激光搭接焊工藝與電阻點焊工藝在軌道車輛不銹鋼車體中的對比分析

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

0 前言

不銹鋼軌道車輛具有外板免涂裝、節約能源、安全性高、耐腐蝕性強、使用壽命長、維護量少等優點，其市場需求越來越大。由于不銹鋼導熱系數小、線脹系數大，所以不銹鋼車體多采用電阻點焊工藝[1]。由于電極等原因，電阻點焊方法在不涂裝的不銹鋼外板不可避免地會產生明顯的焊點壓痕；另外，制造的車體密封性較差，只能適用于城軌車體，很難適用于高速列車。

為此研發了部分熔透激光焊疊焊工藝，通過控制焊接參數使激光束貫穿補強板，在熔入外墻板某一深度時中止，主要解決不銹鋼客車車體外觀質量不佳和氣密性較差的問題，最終實現將不銹鋼客車應用于高速列車領域的目標。日本首先提出用激光焊接方法代替電阻點焊，研究開發激光焊接的不銹鋼客車。日本的川崎重工[2]和意大利的AnsaldoBreda[3]開展了采用激光搭接焊替代電阻點焊焊接不銹鋼車輛的研究，并將該技術應用于不銹鋼車輛的生產中，但目前尚無激光焊接與電阻點焊的對比研究報道。

研發部分熔透的不銹鋼激光搭接焊工藝對于提高不銹鋼車輛的制造技術具有實際應用價值，激光焊接不銹鋼軌道車輛的市場需求也在不斷擴大，市場前景良好。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

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

表1 SUS301L奧氏體不銹鋼化學成分及力學性能[4]

1.2 試驗設備及方法

激光焊接使用Trudisk4002盤式固體激光器，額定功率4 kW；光束質量8 mm·mrad，激光束波長1.06 μm；光纖直徑0.6 mm；焦距200 mm。保護氣體為氬氣，流量30L/min，氬氣純度大于等于99.999%，由直徑8 mm的導嘴導出。

電阻點焊采用現代YBA-250S型點焊機進行，電阻點焊工藝參數按照工廠制造不銹鋼車體工藝參數執行——電流8000A，壓力10 kN，頻率50Hz，保壓時間為8個周波。激光焊接工藝參數采用前期試驗優選出的工藝參數——激光功率2.0 kW，焊接速度25 mm/s，離焦量0 mm。電阻點焊及激光搭接焊形式如圖1所示。焊接時，通過工裝對工件施加壓緊力，使上下兩板間沒有間隙。

圖1 激光搭接焊及電阻點焊接頭形式

焊后參照GB/T2651-1989制樣，并在WE-30型液壓萬能試驗機上進行剪切拉伸試驗。采用Olympus BX-51M型光學顯微鏡（OM）和JSM-6360LV型掃描電鏡（SEM）觀察分析焊縫形貌和顯微組織。

2 結果與討論

2.1 接頭強度

根據JISZ3140-1989點焊焊接區的檢驗方法，1 mm+2 mm點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。不銹鋼車體中常用的點焊焊核與剪切拉伸載荷如表2所示。

表2 不銹鋼車體點焊剪切試驗結果

不銹鋼車體激光焊試驗結果如表3所示。激光搭接焊接頭剪切拉伸載荷最小為26.5 kN，外表面無焊接痕跡，激光搭接焊接頭剪切拉伸載荷較電阻點焊接頭提高近30%，美觀程度優于電阻點焊接頭。

表3 不銹鋼車體激光焊試驗結果

2.2 外觀質量

由于電極的壓緊力和熱輸入作用，電阻點焊不可避免地導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外觀質量。采用激光焊接，通過控制工藝參數使激光束貫穿上板，在熔入下板某一深度時中止，焊縫熔深小于工件的整體厚度，從而實現外表面沒有焊接痕跡，達到美觀要求。激光焊接后的表面狀態如圖2a所示，外表面沒有變形，不會因熱循環出現焊接痕跡或氧化變色；電阻點焊后表面狀態如圖2b所示，焊點處有明顯的變形，實際生產中經常需要對點焊組成的構件進行矯正。

2.3 微觀結構

激光焊接速度快，熔池金屬的凝固過程通常在幾十毫秒內完成，易產生非平衡顯微組織，激光焊接頭的熱影響區都很窄，有的幾乎看不到熱影響區[5]。激光搭接焊焊縫宏觀形貌如圖3所示。在熔合區邊界能清楚地看到熔合線，焊縫中晶粒的結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，在冷卻過程中熔池內部幾乎是同時冷卻的，在焊縫中部容易出現等軸晶。在熔合線附近，開始時結晶速度極快，之后結晶速度減慢，出現樹枝晶組織，焊縫致密無缺陷，焊縫熔深遠小于工件厚度。

點焊熔核實際上是利用合金的電阻熱使部分固態合金熔化形成的，它形成后處于與其同成分的固態合金的封閉狀態下[6]。點焊熔核凝固時熱量只能由熔核的中心向周圍導出，在凝固界面的每一局部，導熱方向都與該局部凝固界面垂直，因此點焊熔核的凝固組織實際在單向導熱條件下進行。這是SUS301L不銹鋼板點焊接頭熔核凝固組織為定向柱狀晶組織的原因。電阻點焊接頭組織如圖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，很容易出現因熱作用產生的氧化變色，同時由于電極作用會出現壓痕，影響外觀質量。

圖2 激光焊接與電阻點焊車體表面質量對比

圖3 激光焊接頭微觀組織

2.4 工作效率

目前在實際生產中，電阻點焊的焊接速度約為1 m/min，激光焊接速度可以根據不同的要求達到很高。本研究中的激光焊接速度是經前期大量試驗摸索出的，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 電阻點焊接頭微觀組織

文獻[2-3]提到日本和意大利的公司的激光焊接試驗，其焊接速度達到5 m/min，但是Samanta[7]和El-Batahgy[8]在研究激光焊接工藝參數對焊縫成形等的影響時指出，要達到理想的焊接效果，需要激光焊接功率與焊接速度等工藝參數相互匹配。本試驗也表明，對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焊接痕跡，常見的激光器很難滿足要求。

3 結論

（1）采用激光搭接焊工藝焊接不銹鋼車體側墻結構，通過確定合理的工藝參數能夠得到既滿足強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焊進行不銹鋼車體焊接。

（3）采用激光焊技術能夠提升不銹鋼城軌車體產品的檔次和技術含量，縮短不銹鋼車體的焊接制造周期，縮短與國外車輛制造廠輛的差距，增強國際競爭力。