不銹鋼車體無(wú)氬氣保護(hù)激光搭接焊工藝優(yōu)化

王洪瀟　王春生　何廣忠　高文文　劉立國(guó)

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程規(guī)劃發(fā)展部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，高級(jí)工程師）

奧氏體不銹鋼由于其成分中含有較高的Cr、Ni等元素而具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，但在熔化焊過(guò)程中，容易發(fā)生氧化生成金屬氧化物（如Cr2O3），從而惡化焊縫質(zhì)量［1］。因此，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，在焊接過(guò)程中需要對(duì)熔池部位進(jìn)行有效保護(hù)，以防止熔池金屬的氧化。

軌道交通車輛車體用不銹鋼薄板在進(jìn)行激光焊接時(shí)，通常采用氬氣進(jìn)行保護(hù)。但由于車體側(cè)墻為搭接接頭形式，被焊的兩板熔合界面并未處于氬氣的直接保護(hù)之中，同時(shí)激光焊接速度快，熔池高溫停留時(shí)間短，因此，在大氣環(huán)境下能否直接進(jìn)行激光焊接，有必要進(jìn)行深入地研究。顯然，如果在無(wú)氬氣保護(hù)的條件下直接焊接并不影響焊接質(zhì)量，則不僅可節(jié)省大量氬氣，而且會(huì)簡(jiǎn)化焊接工藝流程、降低設(shè)備支出。

本文主要研究在大氣環(huán)境下直接進(jìn)行激光搭接焊后接頭的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，并與在氬氣保護(hù)條件下的激光焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估不銹鋼車體側(cè)墻在大氣環(huán)境下直接進(jìn)行激光搭接焊的可行性。

1　試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料采用軌道交通車輛不銹鋼車體制造用的奧氏體不銹鋼板材，滿足JIS G 4305—2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的化學(xué)成分、力學(xué)性能及其他要求。不銹鋼激光搭接工藝試驗(yàn)使用Trudisk4002盤式固體激光器，額定功率4 kW；光束質(zhì)量8 mm·mrad，激光束波長(zhǎng)1.06 μm；光纖直徑0.6 mm。不銹鋼激光搭接焊焊縫斷面接頭形式如圖1所示。

圖1　不銹鋼激光搭接焊焊縫斷面示意圖

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　焊縫組織及形貌特征

對(duì)氬氣保護(hù)下和在空氣環(huán)境下進(jìn)行激光焊接所得焊縫的形貌特征進(jìn)行分析。

由圖2可以看出，有、無(wú)氣體保護(hù)的不銹鋼激光搭接焊縫的形貌都呈比較規(guī)則的花瓶形狀，焊縫與母材熔合良好，沒(méi)有氣孔、夾雜以及裂紋等缺陷。與氬氣保護(hù)情況下施焊所得到的焊縫尺寸相比，在空氣中直接焊接所得焊縫的熔深略有所減小。這是由于在氬氣保護(hù)條件下激光焊接時(shí)不銹鋼焊件對(duì)激光的吸收率提高，使得在焊接過(guò)程中更多的激光能量直接用于加熱熔化金屬，從而使熔深增大。但對(duì)熔寬的影響并不明顯，反而會(huì)有增加。

圖2　有、無(wú)氣體保護(hù)不銹鋼激光搭接焊縫熔池形貌

圖3為焊縫熔合線附近的微觀組織形貌。由圖3可以看出，在熔合線的焊縫一側(cè)，呈典型的柱狀?yuàn)W氏體枝晶特征［2］，以及少量的δ鐵素體，而在熔合區(qū)奧氏體呈不規(guī)則的等軸晶形態(tài)。在氬氣保護(hù)下焊接和在空氣中直接焊接，焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織并沒(méi)有明顯變化，這說(shuō)明焊接氣氛對(duì)不銹鋼激光搭接焊過(guò)程中的冶金行為和組織轉(zhuǎn)變沒(méi)有明顯的不利影響。

圖3　不銹鋼激光搭接焊縫熔合線附近微觀組織

2.2　焊接環(huán)境對(duì)接頭晶間腐蝕性能的影響

不銹鋼車體側(cè)墻焊后呈非涂裝狀態(tài)，對(duì)耐腐蝕性具有較高的要求，尤其是不銹鋼經(jīng)過(guò)不均勻的焊接熱循環(huán)后，其接頭的抗晶間腐蝕性能將可能發(fā)生變化。對(duì)于激光搭接焊接頭來(lái)說(shuō)，易于出現(xiàn)晶間腐蝕造成構(gòu)件失效的位置主要是焊縫和熱影響區(qū)。因此，在試驗(yàn)中主要針對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的晶間腐蝕組織進(jìn)行對(duì)比分析。晶間腐蝕組織列于圖4，并與標(biāo)準(zhǔn)的晶間腐蝕圖譜進(jìn)行比較，來(lái)判定其腐蝕類型。

不銹鋼激光搭接焊接頭焊縫金屬的腐蝕程度高于熱影響區(qū)。根據(jù)基于標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行腐蝕程度分類，焊接熱影響區(qū)為第一類晶間腐蝕狀態(tài)，即為階梯組織，晶界無(wú)腐蝕溝，晶粒間呈臺(tái)階狀，表明耐晶間腐蝕性能良好［3］。與在氬氣條件焊接的接頭浸蝕組織相比，在空氣環(huán)境中直接焊接的接頭，焊縫和熱影響區(qū)的晶界浸蝕組織與氬氣保護(hù)條件下的組織沒(méi)有明顯差別，這說(shuō)明直接在空氣環(huán)境中進(jìn)行激光焊，不會(huì)對(duì)接頭的抗晶間腐蝕性能產(chǎn)生明顯的不利影響。

圖4　不銹鋼激光搭接焊接頭晶間腐蝕形貌

2.3　焊接環(huán)境對(duì)接頭拉剪強(qiáng)度的影響

與氬氣保護(hù)條件下施焊的接頭拉剪強(qiáng)度相比，在無(wú)氬氣保護(hù)的環(huán)境下，當(dāng)激光束照射一側(cè)的試樣厚度為0.6～1.0 mm時(shí)，有無(wú)氬氣保護(hù)對(duì)接頭的拉剪強(qiáng)度影響不大；當(dāng)激光束照射一側(cè)的試板厚度增加到2.0～2.5 mm時(shí)，在大氣環(huán)境下直接進(jìn)行激光搭接焊，其接頭拉剪強(qiáng)度降低較為明顯（見(jiàn)圖5）。

圖5　不銹鋼激光搭接焊接頭拉伸剪切性能對(duì)比

對(duì)有、無(wú)氣體保護(hù)條件下不銹鋼激光搭接焊接頭的斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，其形貌如圖6所示。兩種接頭斷口形貌相似，斷口形貌呈韌窩特征，從微觀角度可判定其屬于典型的韌性斷裂［4］。

2.4　焊接環(huán)境對(duì)接頭疲勞性能的影響

圖6　不銹鋼激光搭焊接接頭拉剪試樣斷口微觀形貌

軌道交通車輛在行使過(guò)程中，不銹鋼車體不僅承受靜載荷作用，還要承受動(dòng)態(tài)載荷的作用，因此，深入研究激光搭接焊接頭的疲勞性能具有重要的工程意義。本文分別試驗(yàn)研究了在氬氣保護(hù)條件下和在空氣環(huán)境中直接進(jìn)行激光搭接焊接頭的疲勞性能，并繪制了相應(yīng)接頭的疲勞特性（S-N）曲線，比較分析兩種接頭的疲勞性能。

將氬氣保護(hù)條件下焊接接頭和在空氣中直接焊接接頭的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后，求得的擬合曲線方程繪制出S-N曲線，如圖7所示。由疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及S-N曲線可以確定：在氬氣保護(hù)條件下，焊接接頭在試驗(yàn)載荷循環(huán)為107次時(shí)的疲勞極限載荷為4 073 N；在空氣環(huán)境下，焊接接頭在試驗(yàn)載荷循環(huán)為107次時(shí)的疲勞極限載荷為4 122 N。顯然，在目前激光搭接焊工藝條件下，有、無(wú)氬氣保護(hù)對(duì)激光搭接焊接頭的疲勞極限沒(méi)有明顯的影響。

比較圖7中兩條S-N曲線，在低壽命區(qū)和中等壽命區(qū)，相同載荷水平下有氬氣保護(hù)的接頭疲勞壽命要高于無(wú)氬氣保護(hù)的接頭疲勞壽命，但在高壽命區(qū)兩者趨于相同。

3　結(jié)論

圖7　激光焊接頭S-N曲線

（1）不銹鋼板材激光搭接焊的宏觀焊縫形貌主要呈碗狀或花瓶狀特征，焊縫組織為典型的柱狀?yuàn)W氏體枝晶，熔合區(qū)奧氏體呈不規(guī)則的等軸晶形態(tài)。比較氬氣保護(hù)和大氣環(huán)境下焊接，接頭各微區(qū)組織和焊縫化學(xué)成分沒(méi)有明顯變化。

（2）與在氬氣條件焊接的接頭浸蝕組織相比，在無(wú)氬氣保護(hù)條件下焊接的接頭、焊縫和熱影響區(qū)的晶界浸蝕組織沒(méi)有明顯差別，表明在空氣環(huán)境中對(duì)不銹鋼板直接進(jìn)行激光搭接焊，不會(huì)對(duì)接頭的抗晶間腐蝕性能產(chǎn)生明顯的不利影響。

（3）與氬氣保護(hù)條件下施焊的接頭拉剪強(qiáng)度相比，在本試驗(yàn)中的激光焊接工藝參數(shù)下，在無(wú)氬氣保護(hù)的環(huán)境下，當(dāng)激光束照射一側(cè)的試樣厚度為0.6～1.0 mm時(shí)，有無(wú)氬氣保護(hù)對(duì)接頭的拉剪強(qiáng)度影響不大；當(dāng)激光束照射一側(cè)的試板厚度增加到2.0～2.5 mm時(shí)，與氬氣保護(hù)條件相比，在大氣環(huán)境下直接進(jìn)行激光搭接焊，其接頭拉剪強(qiáng)度降低較為明顯。

（4）有、無(wú)保護(hù)氣體對(duì)不銹鋼激光搭接焊接頭的疲勞極限沒(méi)有明顯影響。在低壽命區(qū)和中等壽命區(qū)，相同載荷水平下有氬氣保護(hù)的激光搭接焊接頭疲勞壽命要高于無(wú)氬氣保護(hù)的接頭疲勞壽命，但在高壽命區(qū)兩者趨于相同。

［1］殷洪．不銹鋼的熱處理特點(diǎn)［J］．不銹，2003（3）：16.

［2］朱秀軍．不銹鋼激光焊接及其焊縫成分預(yù)測(cè)模型［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2005.

［3］羅輝，趙忠魁，馮立明，等．焊接工藝參數(shù)對(duì)奧氏體不銹鋼焊接接頭腐蝕行為的影響［J］．熱加工工藝，2005（6）：47．

［4］SUNZ，MOISIOT.Laserbeam welding of austenitic/ferritic dissimilar steel joints using nickel based filler wire［J］．Materials ScienceandTechnology，1993，9（7）：603．

［5］高鎮(zhèn)同．疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986.