不銹鋼車體搭接接頭激光非熔透焊接工藝及其拉剪性能

溫 鵬 鄔瑞峰 王秀義 安 吉 王小龍 張 炎

1.清華大學先進成形制造教育部重點實驗室,北京，1000842.天津北車軌道裝備有限公司,天津，3003003.唐山軌道客車有限責任公司,唐山，0630004.東方電氣集團東方電機有限公司,德陽，618000

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不銹鋼車體搭接接頭激光非熔透焊接工藝及其拉剪性能

溫 鵬1鄔瑞峰2王秀義3安 吉2王小龍4張 炎1

1.清華大學先進成形制造教育部重點實驗室,北京，1000842.天津北車軌道裝備有限公司,天津，3003003.唐山軌道客車有限責任公司,唐山，0630004.東方電氣集團東方電機有限公司,德陽，618000

針對高強不銹鋼車體常用的301L不銹鋼搭接接頭，采用不同光斑直徑光纖激光器和焊接工藝參數，進行激光非熔透焊接工藝研究，獲得了激光焊接工藝參數對焊縫成形質量、表面熱影響痕跡、焊縫熔化形狀和接頭拉剪性能的影響規律，并對激光焊接工藝參數的優化原則和方法進行了討論。結果表明，對于0.8mm內板(301L-H)和1.5mm外板(301L-1.4318)組合，當激光聚焦光斑直徑不小于0.4mm且功率大于2kW時，能在較大的參數窗口內確保搭接接頭外觀和力學性能滿足要求；對于光斑直徑為0.4mm的光纖激光器，為確保無熱影響區痕跡，應精確控制熔深小于1.4mm，為確保拉剪性能大于等價電阻焊接頭，結合面熔寬應大于0.8mm；對于母材強度高于930MPa的301L-H不銹鋼板搭接接頭，剪切拉伸斷裂位置始終位于內外板結合面的焊縫處，接頭承載能力與結合面熔寬線性相關。

不銹鋼；激光焊接；搭接；軌道交通

0 引言

相比于碳鋼，不銹鋼同時具有強度高、焊接性好、易于冷加工和無需涂裝等特點，采用薄壁不銹鋼車體不僅可以大幅減重，而且具有外形美觀、價格適中等優點，在地鐵和輕軌等城市通勤用列車中應用比重逐步提高。不銹鋼的熱導率小，熱膨脹系數大，作為用于低中速行駛的不銹鋼車體的大型薄壁焊接結構材料，大量采用了電阻點焊接頭。然而，電阻點焊不可避免地在車體表面留下電極壓痕，且大量電阻焊接頭容易造成外板的波紋起伏，影響車體美觀和性能。激光焊接能量密度高且精確可控，具有高質量、高效率和高柔性等優點，采用非熔透的激光焊接方法，不僅可以避免外板外表面的熱影響痕跡，而且能獲得比電阻焊變形更小和剛度更高的焊接接頭[1]。目前，日本已經采用激光焊接批量生產不銹鋼車體，受到市場的一致好評[2-4]。國內不銹鋼軌道車輛的制造目前仍采用電阻焊工藝，為了提高產品競爭力，正在對不銹鋼車體的激光焊接工藝進行嘗試，已有一些研究報道[5-13]，但尚無實際生產應用。

王洪瀟等[5-6]和李磊[7]對板厚組合1 mm+2 mm的301L不銹鋼進行了YAG激光搭接焊，利用響應曲面法對工藝參數進行優化，獲得了背面無熱影響痕跡的接頭，最大拉伸力27.56 kN。劉佳等[8-9]對更高強度的301L不銹鋼(抗拉強度758 MPa)進行了Nd:YAG激光搭接焊，板厚組合0.8 mm+1.5 mm，光斑直徑0.6 mm，獲得的優化工藝參數窗口為：激光功率3.50～3.79 kW、焊接速度7.40～8.00 m/min、激光入射角度65°(激光入射方向與焊接方向垂直)、離焦量0、氮氣保護，獲得的單位長度最大拉伸力為0.58 kN/mm。上述研究均為采用YAG激光器進行焊接的結果，獲得的工藝參數窗口較窄，且激光入射角度的改變會造成焊縫形狀沿中心軸線呈不對稱狀態，不利于保證接頭性能。大功率YAG激光器光束質量較差，光束質量(beam parameter product, BPP)約25 mm·rad，聚焦光斑直徑一般在0.4 mm以上，目前已逐漸被光束質量好、維護成本低的光纖激光器替代。光纖激光器光束質量好(BPP最小可到2 mm·rad)，聚焦光斑直徑在0.1～0.6 mm之間。小的光斑直徑有利于獲得大的深寬比和小的焊接變形，但搭接面熔寬是確保搭接接頭力學性能的關鍵指標，需要一定的光斑直徑才能滿足要求。

不銹鋼車體搭接接頭激光非熔透焊接工藝的關鍵是控制熔化形狀，理想熔化形狀表現為合適的熔深和較大的結合面熔寬[10-11]。然而，對于不同聚焦光斑直徑，如何在較大工藝參數窗口內獲得滿足要求的熔化形狀尚未見明確報道。另外，目前不銹鋼車體所用301L-H不銹鋼的拉伸強度已接近1000 MPa，對這一類高強不銹鋼激光搭接焊接頭的力學性能的研究尚少。本文采用不同光斑直徑的光纖激光器和焊接工藝參數，對301L-H不銹鋼0.8 mm+1.5 mm板厚組合進行激光焊接工藝研究，對激光器參數和優化工藝參數窗口的確定原則進行討論，給出獲得外形美觀且力學性能良好的非熔透搭接接頭的工藝方法，并對接頭拉伸性能進行分析。

1 實驗材料與方法

母材為301L奧氏體不銹鋼，板厚組合為內板0.8 mm、外板1.5 mm。內板材質符合日本標準JIS G 4305-2005，鋼種為00Cr17Ni7，牌號為SUS301L-H，拉伸強度超過960 MPa；外板材質符合歐洲標準EN10088-2:2005，鋼種為X2CrNiN18-7，牌號為1.4318，拉伸強度超過820 MPa；外板外表面采用拉絲處理。圖1為激光搭接接頭示意圖，母材尺寸為105 mm×45 mm，搭接量為35 mm。內外板試樣由琴鍵式壓鉗固定在夾具上，焊前通過壓緊以保證內外板無間隙，外板背面壓在紫銅板上以增進導熱。搭接實驗前，采用厚4 mm的304奧氏體不銹鋼進行激光平板自熔焊接，研究不同工藝參數對熔深形狀的影響。

圖1 激光搭接焊接頭示意圖Fig.1 Schematic diagram of overlap laser welded joint

表1所示為實驗采用的激光器及其主要參數。受實驗條件所限，同一臺激光器無法獲得實驗所需的不同聚焦光斑直徑，為了獲得不同的聚焦光斑直徑，本文采用了3臺不同輸出功率的光纖激光器。聚焦光斑直徑由激光器光束質量和外光路決定。光束質量越好，理論上可實現的聚焦光斑越小；外光路主要指加工光纖芯徑d、聚焦透鏡焦距f和準直鏡距離l，聚焦光斑直徑ds與d和f成正比，與l成反比。激光焊接工藝參數包括激光功率P、焊接速度v、聚焦光斑直徑ds、離焦量df、激光入射角度α和保護氣體。根據文獻研究和先期實驗結果，在與焊接方向垂直的平面上改變激光入射角度，可以提高結合面熔寬，但會獲得沿焊縫中心線不對稱的焊縫熔化形狀[9]。這種不對稱的焊縫對車體的整體力學性能有不良影響，應盡量避免?？紤]到現有的電阻點焊接頭并未采用保護氣氛，亦有文獻指出保護氣氛對薄板激光搭接焊接頭性能無不良影響[10]，因此，將激光入射角度固定為90°，將保護氣氛固定為大氣環境。

表1 實驗用激光器及其參數

焊接完成后，經過線切割、鑲樣、粗磨、精磨和拋光后制成金相試樣。經質量分數10%的草酸溶液電解腐蝕后，在光學顯微鏡下測量焊縫熔深和距表面0.8 mm處的熔寬(結合面熔寬)。采用電子式萬能試驗機對激光搭接接頭和平板堆焊對接接頭進行剪切拉伸試驗，拉伸方向與焊縫方向垂直。采用顯微維式硬度計對焊縫橫截面的顯微硬度進行測試，壓頭載荷為100 g，保持時間為10 s。

2 激光焊接工藝參數對接頭質量的影響

2.1 焊縫熔化形狀

對焊縫成形質量的實驗表明，奧氏體不銹鋼的激光焊接性較好，只要參數選擇合適，焊縫成形質量就會較高，很少有氣孔和裂紋等冶金缺陷。當焊接速度較慢時，偶爾會出現氣孔；當焊接速度過快時，焊縫表面質量不穩定，容易出現咬邊和駝峰現象。本文選取的焊接速度范圍為2～7 m/min，重點研究工藝參數對焊縫熔化形狀的影響。

衡量激光焊接熱輸入的綜合參量有2個：能量密度(單位面積光斑的激光能量輸入，由激光功率除以光斑面積表示)和線能量(單位長度焊縫的激光能量輸入，由激光功率除以焊接速度表示)。其他條件不變時，焊接功率增大，能量密度和線能量均增大，造成熔深和熔寬增大；焊接速度減小，線能量增大，導致熔深和熔寬增大。光斑尺寸增大，激光照射范圍增大，能量密度減小，導致熔深減小和熔寬增大。圖2所示為不同功率和焊接速度對焊縫熔深和結合面熔寬的影響情況。隨激光功率增大和焊接速度減小，熔深呈增大趨勢，激光功率改變對熔深增大的貢獻更大。結合面熔寬隨激光功率上升而增大，但受焊接速度的影響較小。當功率超過2 kW時，不同焊接速度下，結合面熔寬基本不變。因此，當光斑直徑不變時，僅靠調整激光功率和焊接速度，可提高結合面熔寬的空間有限。

(a)熔深隨功率和焊接速度變化

(b)結合面熔寬隨功率和焊接速度變化圖2 激光功率和焊接速度對熔化形狀的影響(ds=0.3 mm,df=0)Fig.2 Effect of laser power and weld speed on penetration shape

聚焦光斑直徑ds=0.2 mm，當熔深小于1.6 mm且焊接方向與拉絲方向平行時，可以獲得背面無任何熱影響痕跡的焊縫。當焊接方向與外板表面拉絲方向不平行時，即使熔深小于1.6 mm，仍然能夠從外板表面觀察到輕微的焊縫痕跡。未拉絲的光滑表面或者焊接方向與拉絲方向不平行時，很難得到無痕跡的美觀接頭，這與激光焊接產生的微小局部變形有關[2]。在相同熔深條件下，不同光斑直徑和離焦量下獲得的外板外表面熱影響痕跡有一定區別。隨著光斑直徑的增大，能量集中程度下降，熱傳導作用增強，因此，獲得無熱影響痕跡的臨界熔深減小，ds=0.4 mm時的臨界熔深為1.4 mm。

工件表面的激光照射范圍由聚焦光斑直徑和離焦量決定。聚焦光斑直徑越小，能量密度越高，熔透能力越強，越適合精密焊接，但能夠獲得的熔寬越小。圖3a所示為功率P=2 kW時，不同聚焦光斑直徑對熔深的影響情況。隨著光斑直徑的減小，相同功率下獲得的能量密度增大，熔透能力增強，因此，光斑直徑為0.2 mm的YLS2000激光器的熔深最大。從圖3b中可以看出，隨著光斑直徑的增大，結合面熔寬增大。聚焦光斑直徑增大，形成的小孔寬度變大，有利于獲得整體較寬的焊縫。

(a)熔深隨聚焦光斑直徑和焊接速度變化

(b)結合面熔寬隨聚焦光斑直徑和焊接速度變化圖3 聚焦光斑直徑和焊接速度對熔化形狀的影響(P=2 kW,df=0)Fig.3 Effect of focal spot size and weld speed on penetration shape

當焦平面和工件表面重合時，工件表面的光斑最小，稱為聚焦光斑。隨著焦平面上升(稱為負離焦，焦點在工件表面以上)或下降(稱為正離焦，焦點在工件表面以下)，照射在工件表面的光斑逐漸變大。圖4所示為ds=0.2 mm時，不同離焦量對熔深和結合面熔寬的影響。隨著離焦量絕對值的增大，熔深減小明顯，結合面熔寬有一定增大。在實驗范圍內，相同程度的正離焦較負離焦對熔深和結合面熔寬的影響更大。在同一聚焦光斑直徑下，通過一定的正離焦，可以同時獲得較小熔深和較大的結合面熔寬。此外，通過離焦減小了工件表面能量密度，減緩了小孔蒸發造成的熔池劇烈流動，有利于減少高速焊時的駝峰傾向和飛濺現象。然而，離焦量進一步增大，導致能量密度和熔透能力急劇下降，反而會減小結合面熔寬。

(a)熔深隨離焦量和焊接速度變化

(b)結合面熔寬隨離焦量和焊接速度變化圖4 離焦量和焊接速度對熔化形狀的影響(ds=0.2 mm, P=2 kW)Fig.4 Effect of focal distance and weld speed on penetration shape

綜合工藝參數對熔化形狀的影響，為了在一定的熔深范圍內獲得較大的結合面熔寬，應該使用較大的聚焦光斑直徑，同時配合一定的正離焦量。圖5所示為ds=0.4 mm、df=10 mm時，不同功率和速度下獲得的熔深和結合面熔寬。當功率為2～4 kW時，在較大的速度范圍內，都能獲得外板背面無熱影響痕跡且結合面熔寬較大的焊縫。圖6為不同焊接條件下的焊縫橫截面形貌照片。圖6a～圖6c的熔深以及熔深為0.8 mm處的熔寬分別為1.9 mm、0.35 mm、0.63 mm和0、2.4 mm、0.67 mm，熔深和熔寬無法滿足要求。圖6d所示為較理想的焊縫熔化形狀，熔深為1.35 mm，背面無熱影響痕跡，結合面熔寬為0.92 mm。可以看出，通過調整離焦量可以使照射在工件表面的光斑直徑變大，從而獲得更大的表面熔寬，然而，熔深也會隨之大幅減小。因此，當聚焦光斑直徑較小時，即使通過調整離焦量等工藝參數，也很難同時獲得合適的熔深和熔寬。

2.2 力學性能

針對圖1所示的搭接接頭，圖7所示為最大拉剪力隨結合面熔寬的變化情況，焊縫長度固定為45 mm。對于不同的聚焦光斑直徑和焊接工藝參數，拉剪力和結合面熔寬基本成線性遞增關系。根據JIS標準，對于0.8 mm厚的301L-H板材、熔核直徑為4.5 mm的電阻點焊接頭，滿足設計要求的最小拉剪力為6.4 kN，與電阻焊接頭等價的激光焊接接頭的單位長度拉剪力應大于0.566 kN/mm。本文搭接接頭的焊縫長度為45 mm，故最大剪切力應大于25.47 kN。由圖7可推出，該剪切力對應的結合面熔寬應大于0.8 mm。由圖2～圖5可以看出：對于聚焦光斑直徑ds=0.2 mm，由于聚焦光斑直徑太小，難以獲得結合面熔寬大于0.8 mm的焊接接頭；對于ds=0.3 mm，盡管通過優化工藝參數可以獲得結合面熔寬大于0.8 mm的接頭，但是同時滿足外板無熱影響痕跡且結合面熔寬大于0.8 mm接頭的工藝窗口較窄；對于ds=0.4 mm，在較大的工藝參數窗口內可以獲得滿足外觀和力學性能高要求的接頭。因此，雖然光纖激光器優良的光束質量很好，可獲得較小的聚焦光斑直徑，但是，針對不銹鋼車體0.8 mm厚301L-H板材激光搭接非熔透焊工藝，應使聚焦光斑直徑大于0.4 mm，有利于獲得滿足要求的熔化形狀和力學性能。

(a)熔深隨功率和焊接速度變化

(b)結合面熔寬隨功率和焊接速度變化圖5 激光功率和焊接速度對熔化形狀的影響 (ds=0.4 mm,df=10 mm)Fig.5 Effect of laser power and weld speed onpenetration shape

(a)ds=0.2 mm, (b)ds=0.2 mm,

(a)ds=0.4 mm, (b)ds=0.4 mm,

圖7 不同光斑直徑下最大拉剪力與結合面熔寬關系Fig.7 Relationship of maximum tensile strength and interface fusion width with different focal spot sizes

很多文獻指出，301L不銹鋼激光非熔透搭接接頭的剪切拉伸斷裂有2種形式:位于結合面焊縫處的斷裂和位于內板(厚度相對較薄)熱影響區處的斷裂[7,9-11]。當結合面熔寬較小時，由于結合面焊縫的承載面積不足，搭接接頭從結合面焊縫處斷裂；當結合面熔寬超過一定值時，由于激光焊焊縫金屬強度較高，斷裂發生在內板焊縫附近的熱影響區。然而，從301L-H激光焊搭接接頭剪切拉伸試樣的斷裂位置來看，所有斷口都位于內外板結合面的焊縫處，并未發現上板熱影響區處的斷裂，拉斷試樣照片見圖8。這是由301L-H母材和激光焊接焊縫金屬的強度匹配造成的。

(a)側視圖

(b)主視圖圖8 激光焊搭接接頭剪切拉伸試樣拉斷照片Fig.8 Picture of laser welded joint after tensile test

對301L-H和301L-1.4318激光平板堆焊對接接頭進行正向拉伸。從接頭斷裂位置來看，301L-H所有試樣斷口均位于焊縫處，接頭平均拉伸強度為960 MPa，低于母材拉伸強度；301L-1.4318所有試樣斷口均位于母材處，接頭平均拉伸強度為900 MPa。本文采用的經大幅冷作強化的301L-H母材的強度高于激光焊焊縫金屬的強度，當結合面焊縫熔寬和內板板厚相差不大時，所有搭接接頭的斷裂位置均位于結合面焊縫處。對于強度不如301L-H的301L-1.4318母材，由于激光焊接能量集中，具有冷卻速度快、焊縫晶粒細小的特點，激光焊焊縫金屬的強度高于母材的強度，超過900 MPa。以往文獻采用的作為內板的301L不銹鋼母材的強度最高不超過860 MPa，低于激光焊焊縫金屬的強度，如果內外板結合面熔寬足夠大，則接頭斷裂發生在板厚較薄的內板母材或熱影響區處。

圖9所示為圖6搭接接頭橫截面的維氏硬度分布。其中，H1和H2分別為0.8 mm厚的301L-H內板和1.43 mm厚的301L-1.4318外板焊縫中部水平方向的硬度分布，V1為焊縫中部沿垂直方向的硬度分布，焊縫邊界線設為距離0點，正值表示測點位于母材，負值表示測點位于焊縫?？梢钥闯?，上板301L-H-0.8 mm的母材硬度約為410 HV，熔合區硬度約為260 HV，熱影響區的范圍約為0.6 mm。焊縫區硬度較母材有較大下降，僅為母材的63%。下板301L-1.4318母材和熔合區硬度相當，約為260 HV。因此，如果選用強度級別低于900 MPa的301L不銹鋼作為內板，一旦結合面熔寬超過內板厚度，則接頭承載能力與結合面熔寬無關，接頭承載能力由接頭強度薄弱環節熱影響區的強度和板厚決定。如果選用強度級別高于900 MPa的301L-H不銹鋼作為內板，則由焊縫結合面處單一的斷裂方式可以推出，搭接接頭承載能力與結合面熔寬線性相關，為了提高焊縫承載能力，必須確保合適的焊縫熔化形狀。

圖9 焊縫橫截面硬度分布Fig.9 Hardness distribution at the cross section of welded joint

3 結論

針對不銹鋼車體用高強301L奧氏體不銹鋼0.8 mm和1.5 mm板厚組合，開展了激光非熔透焊搭接接頭焊接工藝研究，焊接接頭的外觀和力學性能主要由工藝參數支配的焊縫熔化形狀決定。為確保外板外表面無熱影響區痕跡，應精確控制熔深小于臨界值。臨界熔深受聚焦光斑直徑和離焦量等工藝參數影響，對于聚焦光斑直徑0.4 mm的光纖激光器，熔深不能超過1.4 mm。為確保激光焊搭接接頭的拉伸性能大于等價電阻焊接頭，結合面熔寬應大于0.8 mm。當激光聚焦光斑直徑不小于0.4 mm且功率大于2 kW時，能在較大參數窗口內確保外板表面無熱影響區痕跡且結合面熔寬超過0.8 mm。本文所用的301L-H母材強度級別高，激光非熔透焊搭接接頭的斷裂位置位于內外板結合面的焊縫處，其承載能力由結合面熔寬保證。

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(編輯 蘇衛國)

2017年全國失效分析學術會議第二輪通知

本次會議定于2017年10月18日～21日在江蘇無錫舉辦，會議特邀失效分析領域的著名院士、學者專家等作大會報告，總結失效分析與預防研究成果，交流失效分析的經驗和技術，探討失效分析學科發展戰略。會議主題如下：失效分析原理與方法；失效分析中的理化檢驗技術；典型失效案例解析；失效分析與安全，風險評估與管理；失效與設計，材料和工藝，服役環境相關的分析；失效分析預防預測技術；特種材料和裝置失效分析與預防；其他相關失效分析與預防技術等。

投稿截止日期：2017年5月30日。

會議論文集以2017年《機械工程材料》增刊形式正式出版。凡未經正式刊物發表，與失效分析與理化檢測領域相關的研究成果、學術和技術論文、分析經驗及建議等均可投稿。

論文投稿聯系人：梅 壇

E-mail:mei0209336@126.com。

電話：13774287925，021-55541230。

(工作總部)

Laser Welding Parameters and Tensile Properties of Partial Penetration Lap Joint for Stainless Train Body

WEN Peng1WU Ruifeng2WANG Xiuyi3AN Ji2WANG Xiaolong4ZHANG Yan1

1.Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology,Ministry of Education, Tsinghua University,Beijing,100084 2.Tianjin JL Railway Transport Equipment Co.,Ltd.,Tianjin，300300 3.CRRC Tangshan Co., Ltd.,Tangshan，Hebei,063000 4.Dongfang Electric Machinery Co.,Ltd.,Deyang，Sichuan,618000

Partial penetration lap laser welding was used for 301L-H stainless steel train bodies to solve the heats and the weld distortion problems. The effects of focused laser spot diameter and welding parameters were investigated with using fiber laser. Relationship among processing parameters and welding quality index like formation quality, heat trace on the surface, penetration shape and shear tensile performance, were concluded. The principles and methods were discussed for the selection of optimized parameters. For the combination of 0.8 mm and 1.5 mm high tensile strength plates, which were typically used for light weight train bodies, the outputs of laser machine should be over 2 kW, and the focused spot diameters should be over 0.4 mm if a large processing window was obtained to satisfy both appearance and mechanical requirements. For fiber laser with 0.4 mm spot diameter, the penetration should be less than 1.4 mm to make the outside surfaces no heat traces, and the fusion width in the interfaces between inner and external plate should be more than 0.8 mm to make the tensile strength higher than that of resistance spot welding. For 301L-H stainless steel with tensile strength over 930MPa, the fractures are always located in the fusion zones at the interfaces between inner and external plates, so the tensile capacity is linearly related to the fusion widths in the interfaces.

stainless steel; laser welding; lap joint; railway transport

2016-05-17

國家自然科學基金資助項目(U1537205)

TG456.7DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2017.11.016

溫 鵬，男，1981年生。清華大學機械工程系副教授。研究方向為焊接和激光加工。E-mail:wenpeng@mail.tsinghua.edu.cn。鄔瑞峰, 男，1984年生。天津北車軌道裝備有限公司工程師。王秀義, 男，1972年生。唐山軌道客車有限責任公司高級工程師。安 吉, 男，1987年生。天津北車軌道裝備有限公司工程師。王小龍, 男， 1991年生。東方電氣集團東方電機有限公司助理工程師。張 炎，男，1992年生。清華大學機械工程系碩士研究生。