軌道車輛不銹鋼車體激光焊工藝研究

魏 良 ，王 娜 ，石 強 ，王 飛 ，牛國營 ，薛 濤 ，張雪峰 ，孫 英

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；2.吉林省航測遙感院，吉林長春130000）

0 前言

隨著軌道車輛制造業的發展，客戶需求成為產品設計和產品制造的重要導向，不銹鋼車體具有耐腐蝕性強、塑韌性好和免涂裝等特點，備受客戶青睞。不銹鋼車體激光焊具有傳統焊接無法比擬的優勢，其焊接強度高，能有效減少缺陷，外觀美觀，因此備受推崇。

1 不銹鋼車體激光焊接技術的特點

1.1 軌道車輛不銹鋼車體焊接現狀

美國是最早用不銹鋼制造軌道車輛的國家，美國巴德公司第一次將激光焊接技術應用到不銹鋼車體焊接。其后日本東吉公司致力于不銹鋼車體焊接技術的研究，日本川崎公司最早將激光焊應用到軌道車輛車體側墻焊接方面，德國西門子公司和美國亞特蘭大車輛公司等企業也為不銹鋼車體激光焊接技術的應用奠定了堅實基礎。軌道客車不銹鋼車體不僅具有強度高、耐用性好、環保性高及再生性高等特點，同時具有車體牢固性好、外觀精致、使用壽命長和焊接效率高等優勢，逐漸受到行業人士的追捧[1]。

1.2 激光焊接原理及特點

激光焊是將光強較高的激光束輻射到焊接工件表面，通過激光與工件材料的相互作用，使材料熔化形成焊縫連接的一種焊接技術，按激光輸出功率密度可分為激光深熔焊和激光傳導焊兩類。在深熔焊中，激光功率密度大于1×105W/cm2時，在大熱熔下釋放大量熱量，金屬直接被熔化形成焊縫。在熱傳導焊中，激光功率密度小于1×105W/cm2時，在小熱熔下釋放熱量無法熔化工件表面的金屬，其熱量通過熱傳導方式傳遞到內部金屬組織。激光焊原理如圖1所示。其特點是：焊接速度快、焊接能量高、熱影響區域小、環保性能好和設備自動化水平高等。

圖1 激光焊接原理

1.3 激光焊與電阻點焊的優缺點比較

激光焊焊縫是連續的，電阻點焊焊縫是點式結合的，相比電阻點焊，激光焊的優勢有：

（1）焊接過程中無須添加焊材，通過激光使兩基材相互作用結合；可進行單面焊接，較電阻點焊雙面焊接，焊接預留焊邊量減少，可大幅度減輕車體質量，有助于車體輕量化設計。

（2）焊接熱熔高，焊接熱影響區小，熱變形小，車輛車體美觀性好，外觀對比如圖2所示。

（3）焊接速度快，焊接基材變形量小，連續性焊縫，車體鋼結構淋雨密封性高；激光光束集中，容易控制，可達性好，可進行特殊環境和特殊區域焊接[2]。

圖2 激光焊與電阻點焊外觀對比

激光焊的缺點為：

（1）作為新型焊接技術，缺乏一套有效、成熟的焊接指導體系。

（2）焊接設備昂貴，維修成本及維修費用高，設備維修人員技能要求高。

（3）原材料要求高，表面不平度應控制在0.1mm以內，焊接錯臺不超過0.1 mm，增加原材料成本。

（4）焊接程序復雜，制造工藝難度大，工裝成本投入較大，導致車輛產出比低。

1.4 激光焊接影響因素

激光焊接的影響因素包括：激光焊接設備的激光工序、設備焊接速度、工件的進入角度和焊接搭接方式等主要工藝參數；不銹鋼車體的焊接方法對焊接質量的影響；激光焊接的焊縫熔深、熔寬及接頭組織影響。

2 不銹鋼車體焊接試驗材料和方法

2.1 試驗材料

軌道車輛常用鋼材選材如表1所示。

表1 車體主要材料

常用SUS301L奧氏體不銹鋼的化學成分和力學性能分別如表2、表3所示。

2.2 試驗設備及方法

2.2.1 焊接設備

設備主要包括龍門激光焊接系統、自動控制系統、激光器、激光焊頭、激光功率檢測裝置、光纖傳輸系統、工裝、氣體保護裝置、水冷系統、煙塵處理系統、焊接作業區安全保護間和安全裝置等[3]。焊接龍門為橋式結構，承載立柱與激光防護房采用整體化設計，移動龍門橫梁的X軸軌道安裝在立柱和激光防護房上部。承載立柱具有足夠剛性和穩定性，承載立柱數量和間距設計合理，保證龍門焊接系統實現高速穩定的焊接作業。控制系統應用于各軸聯動運行、激光器、龍門激光焊接系統和焊接參數等的管理，在程序中斷或是控制電源被切斷的情況下，儲存程序狀態和焊接位置，具有在線示教及離線編程功能實現自動操作焊接，并配備離線編程的硬件及軟件設施。采用不小于17寸彩色顯示屏，具有中、英文兩種操作界面，并能夠實現中、英文快速切換。設備具有友好的人機對話界面，能夠實現高效便捷的操作控制，并具有遠程診斷功能。激光焊接設備如圖5所示。

表2 SUS301L奧氏體不銹鋼的化學成分 %

表3 SUS301L奧氏體不銹鋼的力學性能

圖3 激光焊接設備

2.2.2 激光焊接頭端面試驗方法

根據不銹鋼軌道車輛選材，一般采用墻板厚度為0.6～2.0 mm薄板進行激光疊焊接頭端面試驗，需檢測疊焊下板熔深和疊焊接頭熔寬，判斷焊縫是否滿足使用要求，從而進行不銹鋼軌道車輛產品激光疊焊工藝評定或工藝參數優化。

（1）激光焊接試件。

試件由試驗片焊接而成，試驗片的形狀及尺寸如圖4所示。

圖4 試驗片形狀及尺寸

試驗片數量和試驗項目分別如表4、表5所示。

表4 試驗片數量

表5 試驗項目

（2）激光焊取樣。

針對與板面垂直的斷面進行取樣，位置如圖5所示。選擇冷切割方式以確保對被檢驗表面不產生變形和相變影響。

（3）疊焊下板熔深及疊焊接頭熔寬的測定方法。

測定疊焊下板熔深及疊焊接頭熔寬，如圖6所示。焊件接頭板厚不同時，t1為上板板厚。疊焊下板熔深、疊焊接頭熔寬值不小于表6中的規定值即為合格[3]。

2.2.3 激光焊接頭標準疲勞試件的剪切拉伸疲勞試驗

按照選取的疊焊金屬板材，在室溫大氣環境下進行疊焊的單段激光焊接頭標準疲勞試件的剪切拉伸疲勞試驗，載荷比為0～0.2。將剪切疲勞試件安裝在疲勞試驗機夾頭之間，施加循環拉伸載荷的疲勞力進行試驗測試[5]。循環載荷為F，最大載荷為Fmax，最小載荷Fmin，載荷幅度為ΔF，平均載荷Fm，載荷比為 R。其中：ΔF=Fmax-Fmin，Fm=ΔF/2，R=Fmin/Fmax。

圖5 取樣位置

圖6 激光疊焊縫斷面

表6 激光疊焊接頭熔寬、疊焊下板熔深最低標準值

試件是由2塊等長的寬度W、厚度T（T1≤T）的試板焊接而成，如圖7所示。重疊長度、夾持長度與寬度相同，試驗段長度為V。

2.2.4 試驗數據分析

選取12根試件分析載荷受力情況，繪制F-n曲線，R應小于或等于0.1，相鄰兩個載荷范圍的比（F-n曲線的傾斜部分）為1.1～1.5，疲勞極限附近為1.05～1.2；每個載荷范圍需要2個以上有效試件；試驗中載荷參數應同步調整；試驗頻率為3～60 Hz；載荷范圍（N）有效數字為3位。循環數從達到指定載荷范圍開始計數。縱軸為載荷范圍，橫軸為循環數，采用雙對數或單對數坐標繪制，F-n曲線如圖9所示。

圖7 試板與試驗件形狀

圖8 試驗片制作樣圖

表7 試件與試件尺寸

圖9 F-n曲線

不銹鋼激光焊接接頭的力學性能拉剪載荷大于等于18 kN，激光焊接線能量是影響不銹鋼搭接接頭焊縫背面質量與力學性能的主要因素。焊縫熔寬、熔深與搭接接頭拉剪載荷的關系如圖10所示。可以看出，隨著焊縫熔寬、熔深的增加，激光焊接頭的力學性能呈上升趨勢。因此，可采用焊縫熔寬、熔深間接評價接頭的力學性能（拉剪載荷）。熔寬、熔深與焊接線能量的關系如圖11所示。

圖10 熔寬、熔深與搭接接頭拉剪載荷的關系

3 結論

通過對SUS301L不銹鋼搭接接頭的疲勞性能進行研究，得出以下結論：

（1）激光焊試樣接頭的拉剪載荷均大于20 kN，滿足技術要求。接頭斷裂模式主要有上、下板結合面的焊縫斷裂模式和熱影響區斷裂模式兩種。當能量較低時，拉剪試樣在上、下板的結合面斷裂；當能量較高時，拉剪試樣在熱影響區斷裂。

（2）在高載荷條件下疲勞裂紋在焊縫和下板中擴展，斷裂于焊縫；在中、低載荷條件下，疲勞裂紋在下板中擴展，擴展方向近似平行于板厚，斷裂發生在2 mm厚的下板。

（3）焊縫熔深與焊縫熔寬均隨著激光焊接能量的加大而增大。焊縫背面氧化變色程度與焊縫熔深有關，熔深越大氧化變色越明顯。

圖11 熔寬、熔深與焊接線能量的關系