地鐵車頂用SUS301L不銹鋼激光焊接工藝參量優(yōu)化

周昕宇，張雋漪，劉祖國，李俊豪，金湘中*，郝中甲，陳揮揚，于曉飛

(1.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.湖南大學 激光研究所，長沙 410082)

引 言

不銹鋼以其輕、壽命長、耐磨性高、低成本、易加工等優(yōu)勢，被廣泛應用于航空航天等重大裝備制造中，特別是在地鐵車頂蓋的應用[1-2]。由于地鐵用不銹鋼材料厚度較薄(不大于1mm)，因此在激光焊接過程中，難以較好地控制焊接工藝，常常會出現(xiàn)焊穿的技術(shù)問題[3-4]。對此，本文中以地鐵用不銹鋼薄板材料為研究對象，探究不同工藝參量對熔寬、熔深的影響規(guī)律，這對實現(xiàn)地鐵安全運行具有重要的作用。

當前，許多學者對不銹鋼的焊接工藝進行了廣泛的研究，如LIU等人以厚度為16mm的SUS301L奧氏體不銹鋼板為實驗材料，采用X射線衍射對激光焊和熔化極金屬活性氣體(metal active gas，MAG)弧形焊的焊接接頭進行了測試分析[5]。HARISH等人研究了3mm厚激光切割的AISI 304奧氏體不銹鋼薄板的激光焊接性[6]。TIAN采用工業(yè)機器人對專用于軌道列車的SUS301L不銹鋼進行了搭接焊和對接焊激光自熔焊試驗研究[7]。CHEN等人對4mm和2mm SUS301L不銹鋼開展了激光對接焊研究，并對焊接接頭進行了詳細分析[8]。雖然這些研究為不銹鋼激光焊接提供理論依據(jù)，但是上述研究者主要是對厚板及焊后試樣焊縫區(qū)化學成分進行深入分析，對SUS301L薄板(不大于1mm)不銹鋼激光疊焊過程中的研究鮮有報道。因此，針對地鐵車頂SUS301L不銹鋼疊焊工藝中對熔寬、熔深的技術(shù)需求，開展SUS301L不銹鋼疊焊工藝參量優(yōu)化顯得尤為重要。

本文中首先采用Simufact Welding有限元軟件對0.6mm厚SUS301L不銹鋼薄板非熔透型激光焊接工藝參量(激光功率、焊接速率、保護氣體流量、離焦量)對熔寬、熔深的顯著影響進行了初步評價，討論各工藝參量對熔寬、熔深的影響規(guī)律。其次，基于有限元分析結(jié)果，確定正交試驗參量的取值范圍，在滿足熔寬、熔深的技術(shù)指標條件下，對工藝參量進行正交優(yōu)化。最后，在最優(yōu)工藝條件下開展焊接試樣的力學性能分析，驗證了本仿真及試樣參量的合理性，為地鐵車頂用SUS301L不銹鋼激光焊接提供理論指導與工藝設計參考。

1 數(shù)值模擬仿真

采用Simufact Welding軟件，對焊接過程進行仿真，分析激光功率、焊接速率對上板熔寬和下板熔深的影響規(guī)律[9]。仿真模擬過程中設定環(huán)境溫度及試件溫度為20℃，將SUS301L不銹鋼材料看作均勻且各向同性。模型尺寸與試件大小一致為120mm×60mm，為了保證計算速度和準確率，劃分網(wǎng)格時采用過渡網(wǎng)格，設置焊接區(qū)長度范圍20mm，采用0.625mm×0.625mm致密網(wǎng)格，非焊接區(qū)域則采用2mm×2mm網(wǎng)格。兩區(qū)域間過渡區(qū)域長度4mm，以0.5mm為間距等距劃分，網(wǎng)格劃分效果如圖1所示。

Fig.1 The result of meshing

1.1 激光功率對熔深、熔寬的影響

圖2為焊接速率為38mm/s、離焦量為0mm、激光功率范圍為950W～1150W時，下板熔深、上板熔寬的變化折線圖。由圖2分析可知，激光功率和上板熔深、下板熔寬呈正相關，且激光功率對熔深的影響更為顯著。激光功率在該區(qū)間內(nèi)，上板均完全焊透，且激光功率為1150W時，下板焊透處于臨界狀態(tài)，因此激光功率在950W～1150W為合適區(qū)間。

Fig.2 Line chart of different power welding depth and welding width

1.2 焊接速率對熔深、熔寬的影響

從圖3中看出，激光功率為1050W、離焦量為0mm時，焊接速率從36mm/s增加到40mm/s的過程中，下板熔深、上板熔寬的變化與焊接速率呈負相關。由于焊接速率增大，導致熱量衰減速度增大，焊縫背面溫度降低，熔池最高溫度也降低，因此上板熔寬和下板的熔深對應呈現(xiàn)下降的趨勢。焊接速率為36mm/s時，下板熔深占比超99%，幾近焊透，因此焊接速率在36mm/s～40mm/s為合適區(qū)域。

Fig.3 Line chart of different speed welding depth and welding width

由焊接過程仿真模擬，初步確定了合理的焊接工藝參量范圍：激光功率為950W～1150W、焊接速率為36mm/s～38mm/s，為之后的試驗提供理論參量。

2 試驗材料與方法

試驗中采用的材料為SUS301L奧氏體不銹鋼，上下板厚均為0.6mm，牌號：022Cr17Ni7，抗拉強度大于820MPa，屈服強度大于480MPa，試樣尺寸大小為60mm×120mm，相關物理參量如表1所示。

試驗中采用IPG公司的光纖激光器。焊接試驗分成兩部分，首先采用單一因素實驗，研究不同激光焊接工藝參量(保護氣體流量、離焦量、激光功率、焊接速率)對截面處焊縫熔深熔寬的影響；然后通過正交試驗優(yōu)化焊接工藝參量對使用優(yōu)化后焊接工藝參量的焊件進行宏觀形貌與微觀組織的觀測,并進行力學性能的分析。

Table 1 Related physical parameters of SUS301L austenitic stainless steel

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 保護氣體流量對熔深、熔寬的影響

保護氣體流量的選擇會影響到激光焊接的質(zhì)量，過多的保護氣不僅造成了浪費，而且會帶走焊接過程中很大一部分的能量，直接降低焊接效率；相反，過少的保護氣，無法有效地將工件上方聚集的等離體子及時吹走[10]。采用單一變量法，保護氣體采用氬氣，取工藝參量為：激光功率1150W、焊接速率38mm/s、離焦量0mm，由于此功率參量下所有試件均焊透，因此用束腰寬代替原本下板熔深數(shù)據(jù)。圖4為3種不同保護氣體流量上板熔寬及束腰寬度。

Fig.4 Weld penetration width and beam waist width vary with shielding gas flow

由圖4可知，隨著氬氣流量的增大，單位時間內(nèi)熱量損失增加，焊件從激光中得到的熱量不斷減少，上板熔寬呈遞減趨勢。焊縫束腰寬度在保護氣體流量為25L/min時數(shù)值最小，呈V字型變化。

3.2 離焦量對熔深、熔寬的影響

薄板的焊接通常為正離焦。進行負離焦焊接時，下板容易被焊透從而在焊縫背部的中間位置形成凸起，在地鐵車頂上應用時，影響外觀[11]。本文中取零離焦時，焊縫完整且連續(xù)，沒有咬邊、凹陷、變形等明顯缺陷。因此在本小節(jié)試驗中，離焦量分別取0mm,+1mm,+2mm,其余焊接工藝參量為：激光功率1150W，焊接速率38mm/s，保護氣體流量25L/min。圖5為3種不同離焦量下上板熔寬及下板熔深。

Fig.5 Weld penetration width and depth change with defocusing amount

由圖5分析可知，離焦量增加的過程中，下板熔深隨之減小，上板熔寬有所下降但是變化不大，結(jié)合圖中數(shù)據(jù)分析得出:離焦量對焊縫熔深的影響略大于熔寬。

3.3 焊接速率對熔深、熔寬的影響

焊接速率大小通常負相關于焊縫熔深，影響焊紋密度，熱輸入量的合理配置能夠很好地規(guī)避焊縫不連續(xù)等缺陷，保證焊接質(zhì)量[12]。在激光功率1050W、離焦量0mm、保護氣體流量25L/min下，焊接速率分別取為36mm/s,38mm/s,40mm/s。圖6為3種不同速率下上板熔寬及下板熔深。

Fig.6 Weld penetration width and depth vary with welding speed

由圖6可知，焊接速率與上板熔寬和下板熔深呈負相關性。在36mm/s的焊接速率下，下板熔深占比超過98%，焊件幾近焊穿，處于臨界狀態(tài)。在3種速率下，焊縫形貌都良好，深度達到要求，下板均為焊透。

3.4 激光功率對熔深、熔寬的影響

激光功率過小，焊件可能會無法焊透，焊縫過窄，影響到接頭力學性能；激光功率過大，熱量的迅速吸收造成溫度梯度的增大，在焊件內(nèi)部會存在較大的殘余應力，導致焊件的變形[13-14]。取焊接工藝參量為：焊接速率36mm/s、離焦量0mm、保護氣體流量25L/min，激光功率大小分別為950W,1050W,1150W。圖7為3種不同激光功率下焊縫熔深、熔寬數(shù)據(jù)變化圖。

Fig.7 Weld penetration width and depth vary with laser power

由圖7可知，隨著激光功率的增加，作用在焊件上的功率密度逐漸增大，工件獲得能量增多，上板往下傳遞的熱量隨之增加，焊縫熔深熔寬也逐漸增大。當功率增大到1150W之后，下板焊透。

3.5 正交試驗優(yōu)化焊接工藝參量

由單因素實驗結(jié)果可確定焊接工藝參量范圍：激光功率950W～1050W，焊接速率36mm/s～40mm/s，離焦量0mm～2mm，保護氣體流量20L/min～30L/min。正交試驗共4個因素，每個因素均為3個水平，如表2所示。以三水平四因素正交表設計正交試驗，如表3所示。表3中實驗結(jié)果為上板熔寬以及下板熔深占比。

Table 2 Orthogonal test factors and level table

Table 3 Orthogonal test table

對上板熔寬以及下板熔深制正交分析表，分析得出結(jié)果為：激光功率對上板熔深和下板熔寬影響最大，離焦量對下板熔深影響更加明顯，而焊接速率對上板熔寬影響明顯，保護氣體流量影響最小。最優(yōu)工藝參量水平為A2B1C2D2,即激光功率1050W，焊接速率36mm/s，離焦量1mm，保護氣體流量25L/min。

3.6 仿真與試驗結(jié)果對比

激光焊接功率1050W、焊接速率36mm/s、離焦量1mm、保護氣體流量25L/min時，仿真與試驗焊縫界面重疊對比如圖8所示。從圖8中看出，焊縫上表面幾乎完全重合，包括焊縫中央凸起的部分，二者的熔寬、熔深數(shù)據(jù)基本一致，實驗下板焊縫熔深略大于仿真結(jié)果,兩個焊縫截面圖的輪廓變化趨勢也基本保持一致。綜上所述，仿真結(jié)果十分接近于實驗結(jié)果，SUS301L不銹鋼的激光焊接仿真對于實際焊接過程有指導意義。

Fig.8 Comparison of overlapped weld cross-sections

4 焊縫形貌與性能分析

用正交優(yōu)化后得到的工藝參量進行焊接實驗，對所得焊縫進行宏觀檢測、金相分析以及力學性能檢測。

4.1 焊縫形貌

圖9為焊接完成后焊縫整體形貌圖。焊縫形貌連續(xù)無扭曲，整體為銀白色，無氣孔、裂紋及咬邊等常見缺陷。

4.2 焊縫微觀組織及金相分析

焊縫整體形貌如圖10所示。呈釘子狀，上板焊縫熔寬1216.4μm，下板焊縫熔深407.4μm，焊縫深寬比較大。周圍熔合線明顯，過渡處圓滑，無氣孔等明顯缺陷。上板有余高但余量不大，有助于提高焊縫強度。

Fig.9 Appearance map of weld

Fig.10 Overall appearance of weld

由圖11可以看出，焊縫中心處生長方向性明顯的晶粒為等軸晶，晶粒細小，從焊縫中軸向兩邊生長。焊接完成后熔池內(nèi)的液態(tài)金屬冷卻并凝固，焊縫中心處溫度梯度不斷下降，焊縫區(qū)內(nèi)的合金元素產(chǎn)生偏析，提升了溶質(zhì)濃度，使得焊縫中心處的結(jié)晶速率加快。晶核生長環(huán)境趨同，因此,焊縫中心處的晶粒會轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶而非柱狀晶。

Fig.11 Microstructure at the center of the weld

圖12為焊縫底部及邊緣微觀組織?？梢钥闯?焊縫底部與焊縫邊緣的組織生長方向垂直于熔合線法線方向，焊縫靠近熔合線處的組織，基本都是柱狀晶，這是由于焊縫與熔合線周圍的焊縫組織在經(jīng)歷過較大的溫度梯度后，結(jié)晶速率會減慢，有利于柱狀晶的形成。而靠近熱影響區(qū)的晶粒生長過程中呈無向型且出現(xiàn)回復或者二次結(jié)晶，這就導致晶粒會粗化[15-16]。粗化大小會隨著與熔合線距離的增大而減小。

Fig.12 Microstructure of bottom and edge of weld

4.3 焊縫力學性能分析

4.3.1 焊縫顯微硬度 以焊縫中軸為對稱線，測試兩邊母材、熔合區(qū)以及中心處的各點顯微硬度。圖13為打點示意圖，圖14和圖15為測試結(jié)果。

Fig.13 Dotting diagram

Fig.14 Line graph of transverse microhardness change

Fig.15 Line graph of microhardness change at the central axis

由圖14可以看出,母材處平均顯微硬度為520HV，硬度最高;其次為熱影響區(qū)，平均硬度為330HV;焊縫處的硬度最低，平均硬度為215HV。在圖15中，縱向平均顯微硬度大小220HV，折線變化不大，說明焊縫中軸縱向上硬度分布均勻。

4.3.2 焊縫拉剪性能 采用Instron5985拉伸設備，機器拉力范圍為0kN～250kN，拉伸速率范圍為0mm/min～1430mm/min。為保證試驗數(shù)據(jù)準確與合理性，取3組試驗的平均拉剪力大小作為結(jié)果。試驗中測得3次拉剪力大小分別為2524.98N,2435.36N,2719.26N，平均拉剪力大小2559.96N。拉力變化曲線如圖16所示。

Fig.16 Curve of tension change

同等材料下，采用點焊方式，最小剪切拉伸載荷為1912N，平均拉伸載荷為2256N。試驗中測得數(shù)據(jù)與平均值數(shù)據(jù)均大于上述數(shù)值，說明采用激光焊接所得的SUS301L不銹鋼焊接接頭在拉剪強度上達到了預期要求。

5 結(jié) 論

對SUS301L奧氏體不銹鋼0.6mm+0.6mm疊焊進行了非熔透型激光焊接模擬仿真及試驗研究。

(1)通過Simufact Welding有限元方法對SUS301L不銹鋼進行疊焊數(shù)值模擬，得到有效工藝參量范圍為：激光功率950W～1050W,焊接速率36mm/s～40mm/s,離焦量0mm～2mm,保護氣體流量20L/min～30L/min。

(2)在單因素試驗的基礎上進行正交試驗，發(fā)現(xiàn)對上板焊縫熔寬和對下板焊縫熔深影響最大的因素均為激光功率，而離焦量和焊接速率分別對下板熔深和上板熔寬影響較大。通過正交優(yōu)化獲得了最優(yōu)工藝參量為：激光功率1050W，焊接速速36mm/s，離焦量1mm，保護氣體流量25L/min。

(3)在最優(yōu)工藝參量下，試件焊縫表面呈銀白色，焊縫連續(xù)且完整，焊縫區(qū)的晶粒多為等軸晶與柱狀晶。焊縫區(qū)顯微硬度低于熱影響區(qū)，同樣也低于母材。焊縫平均拉剪載荷為2559.96N，焊縫強度達到要求。