不銹鋼車體激光焊接關(guān)鍵技術(shù)的研究

張洪國，高文文，張艷輝，劉海偉，張強

中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 130000

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)今日本的高速列車和輕軌客車在客車車體制造中應(yīng)用了激光焊接技術(shù)，日本的幾個主要車輛廠分別開發(fā)了采用激光焊接側(cè)墻板的方法制造不銹鋼車輛[1]。目前此項技術(shù)已用于不銹鋼車輛的批量生產(chǎn)，技術(shù)的可行性、側(cè)墻的表面質(zhì)量改善得到了認可。此外，德國西門子的磁懸浮客車、丹麥的DMU IC4級高速列車、意大利ETR500高速擺動列車、美國亞特蘭大輕軌車及意大利輕軌車均準(zhǔn)備應(yīng)用激光焊接技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，在歐美發(fā)達工業(yè)國家中，有50%～70%的汽車零部件采用激光加工。激光焊接在汽車中的成熟應(yīng)用，為其在軌道客車制造中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

我國在汽車領(lǐng)域、電子領(lǐng)域以及軌道客車領(lǐng)域也采用了激光焊接技術(shù)[2，3]。國內(nèi)株洲電力機車、青島四方軌道車輛有限公司已經(jīng)開展了激光焊接不銹鋼軌道車輛的研究[4]。

我公司也較早地開展此項目研究，開發(fā)了不銹鋼車體新結(jié)構(gòu)，完成了某不銹鋼高速動車組激光焊樣車試制，以及不銹鋼車城軌車激光焊樣車試制，并編制了相關(guān)激光焊企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)地鐵產(chǎn)品中和國外等發(fā)達國家項目應(yīng)用了激光焊技術(shù)進行車體側(cè)墻焊接。

2 激光焊技術(shù)原理與方法

2.1 激光焊技術(shù)原理

激光焊一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化，實質(zhì)是激光與非透明物質(zhì)相互作用的過程。激光焊接原理如圖1所示。

圖1 激光焊接原理

2.2 激光焊適用范圍

我公司在不銹鋼軌道車輛的焊接中，將車輛側(cè)墻構(gòu)件的點焊逐步替換為激光焊，目的是提高焊接的精度和作業(yè)效率，使作業(yè)速度比目前提高20%～30%，成本降低20%～30%。通常，每輛軌道車輛需實施7000～8000處點焊，而且經(jīng)點焊的加工表面需要后續(xù)進行除黑處理，耗費作業(yè)時間長，而激光焊改善了以上這兩方面的問題。目前激光焊能夠?qū)崿F(xiàn)2.5mm以內(nèi)不銹鋼板的對接、搭接等接頭形式的焊接要求。

2.3 激光焊優(yōu)缺點

激光焊優(yōu)點是焊接速度快，焊接熱輸入量小，熱影響區(qū)小，焊接應(yīng)力小，工件變形小，可以獲得高質(zhì)量的接頭強度和較大的深寬比；且可焊材料多，如難熔金屬、熱敏感性強的材料，還可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機玻璃；可達性好，可借助反射鏡使光束達到一般焊接方法無法施焊的位置，特別適合微型零件和遠距離焊接；不要求與焊縫區(qū)直接接觸，可穿過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行焊接，如可焊接玻璃密封容器內(nèi)的鈹合金等劇毒材料。

激光焊的缺點是激光器及焊接系統(tǒng)各配件的價錢較為昂貴，因此初期投資及維護成本比傳統(tǒng)焊接工藝高；難以焊接反射率較高的金屬。由于激光焊接的聚焦光斑較小，所以對工件接頭的裝備精度要求較高，很小的裝備偏差就會產(chǎn)生較大的加工誤差。

2.4 激光焊焊接設(shè)備

激光器按照激活媒介的物質(zhì)狀態(tài)分類可分為氣體、液體、固體和半導(dǎo)體激光器。各類激光器各有特色。①氣體激光器的單色性強，如氦-氖激光器的單色性比普通光源要高1億倍，由于氣體激光器工作物質(zhì)種類繁多，因此可產(chǎn)生許多不同頻率的激光。但由于氣體密度低，所以激光輸出功率相應(yīng)較小。②固體激光器則正好相反，能量高，輸出功率大，但工作物質(zhì)種類較少，單色性較差。③液體激光器的最大特點是激光的波長可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變換。這種激光器特別適合于對激光波長有著嚴格要求的場合。④半導(dǎo)體激光器的特點則是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，但輸出的功率較小，單色性也較差。

激光器問世不久，美國光學(xué)公司（American Optical Corporation）的Snitzer和Koester于1963年首先提出光纖激光器和放大器的構(gòu)思。近年來，美國IPG Photonics公司在光纖激光器研發(fā)方面取得了突破性進展，不僅展示了各種光纖放大器，高功率的EDFA，Raman光纖激光器和雙波長Raman光纖激光器，更引起國際關(guān)注的是該公司已推出各種商用摻Y(jié)b高功率光纖激光器，最大功率達10kW，單模輸出功率高達1kW。光纖激光器結(jié)構(gòu)相對簡單，且制作難度小，成本較低。

對激光器的質(zhì)量要求最主要的是光束模式和輸出功率及其穩(wěn)定性。光束模式是光束質(zhì)量的主要指標(biāo)，光束模式階數(shù)越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊縫深寬比越大。但從國外情況來看，激光器的光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性已相當(dāng)高，不會成為激光焊接的問題。公司現(xiàn)有設(shè)備用于激光焊技術(shù)研發(fā)、樣車試制及地鐵項目生產(chǎn)，后續(xù)將應(yīng)用到出口項目中的車體側(cè)墻生產(chǎn)。

3 激光焊技術(shù)工藝制造應(yīng)用

一套可靠完整的激光焊工藝應(yīng)用需要從激光焊工藝參數(shù)、接頭性能結(jié)合數(shù)值模擬多方面去驗證，才會形成適合車輛制造可用的工藝參數(shù)。

3.1 最優(yōu)工藝參數(shù)研究

按照外表面無焊接痕跡，強度高于電阻點焊接頭的標(biāo)準(zhǔn)，對不同板厚組合的不銹鋼板材進行激光焊接不銹鋼車體工藝試驗，總結(jié)出不銹鋼車體激光焊接的最優(yōu)參數(shù)組合。

（1）激光功率 激光焊接中存在一個激光能量密度閾值，低于此值熔深很淺，一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關(guān)），等離子體才會產(chǎn)生，這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進行。如果激光功率低于此閾值，工件僅發(fā)生表面熔化，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進行。而當(dāng)激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時，深熔焊和傳導(dǎo)焊交替進行，成為不穩(wěn)定焊接過程，導(dǎo)致熔深波動很大。激光深熔焊時，激光功率同時控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān)，且是入射光束功率和光束焦斑的函數(shù)。一般來說，對一定直徑的激光束，熔深隨著光束功率提高而增加。

（2）焊接速度 焊接速度對熔深影響較大，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導(dǎo)致材料過度熔化、工件焊穿。因此，對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在相應(yīng)速度值時可獲得最大熔深。

（3）光束焦斑 光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為它決定功率密度。但對高功率激光來說，對它的測量是一個難題，盡管已經(jīng)有很多間接測量技術(shù)。光束焦點衍射極限光斑尺寸可以根據(jù)光衍射理論計算，但由于聚焦透鏡像差的存在，所以實際光斑要比計算值偏大。最簡單的實測方法是等溫度輪廓法，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測量實踐，掌握好激光功率大小和光束作用的時間。

（4）焦點位置 焊接時，為了保持足夠功率密度，焦點位置至關(guān)重要。焦點與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點的各平面，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。試驗表明，激光加熱50～200μs材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)氣化，形成室壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時，高濃度氣體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負離焦時，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、氣化，使光能向材料更深處傳遞。因此，在實際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

（5）焊接起始、終止點的激光功率漸升、漸降控制 激光深熔焊接時，不管焊縫深淺，小孔現(xiàn)象始終存在。當(dāng)焊接過程終止、關(guān)閉功率開關(guān)時，焊縫尾端將出現(xiàn)凹坑。另外，當(dāng)激光焊層覆蓋原先焊縫時，會出現(xiàn)對激光束過度吸收，導(dǎo)致焊件過熱或產(chǎn)生氣孔。為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，可對功率起止點編制程序，使功率起始和終止時間變成可調(diào)，即起始功率用電子學(xué)方法在一個短時間內(nèi)從零升至設(shè)置功率值，并調(diào)節(jié)焊接時間，最后在焊接終止時使功率由設(shè)置功率逐漸降至零值。

3.2 接頭性能測試

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對不銹鋼車體激光焊接頭進行了拉伸剪切試驗、疲勞性能測試、接頭微觀結(jié)構(gòu)測試分析，總結(jié)不銹鋼激光焊接頭強度、外觀、焊縫形狀與激光焊工藝參數(shù)的制約關(guān)系，為指導(dǎo)生產(chǎn)提供依據(jù)。試驗結(jié)果表明，相同板厚組合的不銹鋼板材激光焊接頭的疲勞性能、剪切拉伸載荷、外觀質(zhì)量均高于電阻點焊接頭[5，6]。

3.3 數(shù)值模擬研究

采用有限元計算軟件，對激光焊接頭熔池形狀進行了模擬，得到不同工藝參數(shù)組合下的接頭微觀形狀，從而得出焊縫的微觀尺寸，判斷焊縫強度。經(jīng)驗證，數(shù)學(xué)模型具有很高的精度，在生產(chǎn)中可通過數(shù)值計算來確定工藝參數(shù)，減少試驗次數(shù)，降低人力、物力消耗。

3.4 接頭基本形式

試驗中接頭基本形式見表1。

表1 接頭基本形式

3.5 工藝評定

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過工藝參數(shù)理論摸索及工藝和理化金相等試驗進行驗證，形成工藝評定及報告，為指導(dǎo)實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

4 激光焊焊縫質(zhì)量檢測和分析

在質(zhì)量檢測和控制方面，由于存在部分激光焊焊縫是非熔透激光焊，所以激光焊作業(yè)生產(chǎn)全過程質(zhì)量控制尤為重要[7]。在焊接作業(yè)生產(chǎn)前，要驗證激光焊工作試件，驗證激光焊設(shè)備功率和焊接速度等參數(shù)的穩(wěn)定性；焊接生產(chǎn)過程中，嚴格按照工藝方法進行組裝，除保證焊縫結(jié)合面密貼以外，還要在焊接過程中實時監(jiān)控焊接質(zhì)量。通過直接或者間接的技術(shù)手段分析確認激光焊熔深是否滿足質(zhì)量要求，并進行記錄存儲具有可追溯性，同時具備報警提示或者通過設(shè)備本身自適應(yīng)功能實現(xiàn)調(diào)整焊接參數(shù)進行彌補的功能。在焊接完成后，除了進行必要的焊縫外觀檢查外，還需要采用超聲波無損檢測技術(shù)，進行焊縫熔深的檢測，最終確認非熔透激光焊的焊縫熔深是否在控制范圍內(nèi)，保證焊接質(zhì)量的全過程受控。

5 結(jié)束語

綜上所述，非熔透激光焊工藝方法可解決側(cè)墻電阻焊工藝中各種焊接變形，改善焊接質(zhì)量，實現(xiàn)激光焊替代傳統(tǒng)的電阻點焊工藝，提高焊接接頭的強度，改善車體外觀質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。同時，不銹鋼軌道車輛生產(chǎn)技術(shù)的變革，提升了我公司在同行業(yè)中的競爭力。激光焊技術(shù)在軌道車輛上的應(yīng)用，不僅提升了軌道客車整體的質(zhì)量品質(zhì)，也提升了中國制造軌道客車在國際上的競爭優(yōu)勢。