，流量30L/min，氬氣純度大于等于99.999%，由直徑8 mm的導(dǎo)嘴導(dǎo)出。

電阻點(diǎn)焊采用現(xiàn)代YBA-250S型點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行，電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)按照工廠制造不銹鋼車(chē)體工藝參數(shù)執(zhí)行——電流8000A，壓力10 kN，頻率50Hz，保壓時(shí)間為8個(gè)周波。激光焊接工藝參數(shù)采用前期試驗(yàn)優(yōu)選出的工藝參數(shù)——激光功率2.0 kW，焊接速度25 mm/s，離焦量0 mm。電阻點(diǎn)焊及激光搭接焊形式如圖1所示。焊接時(shí)，通過(guò)工裝對(duì)工件施加壓緊力，使上下兩板間沒(méi)有間隙。

圖1 激光搭接焊及電阻點(diǎn)焊接頭形式

焊后參照GB/T2651-1989制樣，并在WE-30型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)。采用Olympus BX-51M型光學(xué)顯微鏡（OM）和JSM-6360LV型掃描電鏡（SEM）觀察分析焊縫形貌和顯微組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭強(qiáng)度

根據(jù)JISZ3140-1989點(diǎn)焊焊接區(qū)的檢驗(yàn)方法，1 mm+2 mm點(diǎn)焊接頭最小焊核直徑為5.0 mm，最小剪切拉伸載荷為7.84 kN。不銹鋼車(chē)體中常用的點(diǎn)焊焊核與剪切拉伸載荷如表2所示。

表2 不銹鋼車(chē)體點(diǎn)焊剪切試驗(yàn)結(jié)果

不銹鋼車(chē)體激光焊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。激光搭接焊接頭剪切拉伸載荷最小為26.5 kN，外表面無(wú)焊接痕跡，激光搭接焊接頭剪切拉伸載荷較電阻點(diǎn)焊接頭提高近30%，美觀程度優(yōu)于電阻點(diǎn)焊接頭。

表3 不銹鋼車(chē)體激光焊試驗(yàn)結(jié)果

2.2 外觀質(zhì)量

由于電極的壓緊力和熱輸入作用，電阻點(diǎn)焊不可避免地導(dǎo)致在外板表面殘存著直徑約1 cm的壓痕，影響不涂裝的不銹鋼客車(chē)外觀質(zhì)量。采用激光焊接，通過(guò)控制工藝參數(shù)使激光束貫穿上板，在熔入下板某一深度時(shí)中止，焊縫熔深小于工件的整體厚度，從而實(shí)現(xiàn)外表面沒(méi)有焊接痕跡，達(dá)到美觀要求。激光焊接后的表面狀態(tài)如圖2a所示，外表面沒(méi)有變形，不會(huì)因熱循環(huán)出現(xiàn)焊接痕跡或氧化變色；電阻點(diǎn)焊后表面狀態(tài)如圖2b所示，焊點(diǎn)處有明顯的變形，實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常需要對(duì)點(diǎn)焊組成的構(gòu)件進(jìn)行矯正。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

激光焊接速度快，熔池金屬的凝固過(guò)程通常在幾十毫秒內(nèi)完成，易產(chǎn)生非平衡顯微組織，激光焊接頭的熱影響區(qū)都很窄，有的幾乎看不到熱影響區(qū)[5]。激光搭接焊焊縫宏觀形貌如圖3所示。在熔合區(qū)邊界能清楚地看到熔合線，焊縫中晶粒的結(jié)晶方向垂直于熔合線而指向焊縫中心。由于激光焊接熔池較小，且冷卻速度快，在冷卻過(guò)程中熔池內(nèi)部幾乎是同時(shí)冷卻的，在焊縫中部容易出現(xiàn)等軸晶。在熔合線附近，開(kāi)始時(shí)結(jié)晶速度極快，之后結(jié)晶速度減慢，出現(xiàn)樹(shù)枝晶組織，焊縫致密無(wú)缺陷，焊縫熔深遠(yuǎn)小于工件厚度。

點(diǎn)焊熔核實(shí)際上是利用合金的電阻熱使部分固態(tài)合金熔化形成的，它形成后處于與其同成分的固態(tài)合金的封閉狀態(tài)下[6]。點(diǎn)焊熔核凝固時(shí)熱量只能由熔核的中心向周?chē)鷮?dǎo)出，在凝固界面的每一局部，導(dǎo)熱方向都與該局部凝固界面垂直，因此點(diǎn)焊熔核的凝固組織實(shí)際在單向?qū)釛l件下進(jìn)行。這是SUS301L不銹鋼板點(diǎn)焊接頭熔核凝固組織為定向柱狀晶組織的原因。電阻點(diǎn)焊接頭組織如圖4所示，明顯為柱狀晶，熔核厚度小于工件厚度，但熔核邊緣距工件表面很近，很容易出現(xiàn)因熱作用產(chǎn)生的氧化變色，同時(shí)由于電極作用會(huì)出現(xiàn)壓痕，影響外觀質(zhì)量。

圖2 激光焊接與電阻點(diǎn)焊車(chē)體表面質(zhì)量對(duì)比

圖3 激光焊接頭微觀組織

2.4 工作效率

目前在實(shí)際生產(chǎn)中，電阻點(diǎn)焊的焊接速度約為1 m/min，激光焊接速度可以根據(jù)不同的要求達(dá)到很高。本研究中的激光焊接速度是經(jīng)前期大量試驗(yàn)摸索出的，并與激光功率相匹配，約為2.5 m/min，將焊接速度提高約50%。

圖4 電阻點(diǎn)焊接頭微觀組織

文獻(xiàn)[2-3]提到日本和意大利的公司的激光焊接試驗(yàn)，其焊接速度達(dá)到5 m/min，但是Samanta[7]和El-Batahgy[8]在研究激光焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形等的影響時(shí)指出，要達(dá)到理想的焊接效果，需要激光焊接功率與焊接速度等工藝參數(shù)相互匹配。本試驗(yàn)也表明，對(duì)于部分熔透的激光搭接焊，需要高功率匹配高焊速，低功率匹配低焊速，以保證熔深滿足要求。而對(duì)于1mm+2mm不銹鋼板厚組合5m/min的焊速，至少需要匹配約4 kW的激光功率才能保證外表面無(wú)焊接痕跡，常見(jiàn)的激光器很難滿足要求。

3 結(jié)論

（1）采用激光搭接焊工藝焊接不銹鋼車(chē)體側(cè)墻結(jié)構(gòu)，通過(guò)確定合理的工藝參數(shù)能夠得到既滿足強(qiáng)度要求又能兼顧美觀的焊接接頭。

（2）部分熔透激光搭接焊可以代替電阻點(diǎn)焊進(jìn)行不銹鋼車(chē)體焊接。

（3）采用激光焊技術(shù)能夠提升不銹鋼城軌車(chē)體產(chǎn)品的檔次和技術(shù)含量，縮短不銹鋼車(chē)體的焊接制造周期，縮短與國(guó)外車(chē)輛制造廠輛的差距，增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。