不銹鋼車體無氬氣保護激光搭接焊工藝優化

王洪瀟　王春生　何廣忠　高文文　劉立國

（中車長春軌道客車股份有限公司工程規劃發展部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

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穩定性，但在熔化焊過程中，容易發生氧化生成金屬氧化物（如Cr2O3），從而惡化焊縫質量［1］。因此，為了獲得高質量的焊接接頭，在焊接過程中需要對熔池部位進行有效保護，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行激光焊接時，通常采用氬氣進行保護。但由于車體側墻為搭接接頭形式，被焊的兩板熔合界面并未處于氬氣的直接保護之中，同時激光焊接速度快，熔池高溫停留時間短，因此，在大氣環境下能否直接進行激光焊接，有必要進行深入地研究。顯然，如果在無氬氣保護的條件下直接焊接并不影響焊接質量，則不僅可節省大量氬氣，而且會簡化焊接工藝流程、降低設備支出。

本文主要研究在大氣環境下直接進行激光搭接焊后接頭的微觀結構與力學性能，并與在氬氣保護條件下的激光焊接頭的微觀結構和力學性能進行對比，評估不銹鋼車體側墻在大氣環境下直接進行激光搭接焊的可行性。

1　試驗材料及設備

試驗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標準中規定的化學成分、力學性能及其他要求。不銹鋼激光搭接工藝試驗使用Trudisk4002盤式固體激光器，額定功率4 kW；光束質量8 mm·mrad，激光束波長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　試驗結果與討論

2.1　焊縫組織及形貌特征

對氬氣保護下和在空氣環境下進行激光焊接所得焊縫的形貌特征進行分析。

由圖2可以看出，有、無氣體保護的不銹鋼激光搭接焊縫的形貌都呈比較規則的花瓶形狀，焊縫與母材熔合良好，沒有氣孔、夾雜以及裂紋等缺陷。與氬氣保護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條件下激光焊接時不銹鋼焊件對激光的吸收率提高，使得在焊接過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。但對熔寬的影響并不明顯，反而會有增加。

圖2　有、無氣體保護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，呈典型的柱狀奧氏體枝晶特征［2］，以及少量的δ鐵素體，而在熔合區奧氏體呈不規則的等軸晶形態。在氬氣保護下焊接和在空氣中直接焊接，焊縫及熱影響區的微觀組織并沒有明顯變化，這說明焊接氣氛對不銹鋼激光搭接焊過程中的冶金行為和組織轉變沒有明顯的不利影響。

圖3　不銹鋼激光搭接焊縫熔合線附近微觀組織

2.2　焊接環境對接頭晶間腐蝕性能的影響

不銹鋼車體側墻焊后呈非涂裝狀態，對耐腐蝕性具有較高的要求，尤其是不銹鋼經過不均勻的焊接熱循環后，其接頭的抗晶間腐蝕性能將可能發生變化。對于激光搭接焊接頭來說，易于出現晶間腐蝕造成構件失效的位置主要是焊縫和熱影響區。因此，在試驗中主要針對焊縫和熱影響區的晶間腐蝕組織進行對比分析。晶間腐蝕組織列于圖4，并與標準的晶間腐蝕圖譜進行比較，來判定其腐蝕類型。

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。根據基于標準進行腐蝕程度分類，焊接熱影響區為第一類晶間腐蝕狀態，即為階梯組織，晶界無腐蝕溝，晶粒間呈臺階狀，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，在空氣環境中直接焊接的接頭，焊縫和熱影響區的晶界浸蝕組織與氬氣保護條件下的組織沒有明顯差別，這說明直接在空氣環境中進行激光焊，不會對接頭的抗晶間腐蝕性能產生明顯的不利影響。

圖4　不銹鋼激光搭接焊接頭晶間腐蝕形貌

2.3　焊接環境對接頭拉剪強度的影響

與氬氣保護條件下施焊的接頭拉剪強度相比，在無氬氣保護的環境下，當激光束照射一側的試樣厚度為0.6～1.0 mm時，有無氬氣保護對接頭的拉剪強度影響不大；當激光束照射一側的試板厚度增加到2.0～2.5 mm時，在大氣環境下直接進行激光搭接焊，其接頭拉剪強度降低較為明顯（見圖5）。

圖5　不銹鋼激光搭接焊接頭拉伸剪切性能對比

對有、無氣體保護條件下不銹鋼激光搭接焊接頭的斷口進行掃描電鏡分析，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　焊接環境對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程中，不銹鋼車體不僅承受靜載荷作用，還要承受動態載荷的作用，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。本文分別試驗研究了在氬氣保護條件下和在空氣環境中直接進行激光搭接焊接頭的疲勞性能，并繪制了相應接頭的疲勞特性（S-N）曲線，比較分析兩種接頭的疲勞性能。

將氬氣保護條件下焊接接頭和在空氣中直接焊接接頭的疲勞試驗數據整理后，求得的擬合曲線方程繪制出S-N曲線，如圖7所示。由疲勞試驗數據及S-N曲線可以確定：在氬氣保護條件下，焊接接頭在試驗載荷循環為107次時的疲勞極限載荷為4 073 N；在空氣環境下，焊接接頭在試驗載荷循環為107次時的疲勞極限載荷為4 122 N。顯然，在目前激光搭接焊工藝條件下，有、無氬氣保護對激光搭接焊接頭的疲勞極限沒有明顯的影響。

比較圖7中兩條S-N曲線，在低壽命區和中等壽命區，相同載荷水平下有氬氣保護的接頭疲勞壽命要高于無氬氣保護的接頭疲勞壽命，但在高壽命區兩者趨于相同。

3　結論

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奧氏體枝晶，熔合區奧氏體呈不規則的等軸晶形態。比較氬氣保護和大氣環境下焊接，接頭各微區組織和焊縫化學成分沒有明顯變化。

（2）與在氬氣條件焊接的接頭浸蝕組織相比，在無氬氣保護條件下焊接的接頭、焊縫和熱影響區的晶界浸蝕組織沒有明顯差別，表明在空氣環境中對不銹鋼板直接進行激光搭接焊，不會對接頭的抗晶間腐蝕性能產生明顯的不利影響。

（3）與氬氣保護條件下施焊的接頭拉剪強度相比，在本試驗中的激光焊接工藝參數下，在無氬氣保護的環境下，當激光束照射一側的試樣厚度為0.6～1.0 mm時，有無氬氣保護對接頭的拉剪強度影響不大；當激光束照射一側的試板厚度增加到2.0～2.5 mm時，與氬氣保護條件相比，在大氣環境下直接進行激光搭接焊，其接頭拉剪強度降低較為明顯。

（4）有、無保護氣體對不銹鋼激光搭接焊接頭的疲勞極限沒有明顯影響。在低壽命區和中等壽命區，相同載荷水平下有氬氣保護的激光搭接焊接頭疲勞壽命要高于無氬氣保護的接頭疲勞壽命，但在高壽命區兩者趨于相同。

［1］殷洪．不銹鋼的熱處理特點［J］．不銹，2003（3）：16.

［2］朱秀軍．不銹鋼激光焊接及其焊縫成分預測模型［D］．武漢：華中科技大學，2005.

［3］羅輝，趙忠魁，馮立明，等．焊接工藝參數對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］高鎮同．疲勞應用統計學［M］．北京：國防工業出版社，1986.