田 慧，郭麗娟，王喜君，李 洋

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

目前軌道客車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分豐富，形成了適合不同速度等級、不同檔次、不同牽引方式、能夠滿足各層次用戶需求的多樣化、梯次化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，涵蓋了普通鐵路客車、城鐵車和新一代高速動車組[1]。焊接是軌道交通車體制造的關(guān)鍵工藝[2]。與傳統(tǒng)的焊接方式相比，激光焊接效率高，可自動化操作，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本。激光焊接無需其他填充物質(zhì)，焊縫美觀干凈，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時符合大眾的審美觀點，為企業(yè)提供了強有力的市場競爭力[3-4]。

本研究基于碳鋼車體及軌道交通關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件對激光焊接技術(shù)的需求，針對3mm厚Q345NQR2鋼和2.5 mm厚Q310NQL2鋼的疊焊接頭系統(tǒng)開展激光焊接工藝研究，為后續(xù)碳鋼車體相關(guān)結(jié)構(gòu)件及類似結(jié)構(gòu)的激光焊工藝生產(chǎn)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗?zāi)覆臑楹?.5 mm的Q310NQL2鋼和3 mm的Q345NQR2鋼[5]，化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

1.2 接頭形式

工藝試驗針對3 mm厚Q345NQR2+2.5 mm厚Q310NQL2疊焊接頭，3 mm板在上，2.5 mm板在下，采用單道焊且不焊透的工藝，并且控制變形。接頭形式如圖1所示，焊接時激光光束與焊接方向成110°夾角，激光與試板成80°夾角，如圖2所示。

表1 母材化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of base metal %

表2 母材力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of base metal

圖1 坡口形式Fig.1 Groove form

圖2 激光與試板相對位置Fig.2 Relative position of lase and test plate

2 焊接工藝試驗

2.1 堆焊工藝試驗

針對3mm厚Q345NQR2+2.5mm厚Q310NQL2疊焊接頭，選擇在6mm平板上進(jìn)行激光焊堆焊試驗，研究離焦量、焊接速度和激光功率等焊接參數(shù)對焊縫熔深（H1）和熔寬（B1）的影響。H1和 B1示意見圖3。焊接試驗選取的焊接參數(shù)及其波動范圍見表3。

表3 焊接試驗參數(shù)Table 3 Parameters of welding test

圖 3 焊縫 B1、H1示意Fig.3 Schematic for B1，H1

激光功率分別為5 kW和6 kW時，不同焊接速度和離焦量的焊縫橫截面成形照片如圖4、圖5所示。由圖可知，增加離焦量是增加底板熔寬最有效的因素。同時隨著離焦量的增加，焊縫熔深逐漸減少，要保證有效的焊接，即在底板上形成有效熔深（H1≥3 mm）、熔寬（B1），一定離焦量下就需要增加功率或減慢焊接速度。離焦量越小，焊縫的深寬比越大。而試驗所用母材為車輛用的耐候鋼，化學(xué)成分中含有較高的P，若焊縫的深寬比較大，則易在焊縫中心產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

堆焊試驗焊縫的B1和H1測量值見表4。熔深試驗點選取如圖6所示，試驗選取底板熔寬為1.0 mm以上的熔深點，用于研究不同熔寬B1（B1≥1 mm）與接頭抗剪切力的關(guān)系。熔寬試驗點選取如圖7所示，熔深為0.6～0.8 mm，有較多能滿足試驗要求點來進(jìn)行熔寬與剪切力關(guān)系試驗。

2.2 不同熔深、熔寬對接頭抗剪力的影響

不同熔深、熔寬對接頭抗剪力影響的試驗是在3mm 厚Q345NQR2（上板）+2.5mm 厚 Q310NQL2（底板）的疊焊接頭上進(jìn)行。由于接頭與堆焊試驗有一定的差異性，熔深與接頭抗剪切力關(guān)系試驗選取的定熔寬B1為0.7～0.9 mm。一定熔寬B1（0.7～0.9 mm）下，不同焊縫熔深對應(yīng)的接頭抗剪切力如表5所示，焊縫的宏觀金相照片如圖8所示，熔深H1與疊焊接頭抗剪力關(guān)系的擬合曲線如圖9所示。由圖9可知，隨著熔深H1的增加，抗剪力開始時不斷增加，但當(dāng)熔深H1增加到一定值（1.5 mm）后，抗剪力也達(dá)到一個穩(wěn)定值14 kN。但由表5可知，當(dāng)熔深大于1 mm，抗剪力基本在14 kN水平上下波動。由上所述，熔深大于一定值后，一定的熔寬對應(yīng)的抗剪力基本不變。

一定熔深H1下（H1≥1 mm），不同焊縫熔深值對應(yīng)接頭抗剪切力如表6所示，焊縫宏觀金相照片如圖10所示，熔深B1與疊焊接頭抗剪力關(guān)系的擬合曲線如圖11所示。從曲線來看，隨著熔深B1的增加，抗剪力不斷增加，而且呈線性增加，通過擬合，抗剪力與熔寬的關(guān)系符合式（1）：

圖4 當(dāng)激光功率為5 kW時，不同離焦量和焊接速度下的焊縫成形Fig.4 When the laser power is 5 kW，the weld formation under different defocus amount and welding speed

圖5 當(dāng)激光功率為6 kW時，不同離焦量和焊接速度下的焊縫成形Fig.5 When the laser power is 6 kW,the weld formation under different defocus amount and welding speed

表4 試驗焊縫參數(shù)Table 4 Weld parameters for welding test

圖6 熔深試驗點選取Fig.6 Selection of weld penetration test points

圖7 熔寬試驗點的選取Fig.7 Selection of weld width test points

圖8 熔深試驗接頭宏觀金相Fig.8 Macro metallographic for weld penetration

表5 不同熔深的抗剪力Table 5 Shear resistance of different weld penetration

圖9 熔深H1與疊焊接頭抗剪力關(guān)系Fig.9 Relationship between weld penetration H1and shear resistance

表6 不同熔寬的抗剪力Table 6 Shear resistance of different weld width

圖10 熔寬試驗接頭宏觀金相Fig.10 Macro metallographic for weld penetration

2.3 最優(yōu)工藝參數(shù)

表7 焊接工藝參數(shù)Table 7 Welding process parameters

通過以上試驗得到優(yōu)化的激光填絲焊工藝參數(shù)如表7所示。采用最佳工藝參數(shù)所焊接的試板照片如圖12所示，焊縫成形美觀、整齊、光滑。焊縫X射線探傷照片如圖13所示[6]。焊縫經(jīng)X射線探傷檢測，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜及裂紋等缺陷。

圖11 熔寬B1與疊焊接頭抗剪力關(guān)系Fig.11 Relationship between weld width B1 and shear resistance

圖12 焊縫照片F(xiàn)ig.12 Weld appearance

圖13 焊縫的X射線探傷照片F(xiàn)ig.13 X-ray inspection of weld

3 力學(xué)性能結(jié)果及分析

3.1 拉伸試驗

采用最優(yōu)化參數(shù)的焊接接頭拉伸試驗結(jié)果如表8所示。接頭抗剪切力分別為25 kN和26 kN，兩個數(shù)據(jù)之間波動不超過4%，說明整個接頭力學(xué)性能較為均勻，該激光焊工藝穩(wěn)定性好。拉伸試樣照片如圖14所示，拉伸試樣均斷于焊縫，主要原因是該接頭形式為疊焊接頭和剪切受力形式所致。由圖14可知，斷口周圍母材發(fā)生了較大的彎曲變形，說明焊縫有一定的承載能力，同時有較好的塑性。

表8 拉伸性能Table 8 Tensile properties

3.2 金相試驗

焊接接頭的宏觀金相如圖15所示，未見裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。

圖14 拉伸試樣Fig.14 Tensile specimen

圖15 焊接接頭宏觀金相照片F(xiàn)ig.15 Macro metallographic of welded joint

接頭各區(qū)金相組織如圖16所示。焊縫區(qū)為貝氏體+馬氏體，呈典型的柱狀晶特性。上板過熱區(qū)為貝氏體+馬氏體，下板過熱區(qū)為貝氏體，呈等軸晶；上板正火區(qū)為貝氏體+馬氏體+鐵素體，呈細(xì)等軸晶，下板正火區(qū)為貝氏體+鐵素體+少量碳化物；上板不完全正火區(qū)為鐵素體+貝氏體+馬氏體，下板不完全正火區(qū)為鐵素體+貝氏體，同時在晶間彌散分布有大量碳化物相。

3.3 硬度試驗

焊接接頭硬度試驗用于考核接頭的硬化和軟化情況。試驗采用維氏顯微硬度試驗方法，試驗結(jié)果分析曲線如圖17所示。焊縫、熱影響區(qū)的硬度值均高于母材的硬度值，存在一定的硬化傾向[5]。

4 結(jié)論

（1）在一定的焊縫熔寬范圍內(nèi)，當(dāng)焊縫熔深大于1 mm后繼續(xù)增加，剪切力基本保持不變；當(dāng)焊縫熔深固定在1 mm以上時，調(diào)整焊縫熔寬，剪切力達(dá)到的最大值26 kN。

（2）接頭抗剪切力分別為25 kN和26 kN，兩個數(shù)據(jù)之間波動不超過4%，整個接頭力學(xué)性能較為均勻，說明該激光焊工藝穩(wěn)定性好。

（3）焊接接頭的宏觀金相中未見裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。

（4）焊縫和熱影響區(qū)的硬度值均高于母材，存在一定的硬化傾向。

圖16 接頭各區(qū)金相組織Fig.16 Metallographic structure of joints

圖17 焊接接頭硬度曲線Fig.17 Hardness curve of welded joint