鄒寧翔

（中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證有限公司湖南分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

軌道交通車輛制造行業(yè)的快速發(fā)展對(duì)車體結(jié)構(gòu)的要求越來(lái)越高[1]。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)在滿足高強(qiáng)度和高質(zhì)量要求時(shí)遇到一些挑戰(zhàn)，因此需要新的焊接技術(shù)解決這些問(wèn)題[2]。作為一種先進(jìn)的焊接方法，激光焊接技術(shù)具有能量密度高、能精確控制焊接過(guò)程和無(wú)須接觸的特點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用[3]。激光焊接技術(shù)在軌道交通車輛制造中的應(yīng)用對(duì)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。通過(guò)采用激光焊接技術(shù)，車體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和強(qiáng)度得到了顯著提升，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。

1 部分熔透激光疊焊工藝

部分熔透激光疊焊（PPTAW）工藝在車體制造中具有廣泛應(yīng)用。在汽車車身制造中，常常需要將不同的結(jié)構(gòu)件連接在一起，例如車頂與車身側(cè)板的連接、前后車門(mén)與車身的連接等[4]。部分熔透激光疊焊工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度、高質(zhì)量連接，避免熱變形和熱影響區(qū)域擴(kuò)展。汽車車身外板通常由多個(gè)薄板拼接而成。部分熔透激光疊焊工藝能夠精確拼接薄板，確保焊縫的均勻性和質(zhì)量，同時(shí)減少氣孔和缺陷[5]。車門(mén)是汽車車身的重要組成部分，對(duì)焊接質(zhì)量要求較高。部分熔透激光疊焊工藝能夠高質(zhì)量焊接車門(mén)內(nèi)板和外板，確保焊縫的密封性和強(qiáng)度。在車身制造過(guò)程中，有時(shí)需要對(duì)焊接缺陷進(jìn)行修復(fù)或補(bǔ)焊。部分熔透激光疊焊工藝能夠精確修復(fù)焊接缺陷，提高車身的整體質(zhì)量。

針對(duì)不銹鋼板的激光焊接，該文采用了TEM00 模式連續(xù)波（CW）盤(pán)式激光器（Trudisk4002）。該激光器額定功率為4kW，光束質(zhì)量為8mm·mrad，激光波長(zhǎng)為1.06μm。

激光器輸出功率（P）與泵浦功率（Pp）間的轉(zhuǎn)換效率（η）為η=P/Pp。激光器的光斑直徑（D）和光斑面積（A）間的關(guān)系為D=2×√（A/π）。激光器的光強(qiáng)（I）和光斑面積（A）間的關(guān)系為I=P/A。激光器的光束質(zhì)量因子（M2）和光斑直徑（D）間的關(guān)系為M2=（π·D2·θ2）/（4·λ），其中θ為光束發(fā)散角，λ為激光波長(zhǎng)。

根據(jù)焦點(diǎn)最小直徑為0.6mm 的要求，選擇焦距為200mm的激光焦點(diǎn)頭。根據(jù)焊接材料的特性和焊接要求，選擇適當(dāng)?shù)募す夤β?。激光密度可以通過(guò)焦點(diǎn)最小直徑和激光功率計(jì)算得出，即激光密度=激光功率/（π·（焦點(diǎn)最小直徑/2）2）。激光聚焦點(diǎn)直徑可以通過(guò)焦點(diǎn)最小直徑和焦距計(jì)算得出，即聚焦點(diǎn)直徑=（焦距/激光束直徑）×（焦點(diǎn)最小直徑/2）。根據(jù)氬氣保護(hù)的需求，選擇適當(dāng)?shù)臍鍤饬魉俸蛧娮熘睆?。該文假設(shè)氬氣流速為30L/min，噴嘴直徑為8mm。氬氣流速密度可以通過(guò)氬氣流速和焦點(diǎn)最小直徑計(jì)算得出，即氬氣流速密度=氬氣流速/（π·（焦點(diǎn)最小直徑/2）2）。比較激光功率密度和氬氣流速密度，保證激光功率密度大于氬氣流速密度，以確保焊接過(guò)程中的氣氛穩(wěn)定。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，設(shè)置激光焦點(diǎn)頭和氬氣保護(hù)的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)1mm+2mm 組合式樣的部分熔透激光疊焊，如圖1 所示。在焊接過(guò)程中，將激光聚焦在試樣表面，通過(guò)參數(shù)控制，使激光束照射到材料中而不穿透。

圖1 部分熔透激光疊焊的工藝機(jī)理

2 部分熔透激光疊焊參數(shù)優(yōu)化

評(píng)價(jià)不銹鋼薄板激光疊焊接頭質(zhì)量時(shí)，可以考慮如下2個(gè)重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：搭接接頭的剪切載荷和下板外表質(zhì)量。1）剪切載荷是指焊接接頭承受外力作用時(shí)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過(guò)施加剪切力來(lái)測(cè)試焊接接頭的強(qiáng)度，可以評(píng)估焊接接頭的負(fù)荷承載能力，即剪切載荷=施加的剪切力/焊接接頭的面積。較高的剪切載荷說(shuō)明焊接接頭的連接牢固，能夠承受較大的力，具有良好的強(qiáng)度和可靠性。2）下板外表質(zhì)量是指焊接接頭下方的板材表面質(zhì)量。在焊接過(guò)程中，如果下板外表出現(xiàn)明顯的瑕疵、凹陷或氣孔等缺陷，會(huì)降低接頭的質(zhì)量和美觀度，并可能影響接頭的強(qiáng)度。因此，評(píng)價(jià)下板外表質(zhì)量可以反映焊接接頭的工藝控制水平和焊接質(zhì)量。評(píng)價(jià)搭接接頭的剪切載荷和下板外表質(zhì)量時(shí)，使用剪切試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭施加剪切力，記錄剪切載荷的最大值。較高的剪切載荷值表示焊接接頭具有較好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。對(duì)焊接接頭下方板材的外表進(jìn)行檢查和評(píng)估時(shí)，可以使用目測(cè)或顯微鏡等工具來(lái)檢查是否存在瑕疵、凹陷或氣孔等缺陷。根據(jù)實(shí)際情況評(píng)估下板外表質(zhì)量的等級(jí)。

在7 個(gè)激光功率水平（800W～1400W）和5 個(gè)焊接速度水平（20mm/s～40mm/s）下進(jìn)行35 組焊接參數(shù)試驗(yàn)，并對(duì)剪切載荷工況下的下板外表面質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。記錄每組焊接參數(shù)下和剪切載荷工況下的下板外表面質(zhì)量評(píng)分，用Q表示，范圍為0～100。計(jì)算每組焊接參數(shù)的激光功率水平P（W）和焊接速度V（mm/s）的平均值，記作Pavg和Vavg。計(jì)算每組焊接參數(shù)的激光功率水平P（W）和焊接速度V（mm/s）的標(biāo)準(zhǔn)差，記作Pstd和Vstd。根據(jù)公式（1）計(jì)算每組焊接參數(shù)的質(zhì)量得分。

式中：Pmin和Pmax分別為激光功率水平的最小值和最大值；Vmin和Vmax分別為焊接速度水平的最小值和最大值。

通過(guò)公式（1）可以得出每組焊接參數(shù)的質(zhì)量得分Q。不銹鋼薄板激光搭接焊接工藝窗口如圖2 所示，隨著焊接速度增加，剪切載荷和下板外表面質(zhì)量會(huì)有所提高。但當(dāng)焊接速度過(guò)高時(shí)，剪切載荷和下板外表面質(zhì)量開(kāi)始下降。此外，激光功率的選擇也對(duì)剪切載荷和下板外表面質(zhì)量有顯著影響。較高的激光功率可以提高剪切載荷，但同時(shí)也會(huì)增加下板外表面的缺陷和瑕疵。

圖2 不銹鋼薄板激光搭接焊接工藝窗口

焊接速度是指焊接過(guò)程中焊接頭在單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離。不銹鋼薄板激光疊焊接頭的焊接速度對(duì)線能量和熔深有顯著影響。線能量是指單位長(zhǎng)度的焊接能量，計(jì)算公式為線能量=激光功率/焊接速度。

光斑直徑為0.6mm，激光功率為1200W，焊接速度為30mm/s。根據(jù)該公式，線能量=1200W/30mm/s=40J/mm。

線能量的大小可以影響焊接接頭的強(qiáng)度和質(zhì)量。較高的線能量可以提供足夠的熱量，使焊縫充分融化和熔合，從而形成較好的焊接接頭。但過(guò)高的線能量可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的熱輸入，使焊接接頭產(chǎn)生變形和裂紋。此外，焊接速度還會(huì)影響熔深。熔深是指焊縫的深度，可以通過(guò)焊接速度來(lái)控制。較高的焊接速度會(huì)使熔深變小，而較低的焊接速度則會(huì)增加熔深。適當(dāng)?shù)娜凵羁梢源_保焊接接頭的強(qiáng)度和質(zhì)量。

通過(guò)選擇合適的參數(shù)，如光斑直徑、激光功率和焊接速度，可以確保搭接接頭的剪切強(qiáng)度和下板外表面質(zhì)量。上述例子選擇了0.6mm 的光斑直徑、1200W 的激光功率和30mm/s 的焊接速度，通過(guò)計(jì)算得出適當(dāng)?shù)木€能量并控制了熔深，從而使焊接接頭的質(zhì)量得到了保障。因此需要根據(jù)具體應(yīng)用需求和材料特性進(jìn)行參數(shù)選擇和調(diào)整，以取得最佳的焊接效果。

3 部分熔透激光疊焊疲勞性能測(cè)試

使用高頻疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)（PLG-20D）對(duì)SUS301L 不銹鋼的電阻點(diǎn)焊和激光疊焊接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

疲勞壽命（N）和應(yīng)力幅（Δσ）間的關(guān)系如公式（2）所示。

式中：A和B是材料相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)，可以通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

在一組不同的應(yīng)力幅（Δσ）下進(jìn)行一系列疲勞試驗(yàn)，記錄下每個(gè)應(yīng)力幅下的疲勞壽命（N），然后將這些數(shù)據(jù)繪制成S-N曲線。疲勞極限（σf）和疲勞強(qiáng)度系數(shù)（Kf）的關(guān)系如公式（3）所示。

式中：Nf是疲勞壽命；σ是材料的表面硬度。

應(yīng)力幅（Δσ）的計(jì)算如公式（4）所示。

式中：σmax為最大應(yīng)力；σmin為最小應(yīng)力。

平均應(yīng)力（σm）的計(jì)算如公式（5）所示。

降伏應(yīng)力（σy）可以通過(guò)材料的拉伸試驗(yàn)或硬度測(cè)試得到。

極限應(yīng)力幅（Δσf）的計(jì)算如公式（6）所示。

式中：σf為疲勞極限。

疲勞比（R）的計(jì)算如公式（7）所示。

疲勞壽命（N）的計(jì)算如公式（8）所示。

式中：C、m、a和b是與材料和試驗(yàn)條件相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)。

通過(guò)升降法得到2 種焊接接頭的疲勞壽命曲線，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 電阻點(diǎn)焊與激光疊焊的疲勞壽命曲線對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)疲勞壽命循環(huán)次數(shù)達(dá)到107 時(shí)，搭接激光焊接接頭的疲勞極限為4543N。比相同循環(huán)次數(shù)下電阻點(diǎn)焊接頭的疲勞極限（2758N）高1.63 倍。疲勞極限是指材料在循環(huán)加載下能夠承受的最大應(yīng)力。在工程應(yīng)用中，疲勞壽命是衡量材料使用壽命的重要指標(biāo)之一。疲勞壽命循環(huán)次數(shù)越大，表示材料在循環(huán)加載下的耐久性越好。

搭接激光焊接接頭的疲勞極限為4543N，表明在疲勞壽命循環(huán)次數(shù)達(dá)到107 時(shí)，該接頭能夠承受的最大應(yīng)力為4543N。而相同循環(huán)次數(shù)下電阻點(diǎn)焊接頭的疲勞極限為2758N，表明該接頭在相同的循環(huán)次數(shù)下承受的最大應(yīng)力只有2758N。通過(guò)比較2 種接頭的疲勞極限，可以看出搭接激光焊接接頭比電阻點(diǎn)焊接頭的疲勞極限高1.63 倍，說(shuō)明搭接激光焊接接頭在循環(huán)加載下具有更好的耐久性和強(qiáng)度。搭接激光焊接接頭具有更好的焊接質(zhì)量和焊縫完整性，使其能夠承受更大的應(yīng)力而不會(huì)出現(xiàn)斷裂。這對(duì)需要承受高應(yīng)力和長(zhǎng)時(shí)間使用的結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)具有重要意義。

4 車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

將部分熔透激光疊焊技術(shù)應(yīng)用于軌道交通車輛的不銹鋼車體時(shí)，需要對(duì)車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)激光疊焊的技術(shù)特點(diǎn)。如圖4 所示。

圖4 激光疊焊車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)

這種巧妙的設(shè)計(jì)避免了立柱與外墻板在拉絲方向上形成垂直的接縫，從而可顯著提高側(cè)墻的平整度、美觀度和強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)相比，激光焊接的焊縫密度提高樂(lè)20%。經(jīng)過(guò)整體靜強(qiáng)度測(cè)試，新型不銹鋼城軌客車的車體成功通過(guò)EN12663《鐵路車輛車身結(jié)構(gòu)要求》中的相關(guān)檢驗(yàn)。該結(jié)果充分驗(yàn)證激光疊焊車體結(jié)構(gòu)的合規(guī)性，使新型車體在性能和質(zhì)量方面均達(dá)到要求的水平。

5 結(jié)論

作為一種新型的焊接技術(shù)，激光疊焊接頭具有許多優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高強(qiáng)度和高質(zhì)量的車體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊接頭相比，SUS301L 不銹鋼激光疊焊接頭具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，它的外表面非常美觀，幾乎沒(méi)有焊接痕跡，提高了車體的整體外觀質(zhì)量。其次，激光疊焊接頭的剪切強(qiáng)度高于電阻點(diǎn)焊接頭，表明激光疊焊接頭承受剪切力時(shí)更穩(wěn)固、可靠。在疲勞壽命方面，當(dāng)SUS301L 不銹鋼搭接激光焊接接頭的疲勞壽命為107 時(shí)，其疲勞極限為4543N，相比下，電阻點(diǎn)焊接頭的疲勞極限只有2758N，表明激光疊焊接頭的疲勞性能明顯優(yōu)于電阻點(diǎn)焊接頭。激光疊焊接頭的應(yīng)用還能減少不銹鋼板去膜、除黑和防護(hù)等煩瑣工序，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，激光疊焊接頭在車體結(jié)構(gòu)方面的性能非常出色。激光疊焊接頭的成功應(yīng)用對(duì)提升產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。它不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)軌道交通車輛制造領(lǐng)域中激光焊接技術(shù)應(yīng)用的空白，還實(shí)現(xiàn)了軌道客車領(lǐng)域核心技術(shù)的突破。通過(guò)采用激光疊焊接頭，車體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和強(qiáng)度得到顯著提升，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。這些優(yōu)勢(shì)將使產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。