激光焊典型對接接頭焊接性能研究

高瑞全，韓曉輝，何智勇，趙延強

(南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266000)

0 前言

激光焊是通過聚焦高能量的激光束，在移動過程中照射到被連接部位的表面進行高效焊接的方法。作為一種成熟的熔化焊工藝，激光焊在歐洲和日本的不銹鋼軌道車輛的車體制造中已得到廣泛應(yīng)用。主要用于不銹鋼車體側(cè)墻、端墻等外露部件的焊接，能夠大大提升不銹鋼車輛的商品化質(zhì)量和制造工藝水平。

激光焊與電阻焊及各種氣體保護焊相比，其突出優(yōu)點是光束狹窄、能量高、速度快、熱影響區(qū)小及焊縫質(zhì)量好，更能滿足車體外觀及強度的要求[1-2]。在此主要研究奧氏體不銹鋼材料激光焊對接接頭外觀形貌、力學(xué)性能、金相組織及硬度等焊接性能。

1 試驗方法

1.1 試驗材料和設(shè)備

試板材料為2-SUS301L-ST；機械性能見表1，材料化學(xué)成分見表2；試板尺寸400 mm×200 mm×2 mm，焊接沿長度方向進行；焊接設(shè)備：CO2激光焊接系統(tǒng)（P=6 000 W）。

表1 2-SUS301L-ST的機械性能

1.2 試驗方法

首先使用丙酮溶液將焊接試板表面擦拭干凈、去油去污，然后采用激光焊接專用夾具將試板固定在工裝上。用選定參數(shù)進行激光對接焊接試驗，焊接參數(shù)和編號如表3所示。

表2 SUS301L的化學(xué)成分 %

表3 對接焊接參數(shù)及結(jié)果

1.3 試樣檢驗

（1）外觀檢測和無損探傷。

按EN970[3]進行外觀檢測，采用Olympus-SZ61體視顯微鏡和放大鏡觀察激光焊接頭的表面及背面成形。按標準EN571-1[4]進行外觀和著色探傷試驗。試板按標準EN 1435[5]進行100%焊縫X射線探傷。

（2）激光焊接試樣機械性能試驗。

試樣接頭拉伸試板兩側(cè)各去除20 mm后為試樣取樣區(qū)，采用機械加工制備焊縫拉伸試樣、彎曲試樣，根據(jù)標準EN895：1995[6]進行標準接頭的拉伸試驗，根據(jù)EN 910：1996[7]標準進行彎曲試驗。采用顯微硬度儀對焊縫顯微硬度分布進行測量。焊縫橫截面取點如圖1所示。

圖1 焊縫橫截面硬度計取點示意

（3）激光焊接接頭組織及缺陷檢測分析。

采用線切割工藝沿焊縫橫截面取樣，試樣尺寸25 mm×15 mm×2 mm，采用Olympus-SZ61體視顯微鏡觀測焊接接頭宏觀形貌，尤其是激光焊縫開關(guān)光位置的形貌。采用Olympus-PMG3金相顯微鏡檢測焊接接頭微觀形貌，尤其是焊縫的激光開關(guān)光位置的形貌，檢查有無氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 外觀檢測和無損探傷

據(jù)標準EN 1321[8]《金屬材料焊接的破壞試驗.焊接的宏觀和微觀檢驗》對焊縫進行了宏觀檢測，焊縫成形良好，焊縫均勻，未發(fā)現(xiàn)有裂紋、咬邊、未熔合等缺陷。對所有試樣開關(guān)光處進行了低倍顯微鏡（20倍）宏觀觀察，未發(fā)現(xiàn)表面有明顯的焊接缺陷。

根據(jù)EN571-1《無損檢測—PT試驗》（著色探傷）對所有焊縫進行PT探傷，結(jié)果均合格，說明對接間隙在0～0.2 mm的激光焊對接接頭在起弧、收弧處無焊接缺陷，焊縫質(zhì)量合格。根據(jù)標準EN 1435《無損檢測—RT試驗》對所有對接焊縫進行了X射線探傷，結(jié)果表明所有焊縫均為一級焊縫，一次合格率為100%。

2.2 焊縫的機械性能試驗結(jié)果及分析

（1）焊縫拉伸試樣。

根據(jù)EN 895《金屬材料焊縫破壞試驗—橫向拉伸試驗》測試對接接頭的抗拉強度。試驗結(jié)果如表4所示。

由拉伸試驗結(jié)果可知：所有拉伸試樣在拉伸試驗過程中均斷在母材，平均強度均大于786 MPa，高于母材強度760 MPa；表明無論是純氬氣保護還是混合氣體保護，激光焊接接頭的抗拉強度都高于母材，0.2 mm間隙量對接頭強度幾乎無影響。

（2）彎曲試驗。

根據(jù)EN 910《金屬材料焊接的破壞試驗 彎曲試驗》進行彎曲試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

由彎曲試驗結(jié)果可知：激光焊接頭都具有較好的韌性，彎曲180°，無明顯裂紋產(chǎn)生。純氬氣保護與混合氣體保護所得接頭彎曲試驗結(jié)果無區(qū)別；0.2mm間隙與無間隙接頭彎曲試驗結(jié)果也無區(qū)別，說明激光焊接頭塑性、韌性較好。

表4 試樣拉伸試驗結(jié)果

表5 彎曲試驗結(jié)果

（3）焊縫的顯微硬度。

不同接頭各位置顯微硬度分布曲線如圖2所示。由圖2可知，激光對接接頭中的母材顯微硬度要略高于焊縫顯微硬度，由于母材經(jīng)過固溶處理晶粒較細小，硬度較高，焊縫組織多為柱狀晶，硬度略低。比較電弧對接與激光對接接頭顯微硬度可知，激光焊接接頭焊縫顯微硬度明顯高于電弧焊對接接頭，顯微硬度值約高出約25%。

圖2 焊縫顯微硬度分布

2.3 激光焊接接頭組織及缺陷檢測分析

據(jù)標準EN 1321《金屬材料焊接的破壞試驗焊接的宏觀和微觀檢驗》對部分焊縫進行宏觀及微觀組織觀察。采用Olympus-SZ61體視顯微鏡觀測焊接接頭宏觀形貌；采用Olympus-PMG3金相顯微鏡觀察顯微形貌。宏觀、微觀金相組織如圖3、圖4所示。

圖3 激光焊接頭宏觀組織

由圖3、圖4可知，純氬氣保護下，焊接速度1 m/min時熔池形狀為V型，2 m/min時則為Y型；混合氣體保護時熔池形態(tài)都為Y型；隨著焊接速度的提高，焊縫截面積不斷減小。

激光焊接接頭焊縫組織多為細小的柱狀組織，熱影響區(qū)多分布在Y型熔池的中部熔合線外側(cè)，為尺寸略大的等軸晶。電弧焊對接接頭焊縫組織細小，熱影響區(qū)為垂直于熔合線的柱狀晶。焊接速度1 m/min時，熔池太大會造成較大變形，且熱影響區(qū)明顯不利于接頭強度，所以在可能的條件下，盡量選擇較快的焊接速度。

圖4 接頭焊縫微觀組織

3 結(jié)論

（1）激光焊接工件裝置間隙不大于0.2 mm時，激光焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形均勻美觀，未發(fā)現(xiàn)裂紋、咬邊、未熔合等外觀缺陷，無損探傷未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺欠。

（2）力學(xué)性能試驗結(jié)果表明：激光焊接接頭平均拉伸強度為786 MPa，彎曲試驗未發(fā)現(xiàn)裂紋，具有比母材更高的抗拉伸強度和良好的塑性，且不大于0.2 mm的裝配間隙對激光焊接接頭力學(xué)性能無影響。

（3）激光焊對接接頭顯微硬度約為250 HV，硬度指標高于電弧焊25%。

（4）激光焊縫的微觀組織均為柱狀晶奧氏體組織，相比電弧焊粗大熱影響區(qū)組織，激光焊熱影響區(qū)顯微組織致密、晶粒細小。

[1]吳 軍，李 亮.激光焊及其在國外汽車生產(chǎn)上的應(yīng)用[J].汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，22(6)：33-36.

[2]王海林，黃維玲，周卓尤，等.8 mm厚不銹鋼板的Nd∶YAG激光焊接[J].中國激光，2003，30(5)：463-466.

[3]EN 970，熔焊的無損檢驗-目檢[S].

[4]EN 571-1，無損檢驗.滲透檢驗.第1部分：一般原理[S].

[5]EN 1435，焊縫無損檢測—焊接接頭射線檢查[S].

[6]EN 895，金屬材料焊縫破壞試驗—橫向拉伸試驗[S].

[7]EN 910，金屬材料焊縫破壞試驗—彎曲試驗[S].

[8]EN 1321，金屬材料焊接的破壞試驗.焊接的宏觀和微觀檢驗[S].