魏 良 ,王 娜 ,石 強(qiáng) ,王 飛 ,牛國(guó)營(yíng) ,薛 濤 ,張雪峰 ,孫 英
(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,吉林長(zhǎng)春130062;2.吉林省航測(cè)遙感院,吉林長(zhǎng)春130000)
隨著軌道車輛制造業(yè)的發(fā)展,客戶需求成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的重要導(dǎo)向,不銹鋼車體具有耐腐蝕性強(qiáng)、塑韌性好和免涂裝等特點(diǎn),備受客戶青睞。不銹鋼車體激光焊具有傳統(tǒng)焊接無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),其焊接強(qiáng)度高,能有效減少缺陷,外觀美觀,因此備受推崇。
美國(guó)是最早用不銹鋼制造軌道車輛的國(guó)家,美國(guó)巴德公司第一次將激光焊接技術(shù)應(yīng)用到不銹鋼車體焊接。其后日本東吉公司致力于不銹鋼車體焊接技術(shù)的研究,日本川崎公司最早將激光焊應(yīng)用到軌道車輛車體側(cè)墻焊接方面,德國(guó)西門子公司和美國(guó)亞特蘭大車輛公司等企業(yè)也為不銹鋼車體激光焊接技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。軌道客車不銹鋼車體不僅具有強(qiáng)度高、耐用性好、環(huán)保性高及再生性高等特點(diǎn),同時(shí)具有車體牢固性好、外觀精致、使用壽命長(zhǎng)和焊接效率高等優(yōu)勢(shì),逐漸受到行業(yè)人士的追捧[1]。
激光焊是將光強(qiáng)較高的激光束輻射到焊接工件表面,通過(guò)激光與工件材料的相互作用,使材料熔化形成焊縫連接的一種焊接技術(shù),按激光輸出功率密度可分為激光深熔焊和激光傳導(dǎo)焊兩類。在深熔焊中,激光功率密度大于1×105W/cm2時(shí),在大熱熔下釋放大量熱量,金屬直接被熔化形成焊縫。在熱傳導(dǎo)焊中,激光功率密度小于1×105W/cm2時(shí),在小熱熔下釋放熱量無(wú)法熔化工件表面的金屬,其熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞到內(nèi)部金屬組織。激光焊原理如圖1所示。其特點(diǎn)是:焊接速度快、焊接能量高、熱影響區(qū)域小、環(huán)保性能好和設(shè)備自動(dòng)化水平高等。
圖1 激光焊接原理
激光焊焊縫是連續(xù)的,電阻點(diǎn)焊焊縫是點(diǎn)式結(jié)合的,相比電阻點(diǎn)焊,激光焊的優(yōu)勢(shì)有:
(1)焊接過(guò)程中無(wú)須添加焊材,通過(guò)激光使兩基材相互作用結(jié)合;可進(jìn)行單面焊接,較電阻點(diǎn)焊雙面焊接,焊接預(yù)留焊邊量減少,可大幅度減輕車體質(zhì)量,有助于車體輕量化設(shè)計(jì)。
(2)焊接熱熔高,焊接熱影響區(qū)小,熱變形小,車輛車體美觀性好,外觀對(duì)比如圖2所示。
(3)焊接速度快,焊接基材變形量小,連續(xù)性焊縫,車體鋼結(jié)構(gòu)淋雨密封性高;激光光束集中,容易控制,可達(dá)性好,可進(jìn)行特殊環(huán)境和特殊區(qū)域焊接[2]。
圖2 激光焊與電阻點(diǎn)焊外觀對(duì)比
激光焊的缺點(diǎn)為:
(1)作為新型焊接技術(shù),缺乏一套有效、成熟的焊接指導(dǎo)體系。
(2)焊接設(shè)備昂貴,維修成本及維修費(fèi)用高,設(shè)備維修人員技能要求高。
(3)原材料要求高,表面不平度應(yīng)控制在0.1mm以內(nèi),焊接錯(cuò)臺(tái)不超過(guò)0.1 mm,增加原材料成本。
(4)焊接程序復(fù)雜,制造工藝難度大,工裝成本投入較大,導(dǎo)致車輛產(chǎn)出比低。
激光焊接的影響因素包括:激光焊接設(shè)備的激光工序、設(shè)備焊接速度、工件的進(jìn)入角度和焊接搭接方式等主要工藝參數(shù);不銹鋼車體的焊接方法對(duì)焊接質(zhì)量的影響;激光焊接的焊縫熔深、熔寬及接頭組織影響。
軌道車輛常用鋼材選材如表1所示。
表1 車體主要材料
常用SUS301L奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表2、表3所示。
2.2.1 焊接設(shè)備
設(shè)備主要包括龍門激光焊接系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、激光器、激光焊頭、激光功率檢測(cè)裝置、光纖傳輸系統(tǒng)、工裝、氣體保護(hù)裝置、水冷系統(tǒng)、煙塵處理系統(tǒng)、焊接作業(yè)區(qū)安全保護(hù)間和安全裝置等[3]。焊接龍門為橋式結(jié)構(gòu),承載立柱與激光防護(hù)房采用整體化設(shè)計(jì),移動(dòng)龍門橫梁的X軸軌道安裝在立柱和激光防護(hù)房上部。承載立柱具有足夠剛性和穩(wěn)定性,承載立柱數(shù)量和間距設(shè)計(jì)合理,保證龍門焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的焊接作業(yè)。控制系統(tǒng)應(yīng)用于各軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行、激光器、龍門激光焊接系統(tǒng)和焊接參數(shù)等的管理,在程序中斷或是控制電源被切斷的情況下,儲(chǔ)存程序狀態(tài)和焊接位置,具有在線示教及離線編程功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作焊接,并配備離線編程的硬件及軟件設(shè)施。采用不小于17寸彩色顯示屏,具有中、英文兩種操作界面,并能夠?qū)崿F(xiàn)中、英文快速切換。設(shè)備具有友好的人機(jī)對(duì)話界面,能夠?qū)崿F(xiàn)高效便捷的操作控制,并具有遠(yuǎn)程診斷功能。激光焊接設(shè)備如圖5所示。
表2 SUS301L奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分 %
表3 SUS301L奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能
圖3 激光焊接設(shè)備
2.2.2 激光焊接頭端面試驗(yàn)方法
根據(jù)不銹鋼軌道車輛選材,一般采用墻板厚度為0.6~2.0 mm薄板進(jìn)行激光疊焊接頭端面試驗(yàn),需檢測(cè)疊焊下板熔深和疊焊接頭熔寬,判斷焊縫是否滿足使用要求,從而進(jìn)行不銹鋼軌道車輛產(chǎn)品激光疊焊工藝評(píng)定或工藝參數(shù)優(yōu)化。
(1)激光焊接試件。
試件由試驗(yàn)片焊接而成,試驗(yàn)片的形狀及尺寸如圖4所示。
圖4 試驗(yàn)片形狀及尺寸
試驗(yàn)片數(shù)量和試驗(yàn)項(xiàng)目分別如表4、表5所示。
表4 試驗(yàn)片數(shù)量
表5 試驗(yàn)項(xiàng)目
(2)激光焊取樣。
針對(duì)與板面垂直的斷面進(jìn)行取樣,位置如圖5所示。選擇冷切割方式以確保對(duì)被檢驗(yàn)表面不產(chǎn)生變形和相變影響。
(3)疊焊下板熔深及疊焊接頭熔寬的測(cè)定方法。
測(cè)定疊焊下板熔深及疊焊接頭熔寬,如圖6所示。焊件接頭板厚不同時(shí),t1為上板板厚。疊焊下板熔深、疊焊接頭熔寬值不小于表6中的規(guī)定值即為合格[3]。
2.2.3 激光焊接頭標(biāo)準(zhǔn)疲勞試件的剪切拉伸疲勞試驗(yàn)
按照選取的疊焊金屬板材,在室溫大氣環(huán)境下進(jìn)行疊焊的單段激光焊接頭標(biāo)準(zhǔn)疲勞試件的剪切拉伸疲勞試驗(yàn),載荷比為0~0.2。將剪切疲勞試件安裝在疲勞試驗(yàn)機(jī)夾頭之間,施加循環(huán)拉伸載荷的疲勞力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試[5]。循環(huán)載荷為F,最大載荷為Fmax,最小載荷Fmin,載荷幅度為ΔF,平均載荷Fm,載荷比為 R。其中:ΔF=Fmax-Fmin,F(xiàn)m=ΔF/2,R=Fmin/Fmax。
圖5 取樣位置
圖6 激光疊焊縫斷面
表6 激光疊焊接頭熔寬、疊焊下板熔深最低標(biāo)準(zhǔn)值
試件是由2塊等長(zhǎng)的寬度W、厚度T(T1≤T)的試板焊接而成,如圖7所示。重疊長(zhǎng)度、夾持長(zhǎng)度與寬度相同,試驗(yàn)段長(zhǎng)度為V。
2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
選取12根試件分析載荷受力情況,繪制F-n曲線,R應(yīng)小于或等于0.1,相鄰兩個(gè)載荷范圍的比(F-n曲線的傾斜部分)為1.1~1.5,疲勞極限附近為1.05~1.2;每個(gè)載荷范圍需要2個(gè)以上有效試件;試驗(yàn)中載荷參數(shù)應(yīng)同步調(diào)整;試驗(yàn)頻率為3~60 Hz;載荷范圍(N)有效數(shù)字為3位。循環(huán)數(shù)從達(dá)到指定載荷范圍開(kāi)始計(jì)數(shù)。縱軸為載荷范圍,橫軸為循環(huán)數(shù),采用雙對(duì)數(shù)或單對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制,F(xiàn)-n曲線如圖9所示。
圖7 試板與試驗(yàn)件形狀
圖8 試驗(yàn)片制作樣圖
表7 試件與試件尺寸
圖9 F-n曲線
不銹鋼激光焊接接頭的力學(xué)性能拉剪載荷大于等于18 kN,激光焊接線能量是影響不銹鋼搭接接頭焊縫背面質(zhì)量與力學(xué)性能的主要因素。焊縫熔寬、熔深與搭接接頭拉剪載荷的關(guān)系如圖10所示??梢钥闯?,隨著焊縫熔寬、熔深的增加,激光焊接頭的力學(xué)性能呈上升趨勢(shì)。因此,可采用焊縫熔寬、熔深間接評(píng)價(jià)接頭的力學(xué)性能(拉剪載荷)。熔寬、熔深與焊接線能量的關(guān)系如圖11所示。
圖10 熔寬、熔深與搭接接頭拉剪載荷的關(guān)系
通過(guò)對(duì)SUS301L不銹鋼搭接接頭的疲勞性能進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:
(1)激光焊試樣接頭的拉剪載荷均大于20 kN,滿足技術(shù)要求。接頭斷裂模式主要有上、下板結(jié)合面的焊縫斷裂模式和熱影響區(qū)斷裂模式兩種。當(dāng)能量較低時(shí),拉剪試樣在上、下板的結(jié)合面斷裂;當(dāng)能量較高時(shí),拉剪試樣在熱影響區(qū)斷裂。
(2)在高載荷條件下疲勞裂紋在焊縫和下板中擴(kuò)展,斷裂于焊縫;在中、低載荷條件下,疲勞裂紋在下板中擴(kuò)展,擴(kuò)展方向近似平行于板厚,斷裂發(fā)生在2 mm厚的下板。
(3)焊縫熔深與焊縫熔寬均隨著激光焊接能量的加大而增大。焊縫背面氧化變色程度與焊縫熔深有關(guān),熔深越大氧化變色越明顯。
圖11 熔寬、熔深與焊接線能量的關(guān)系