魏 良 ，王 娜 ，石 強(qiáng) ，王 飛 ，牛國(guó)營(yíng) ，薛 濤 ，張雪峰 ，孫 英

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

0 前言

隨著軌道車輛制造業(yè)的發(fā)展，客戶需求成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的重要導(dǎo)向，不銹鋼車體具有耐腐蝕性強(qiáng)、塑韌性好和免涂裝等特點(diǎn)，備受客戶青睞。不銹鋼車體激光焊具有傳統(tǒng)焊接無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，其焊接強(qiáng)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(shù)的特點(diǎn)

1.1 軌道車輛不銹鋼車體焊接現(xiàn)狀

美國(guó)是最早用不銹鋼制造軌道車輛的國(guó)家，美國(guó)巴德公司第一次將激光焊接技術(shù)應(yīng)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(shù)的研究，日本川崎公司最早將激光焊應(yīng)用到軌道車輛車體側(cè)墻焊接方面，德國(guó)西門子公司和美國(guó)亞特蘭大車輛公司等企業(yè)也為不銹鋼車體激光焊接技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。軌道客車不銹鋼車體不僅具有強(qiáng)度高、耐用性好、環(huán)保性高及再生性高等特點(diǎn)，同時(shí)具有車體牢固性好、外觀精致、使用壽命長(zhǎng)和焊接效率高等優(yōu)勢(shì)，逐漸受到行業(yè)人士的追捧[1]。

1.2 激光焊接原理及特點(diǎn)

激光焊是將光強(qiáng)較高的激光束輻射到焊接工件表面，通過(guò)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(shù)，按激光輸出功率密度可分為激光深熔焊和激光傳導(dǎo)焊兩類。在深熔焊中，激光功率密度大于1×105W/cm2時(shí)，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(dǎo)焊中，激光功率密度小于1×105W/cm2時(shí)，在小熱熔下釋放熱量無(wú)法熔化工件表面的金屬，其熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞到內(nèi)部金屬組織。激光焊原理如圖1所示。其特點(diǎn)是：焊接速度快、焊接能量高、熱影響區(qū)域小、環(huán)保性能好和設(shè)備自動(dòng)化水平高等。

圖1 激光焊接原理

1.3 激光焊與電阻點(diǎn)焊的優(yōu)缺點(diǎn)比較

激光焊焊縫是連續(xù)的，電阻點(diǎn)焊焊縫是點(diǎn)式結(jié)合的，相比電阻點(diǎn)焊，激光焊的優(yōu)勢(shì)有：

（1）焊接過(guò)程中無(wú)須添加焊材，通過(guò)激光使兩基材相互作用結(jié)合；可進(jìn)行單面焊接，較電阻點(diǎn)焊雙面焊接，焊接預(yù)留焊邊量減少，可大幅度減輕車體質(zhì)量，有助于車體輕量化設(shè)計(jì)。

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

（3）焊接速度快，焊接基材變形量小，連續(xù)性焊縫，車體鋼結(jié)構(gòu)淋雨密封性高；激光光束集中，容易控制，可達(dá)性好，可進(jìn)行特殊環(huán)境和特殊區(qū)域焊接[2]。

圖2 激光焊與電阻點(diǎn)焊外觀對(duì)比

激光焊的缺點(diǎn)為：

（1）作為新型焊接技術(shù)，缺乏一套有效、成熟的焊接指導(dǎo)體系。

（2）焊接設(shè)備昂貴，維修成本及維修費(fèi)用高，設(shè)備維修人員技能要求高。

（3）原材料要求高，表面不平度應(yīng)控制在0.1mm以內(nèi)，焊接錯(cuò)臺(tái)不超過(guò)0.1 mm，增加原材料成本。

（4）焊接程序復(fù)雜，制造工藝難度大，工裝成本投入較大，導(dǎo)致車輛產(chǎn)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(shè)備的激光工序、設(shè)備焊接速度、工件的進(jìn)入角度和焊接搭接方式等主要工藝參數(shù)；不銹鋼車體的焊接方法對(duì)焊接質(zhì)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(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)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(xué)成分和力學(xué)性能分別如表2、表3所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.2.1 焊接設(shè)備

設(shè)備主要包括龍門激光焊接系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、激光器、激光焊頭、激光功率檢測(cè)裝置、光纖傳輸系統(tǒng)、工裝、氣體保護(hù)裝置、水冷系統(tǒng)、煙塵處理系統(tǒng)、焊接作業(yè)區(qū)安全保護(hù)間和安全裝置等[3]。焊接龍門為橋式結(jié)構(gòu)，承載立柱與激光防護(hù)房采用整體化設(shè)計(jì)，移動(dòng)龍門橫梁的X軸軌道安裝在立柱和激光防護(hù)房上部。承載立柱具有足夠剛性和穩(wěn)定性，承載立柱數(shù)量和間距設(shè)計(jì)合理，保證龍門焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的焊接作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)用于各軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行、激光器、龍門激光焊接系統(tǒng)和焊接參數(shù)等的管理，在程序中斷或是控制電源被切斷的情況下，儲(chǔ)存程序狀態(tài)和焊接位置，具有在線示教及離線編程功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作焊接，并配備離線編程的硬件及軟件設(shè)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?qū)崿F(xiàn)中、英文快速切換。設(shè)備具有友好的人機(jī)對(duì)話界面，能夠?qū)崿F(xiàn)高效便捷的操作控制，并具有遠(yuǎn)程診斷功能。激光焊接設(shè)備如圖5所示。

表2 SUS301L奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分 %

表3 SUS301L奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能

圖3 激光焊接設(shè)備

2.2.2 激光焊接頭端面試驗(yàn)方法

根據(jù)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(jìn)行激光疊焊接頭端面試驗(yàn)，需檢測(cè)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(jìn)行不銹鋼軌道車輛產(chǎn)品激光疊焊工藝評(píng)定或工藝參數(shù)優(yōu)化。

（1）激光焊接試件。

試件由試驗(yàn)片焊接而成，試驗(yàn)片的形狀及尺寸如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)片形狀及尺寸

試驗(yàn)片數(shù)量和試驗(yàn)項(xiàng)目分別如表4、表5所示。

表4 試驗(yàn)片數(shù)量

表5 試驗(yàn)項(xiàng)目

（2）激光焊取樣。

針對(duì)與板面垂直的斷面進(jìn)行取樣，位置如圖5所示。選擇冷切割方式以確保對(duì)被檢驗(yàn)表面不產(chǎn)生變形和相變影響。

（3）疊焊下板熔深及疊焊接頭熔寬的測(cè)定方法。

測(cè)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(shí)，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(guī)定值即為合格[3]。

2.2.3 激光焊接頭標(biāo)準(zhǔn)疲勞試件的剪切拉伸疲勞試驗(yàn)

按照選取的疊焊金屬板材，在室溫大氣環(huán)境下進(jìn)行疊焊的單段激光焊接頭標(biāo)準(zhǔn)疲勞試件的剪切拉伸疲勞試驗(yàn)，載荷比為0～0.2。將剪切疲勞試件安裝在疲勞試驗(yàn)機(jī)夾頭之間，施加循環(huán)拉伸載荷的疲勞力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試[5]。循環(huán)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，F(xiàn)m=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(biāo)準(zhǔn)值

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

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取12根試件分析載荷受力情況，繪制F-n曲線，R應(yīng)小于或等于0.1，相鄰兩個(gè)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(gè)載荷范圍需要2個(gè)以上有效試件；試驗(yàn)中載荷參數(shù)應(yīng)同步調(diào)整；試驗(yàn)頻率為3～60 Hz；載荷范圍（N）有效數(shù)字為3位。循環(huán)數(shù)從達(dá)到指定載荷范圍開(kāi)始計(jì)數(shù)。縱軸為載荷范圍，橫軸為循環(huán)數(shù)，采用雙對(duì)數(shù)或單對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制，F(xiàn)-n曲線如圖9所示。

圖7 試板與試驗(yàn)件形狀

圖8 試驗(yàn)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(xué)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(zhì)量與力學(xué)性能的主要因素。焊縫熔寬、熔深與搭接接頭拉剪載荷的關(guān)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(xué)性能呈上升趨勢(shì)。因此，可采用焊縫熔寬、熔深間接評(píng)價(jià)接頭的力學(xué)性能（拉剪載荷）。熔寬、熔深與焊接線能量的關(guān)系如圖11所示。

圖10 熔寬、熔深與搭接接頭拉剪載荷的關(guān)系

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)SUS301L不銹鋼搭接接頭的疲勞性能進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

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

（2）在高載荷條件下疲勞裂紋在焊縫和下板中擴(kuò)展，斷裂于焊縫；在中、低載荷條件下，疲勞裂紋在下板中擴(kuò)展，擴(kuò)展方向近似平行于板厚，斷裂發(fā)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(guān)，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(guān)系