不銹鋼SUS 301L激光填絲搭接焊工藝

張 勇，黃 衛(wèi)，段珍珍

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

不銹鋼SUS 301L激光填絲搭接焊工藝

張 勇，黃 衛(wèi)，段珍珍

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

以接頭形式0.6+2mm的不銹鋼SUS 301L為對象，研究激光填絲焊激光功率、焊接速度、送絲速度3個主要工藝參數(shù)對焊縫成形、接頭截面形貌及連接強度的影響規(guī)律。結果表明，隨著激光功率的增加，焊縫熔深和熔寬增大，余高減??；隨著焊接速度的增加，焊縫熔深、熔寬、余高均減??；隨著送絲速度的增加，焊縫熔深和熔寬減小，余高增大。接頭的最大拉力為14.43 kN，斷裂在上層薄板母材中，焊縫強度大于母材。

不銹鋼；激光填絲焊；搭接；工藝參數(shù)

0 前言

不銹鋼SUS 301L的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械性能良好，沖壓彎曲等加工性好，被廣泛應用于城市軌道客車的車體制造[1]。目前，不銹鋼車體薄板搭接焊中有密封性要求的焊縫仍多采用TIG等弧焊，極易造成燒穿、焊縫成形不良等生產質量問題。而激光填絲焊具有能量密度高、焊接速度快及焊接變形小等顯著優(yōu)點，填入的焊絲不僅降低了其對工件加工和裝夾的要求，還能夠改善焊縫成分、補充燒損的金屬，極大提高了焊縫成形質量[2-4]。

本研究針對不銹鋼軌道客車車頂薄板搭接焊縫，嘗試采用激光填絲焊接工藝以提高焊縫質量。通過單因素試驗方法，分析了激光填絲焊的主要工藝參數(shù)對焊縫成形質量和性能的影響規(guī)律，為實際工程應用提供有價值的參考。

1 試驗材料和方法

試驗用母材金屬為奧氏體不銹鋼SUS 301L，材料尺寸規(guī)格 200×100×0.6+200×100×2（單位：mm）；填充焊絲為308A（φ1.2 mm），母材和焊絲的化學成分如表1所示。

試驗用主要設備包括IPG YLS-2000光纖激光器、KUKA焊接機器人和福尼斯送絲機。其中，IPG YLS-2000光纖激光器的最大輸出功率為2 kW，激光通過光纖傳輸經(jīng)激光焊接頭聚焦，焦距300 mm，焦點直徑0.2 mm。

采用前置送絲方式，焊絲與工件的夾角為40°，激光垂直入射，焊接時采用純氬進行保護，氣體流量25 L/min，焊接示意如圖1所示。

表1 母材和焊絲的主要化學成分%

圖1 焊接示意

焊縫經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，使用Olympus體式顯微鏡和蔡司金相顯微鏡進行觀察分析；采用AW-300B萬能試驗機測試焊縫強度。

2 試驗結果分析

2.1 激光功率的影響

在焊接速度1.2 m/min，送絲速度2.0 m/min的情況下，激光功率由1.2 kW增加至1.5 kW時的焊縫截面形貌如圖2所示。當激光功率較小時，激光的大部分能量用于熔化焊絲，焊絲的部分熱量傳導至下層板表面，由于熱量較小，不能在下層板形成激光深熔焊，因此下層板的熔深非常小，只有約0.1mm。激光功率增大至1.3 kW時，下層板熔深增大，但因熔寬不足導致熔化的焊絲未能均勻鋪展開，形成了“束腰狀”焊縫（見圖2b箭頭），容易造成應力集中，進而降低焊縫強度。功率繼續(xù)增大后，熔深和熔寬均增大，但熔化的金屬堆積到有限的熔寬范圍內，焊縫余高較大，整體成形欠美觀。功率增加到1.5kW后，下層板焊透了近2/3，熱量的增加使熔化的金屬向焊縫下部流動，焊絲也在上下兩層板處均勻鋪展，焊縫成形良好。

圖2 激光功率對焊縫截面形貌的影響

通過拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，當功率為1.2 kW時，最大拉力只有10.88 kN（見圖3），接頭斷裂在焊縫處（見圖4）。結合焊縫截面形貌可知（見圖2a），因焊接時未壓緊而導致兩層板之間間隙過大，加上熱量不足，致使上下兩層板結合處的連接面積較小，最終影響連接強度。隨著激光功率的增大，焊縫最大拉力增加，當功率為1.5 kW時，拉力達到最大值14.43 kN（見圖3），接頭均斷裂在上層的薄板母材中（見圖4），表明焊縫的強度均高于母材。觀察斷口形貌（見圖5）發(fā)現(xiàn)，斷口處分布著大小相近的等軸韌窩，接頭具有較好的韌性。

圖3 激光功率對焊縫性能的影響

圖4 試樣斷裂后的宏觀形貌

圖5 斷口微觀形貌

2.2 焊接速度的影響

當激光功率1.4 kW、送絲速度2.0 m/min時，焊接速度對焊縫截面形貌的影響如圖6所示。當焊接速度為0.9 m/min時，焊縫熔深接近下層板的1/2，表面余高均約為0.87 mm，整體呈“凸起狀”，說明在該工藝參數(shù)下產生的熱量不僅能夠使焊絲充分熔化，還能使下層板產生激光深熔焊的效果。隨著焊接速度的增大，整體熱輸入降低，在單位面積上的填入焊絲量減小，焊縫熔深、熔寬和余高均明顯減小，焊縫逐漸變得細窄和平滑?？梢钥闯?，焊接速度對焊縫外部成形的影響較明顯，在保證一定熔深和熔寬的基礎上，適當提高焊接速度可降低焊縫凸起，改善成形質量。

圖6 焊接速度對焊縫截面形貌的影響

在該搭接接頭試驗條件下，對焊縫結合強度起主要作用的是焊縫熔寬。焊接速度對焊縫連接強度的影響規(guī)律如圖7所示，結合焊縫截面形貌可知，焊接速度為0.9～1.2 m/min時，熔寬較大，最大拉力均在14.2kN左右，沒有明顯差異；當速度繼續(xù)增大時，熔寬減小，最大拉力下降。試驗發(fā)現(xiàn)接頭均斷裂在上層的薄板母材中，焊縫的強度均高于母材，表明此工藝范圍內，焊縫有足夠的結合強度。

圖7 焊接速度對焊縫性能的影響

2.3 送絲速度的影響

當激光功率1.4 kW、焊接速度為1.2 m/min時，送絲速度對焊縫截面的影響規(guī)律如圖8所示。當送絲速度為1.5 m/min時，焊縫有一定的熔深和熔寬，余高均勻；隨著送絲速度的增大，使得單位長度上填絲量增加，焊縫余高顯著增加。此外，激光的能量主要作用于焊絲上，造成過渡熔化的焊絲在焊縫處鋪展不均勻，焊縫成形不均勻。試驗發(fā)現(xiàn)，送絲速度與焊接速度關系密切，若二者不匹配，則焊縫表面質量不穩(wěn)定。

送絲速度對焊縫連接強度的影響規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，當送絲速度大于2.0 m/min時，最大拉力有明顯下降趨勢，主要原因是焊縫熔深和熔寬減小，焊縫成形不均勻。在該試驗條件下，接頭均斷裂在上層的薄板母材中，焊縫強度均高于母材。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，不銹鋼薄板激光填絲搭接焊縫成形不良的主要原因有兩個：一是工藝參數(shù)的不匹配造成焊縫不連續(xù)、寬窄不均勻（見圖10a）；二是激光和焊絲的相對位置偏離，如圖11所示，若光絲偏離嚴重，則焊絲熔化不均勻，造成了圖10b所示的斷續(xù)焊縫；若光絲略有偏離，則會造成焊縫兩側呈曲線狀（見圖10c）。

3 結論

（1）激光功率、焊接速度和送絲速度是不銹鋼薄板激光填絲搭接焊的關鍵參數(shù)，三者之間的相互匹配直接影響焊縫成形和連接強度。

圖8 送絲速度對焊縫截面形貌的影響

圖9 送絲送度對焊縫性能的影響

（2）在一定參數(shù)范圍內，隨著激光功率的增加，焊縫熔深和熔寬增大，余高減??；隨著焊接速度的增加，焊縫熔深、熔寬和余高均減?。浑S著送絲速度的增加，焊縫熔深、熔寬減小，余高增大。

（3）在該試驗條件下，接頭最大拉力為14.43kN，斷裂于上層薄板母材中，焊縫強度大于母材。

圖11 光絲偏離較大

[1]王洪瀟，王春生，何廣忠.不銹鋼軌道車輛側墻激光焊快速裝夾裝置開發(fā)[J].金屬加工（熱加工），2017（4）：18-20.

[2]孟云飛，王維新，李翠.304不銹鋼光纖激光填絲焊焊接工藝研究[J].應用激光，2016，36（5）：535-542.

[3]徐國建，鐘立明，杭爭翔.SUS304不銹鋼窄間隙激光填絲焊性能[J].中國激光，2013，40（10）：1-5.

[4]張麗芳，趙澤洋，李坊平.工藝參數(shù)對激光填絲搭接焊成形的影響[J].應用激光，2015，35（1）：72-76.

Laser filler wire lap welding technology of stainless steel SUS 301L

ZHANG Yong，HUANG Wei，DUAN Zhenzhen
（CRRC ChangChun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062，China）

The stainless steel SUS 301L with the joint type of 0.6+2 mm is taken as a study object.，the influence of three main technology parameters of laser filler wire welding，namely，laser power，welding speed and wire feed rate on the welding appearance，joint profile and joining strength are studied.The results show that with the increase of laser power，the weld penetration and weld width increase，the weld reinforcement reduces.With the increase of welding speed，all the weld penetration，weld width and weld reinforcement reduce.With the increase of wire feed rate，the weld penetration and weld width reduce，the weld reinforcement increases.The maximum tension of the joint is 14.43 kN，fracture occurs in the upper sheet base metal，and the weld strength is greater than the strength of base metal.

stainless steel；laser filler wire welding；lap；technology parameters

TG456.7

A

1001-2303（2017）10-0024-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.05

本文參考文獻引用格式：張勇，黃衛(wèi)，段珍珍.不銹鋼SUS 301L激光填絲搭接焊工藝[J].電焊機，2017，47（10）：24-28.

2017-07-10

張 勇（1976—），男，高級工程師，主要從事軌道車輛焊接工藝的研究。E-mail：zhangyong@cccar.com.cn。