SUS301L不銹鋼激光填絲焊與MAG焊接頭對比

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

0 前言

SUS 301L具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械性能，沖壓彎曲等加工性好，廣泛應用于城市軌道客車不銹鋼車體制造[1]。目前，不銹鋼車頂結構中波紋板和邊梁搭接的20 m余長的焊縫仍使用傳統的MAG焊，其對焊前的裝配要求低，但焊縫成形不良、變形大、焊接效率低，且極易焊穿上層的薄板。近年來，激光焊接技術快速發展，孟云飛等[2]研究了304不銹鋼激光填絲焊焊接工藝，結果表明，激光填絲焊可以大大降低對接頭裝配的要求；唐舵等對2 mm的SUS301L-HT不銹鋼薄板進行了激光焊與MIG焊對接試驗，得出激光焊焊縫性能優于MIG焊焊縫性能的結論[3]。激光填絲焊通過加入焊絲，降低了對工件加工和裝夾的要求，具有激光焊能量密度高、焊接速度快及焊接變形小等顯著優點；此外，還能夠改善焊縫成分、補充燒損的金屬，提高焊縫成形質量[4-6]，被廣泛地應用于薄板對接和搭接的結構中。

本研究針對軌道客車不銹鋼車頂薄板搭接焊存在的工程問題，對比激光填絲焊和MAG焊兩種焊接方式下得到的接頭，從焊縫成形、顯微組織和力學性能等方面分析激光填絲焊技術在軌道客車車體制造中的應用前景。

1 試驗材料與方法

試驗用母材為奧氏體不銹鋼SUS 301L，尺寸150mm×100mm×1mm+150mm×100mm×2mm；填充焊絲為308A（D=1.2 mm），母材和焊絲的化學成分如表1所示。

表1 母材和焊絲的化學成分 %

激光填絲焊的主要設備包括IPG YLS-2000光纖激光器、KUKA焊接機器人和福尼斯送絲機，激光器焦距300 mm，焦點直徑0.2 mm。激光填絲焊接時，激光垂直入射，送絲方式為前置送絲，焊絲與工件夾角為40°，焊接時采用純氬氣進行保護。MAG焊的設備為福尼斯TPS5000，焊接時采用φ（Ar）97%+φ（O2）3%進行保護。兩種焊接方法使用的工藝參數如表2所示。

表2 焊接工藝參數

焊接完成后，切成1 mm×1 mm金相試樣，經過打磨、拋光、腐蝕，利用ZEISS光學顯微鏡觀察組織，采用MH-5顯微硬度計測試焊縫維氏硬度，AW-300B萬能試驗機測試焊縫拉剪強度，試樣尺寸如圖1所示。

2 試驗結果分析

2.1 焊縫成形對比

圖1 拉剪試樣示意

兩種焊接方法所獲焊縫宏觀形貌如圖2所示。激光填絲焊焊縫表面圓滑，連續且平直，接頭余高均勻，表面有致密的魚鱗紋；MAG焊熱輸入相對于激光填絲焊大很多，焊縫較寬不夠平直，余高不均勻，加之不銹鋼熱導率較低，焊接熱循環高溫停留時間較長，焊槍離開后焊縫溫度仍然較高，導致焊縫表面氧化較為嚴重，呈灰黑色。

圖2 焊縫宏觀形貌

兩種焊接方法所獲焊縫截面形貌如圖3所示，焊縫成形對比如圖4所示。激光填絲焊焊縫余高和熔寬明顯小于MAG焊，余高僅為0.14 mm，熔寬為1.45mm；而MAG焊焊縫凸出，余高為1.05 mm，熔寬達到2.88 mm。對比兩種焊接方法的熔深，激光填絲焊的熔深為1.45 mm，略大于MAG焊（1.18 mm），并沒有呈現出激光焊典型的深熔焊特點，這是因為在該熱輸入條件下激光的能量大多作用于焊絲，未達到“小孔”形成所需的熱量，焊絲熔化后填充到焊縫表面處，多余的熱量熔化部分母材金屬，共同形成“熱傳導型”的焊縫。而MAG焊熱源主要是電弧熱熔化焊絲，熱輸入雖然大，但能量相對激光填絲焊分散，因此形成了寬而淺的焊縫。

2.2 顯微組織

圖3 焊縫截面形貌

圖4 兩種焊接方法對焊縫成形的影響

兩種焊接方法下不同區域接頭的微觀組織如圖5、圖6所示。可以看出，無論是激光填絲焊還是MAG焊，焊縫邊緣均為柱狀晶，其依附于熔化母材晶粒向焊縫中心生長，生長方向近似垂直于熔合線。這是因為焊接熔池的凝固是快速、不平衡的過程，從熔池邊緣開始，通過依附未熔化的母材晶粒非自發形核，晶粒的生長方向與散熱的最快方向一致，通過擇優生長以柱狀晶形態向焊縫中心生長。在激光填絲焊焊縫凝固過程中，由于激光線能量密度大，焊接過程形成的溫度梯度較大，有利于柱狀晶生長，直至焊縫兩側的柱狀晶在焊縫頂部相遇，如圖5b、5c所示。

圖5 激光填絲焊接頭顯微組織

而在 MAG焊接過程中，MAG電弧的作用區域大于激光束作用區域，作用時間長，在熔池中形成的溫度梯度相對較小。根據金屬凝固學理論，晶體的形態主要取決于液態金屬中溶質的濃度、結晶速度和液態金屬的溫度梯度，為此，隨著凝固過程的進行，固液界面不斷向焊縫中心推進，溫度梯度不斷減小，結晶速度逐漸增大，合金元素及雜質元素在焊縫中心的區域偏析使溶質的濃度增大，成分過冷區間增大，因此柱狀晶生長到一定位置時就會終止，結晶形態從柱狀晶逐漸向樹枝晶轉變，如圖6b所示。而在焊縫表面，因為溫度梯度的繼續減小，焊縫頂部形成了較細小的等軸晶，如圖6c所示。

2.3 力學性能

2.3.1 顯微硬度

圖6 MAG焊接頭顯微組織

焊接接頭顯微硬度的分布如圖7所示。激光填絲焊與MAG焊接頭硬度分布均近似于“W”形，其中母材的硬度值最高為255 HV。在焊接過程中，母材在熱源的作用下熔化重新凝固結晶，使得原本處于冷作硬化狀態的母材的內應力和畸變能得到釋放，導致焊縫區組織發生軟化，硬度值降低。在焊縫凝固的過程中，隨著溶質濃度在焊縫中心達到最大值，合金元素發生固溶強化導致焊縫中心的硬度有所增加。而焊縫兩側的熱影響區在熱作用下發生了少量回復和再結晶，所以硬度相對于母材略有降低。

在熔池結晶過程中，激光填絲焊的冷卻速度大于MAG焊，焊接接頭的顯微組織更均勻細小，在晶粒細化的作用下，激光填絲焊接頭的顯微硬度整體略高于MAG焊。

2.3.2 拉剪性能

圖7 焊接接頭顯微硬度分布

激光填絲焊與MAG焊成形和組織狀態上的差異直接導致了其拉剪強度的不同。兩種接頭平均拉剪強度分別為727.3 MPa與664.3 MPa。激光填絲焊焊縫連續均勻，焊縫組織均勻細小，接頭應力集中系數低，拉剪試驗斷裂在焊縫區，如圖8a所示。MAG焊的焊縫表面連續性較差，不如激光填絲焊表面光滑平直，應力集中嚴重，并且焊縫組織不均勻，焊縫區的硬度小于激光填絲焊，其拉剪強度相對較低。斷裂位置如圖8b所示。兩種焊接方法的焊縫拉伸斷口的高倍形貌如圖9所示，斷口均由一系列韌窩組成，可見其斷裂方式均為韌性斷裂。激光填絲焊斷口中韌窩大小均勻，MAG焊斷口中韌窩分布不均勻、大小不一，。

圖8 接頭斷裂位置

圖9 接頭斷口形貌

3 結論

（1）針對1 mm+2 mm的不銹鋼搭接結構，激光填絲焊焊縫成形優于 MAG焊縫，焊縫細小，余高和熔寬較低，成形更均勻穩定。

（2）激光填絲焊縫的組織均為細小的柱狀奧氏體晶，而MAG焊縫組織為相對粗大的柱狀奧氏體晶和等軸晶。

（3）激光填絲焊與MAG焊接頭顯微硬度均呈“W”狀分布，激光填絲焊焊縫整體硬度高于MAG焊焊縫。

（4）激光填絲焊接頭拉剪強度高于MAG焊，達到母材的73%，兩者均斷裂在焊縫處，呈典型的韌性斷裂。