碳鋼車體激光填絲焊不等厚板對接接頭工藝及性能

（中車唐山機車車輛有限公司制造技術(shù)中心，河北唐山063035）

0 前言

國內(nèi)外高鐵和動車組多采用鋁合金型材制造，鋁合金車體在輕量化方面優(yōu)勢明顯，但其生產(chǎn)成本遠遠高于碳鋼車體，且不宜維護，壽命周期、成本也比碳鋼和不銹鋼車體高很多。目前，歐洲在設(shè)計時速較低的動車組時擬采用碳鋼材料生產(chǎn)制造，碳鋼材料制造的車體較鋁合金型材的可修復(fù)性好，并可以節(jié)約成本，提高車輛的使用壽命。

焊接是軌道交通車體的制造關(guān)鍵工藝。針對車輛運行時高速、動載服役的特點，生產(chǎn)上往往要求焊接變形小、效率高和接頭質(zhì)量優(yōu)良。與常規(guī)熔焊方法相比，激光填絲焊具有熱輸入低、焊接變形小、接頭質(zhì)量優(yōu)良、生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)自動化焊接等優(yōu)點，因此更適合于長焊縫、要求變形小的車體結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)。試驗基于碳鋼車體及軌道交通關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的激光填絲焊工藝，針對厚度2.5 mm+4 mm不等厚對接接頭開展激光填絲焊焊接工藝及性能研究，為碳鋼車體及相關(guān)結(jié)構(gòu)件的激光焊焊接生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 母材及焊接材料檢驗

母材分別為厚度2.5mm的Q310NQL2鋼和厚度4 mm的Q345NQR2鋼，焊接材料為規(guī)格φ1.0 mm、型號ER50－G的實心焊絲。母材和焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分%

表2 母材力學(xué)性能

1.2 焊接設(shè)備

試驗采用激光填絲焊，激光為6 kW光纖激光器，送絲機為數(shù)字化TIG焊設(shè)備中的送絲機構(gòu)。

1.3 焊接接頭形式

工藝試驗針對2.5 mm+4 mm對接接頭，采用單道焊雙面成形。焊接接頭為I型坡口，如圖1所示。

圖1 接頭形式

1.4 焊接位置

焊接時激光、焊絲以及試板的相對位置如圖2所示。激光、焊絲和焊接方向在一條線上，并且焊絲在前，激光在后。激光與試板成80°、焊絲與試板成20°夾角[1－2]。

圖2 焊絲、激光相對位置

2 焊接工藝試驗

2.1 離焦量試驗

激光焊接中，離焦量對焊接質(zhì)量的影響很大，特別是在激光填絲焊接中影響焊縫成形。在0～+8 mm離焦量范圍內(nèi)進行焊接工藝試驗[3]，焊接試驗參數(shù)如表3所示。

表3 焊接試驗參數(shù)（離焦量0～+8 mm）

離焦量試驗的焊縫上、下表面和橫截面成形如圖3所示?？梢钥闯觯S著離焦量的增加，正面焊縫逐漸變寬并且焊縫兩邊成形均勻，飛濺減少，離焦量大于+4 mm后，焊縫正面成形良好且具有一定的寬度，提高了激光填絲焊工藝對間隙和錯邊的適應(yīng)能力；同時，由于是不等厚對接接頭，需要焊縫有一定的搭橋能力，因此焊縫正面應(yīng)保證一定的寬度，離焦量不能過小。焊縫背面寬度隨著離焦量的增加，先增加后減少，離焦量大于+7 mm后，焊縫出現(xiàn)未焊透，主要原因是隨著離焦量的增加，激光束越來越發(fā)散，能量密度逐漸變小，熔透能力減弱。從焊縫正面、背面的試驗結(jié)果分析來看，要保證焊縫具有一定的搭橋能力和較好的間隙、錯邊的工藝適應(yīng)性，離焦量不能過小；但離焦量也不能過大，一方面，過大的離焦量容易形成未焊透；另一方面，要保證焊透，過大的離焦量就需要增加激光功率，從而增加焊接熱輸入，這會導(dǎo)致焊接變形大。同時，要控制焊接變形，離焦量不宜過大，較小的離焦量有利于激光焊實現(xiàn)高速焊接，而這正是激光焊優(yōu)質(zhì)、高效的優(yōu)勢所在。綜上所述，離焦量控制在4～6 mm為宜。

2.2 激光功率對焊縫成形的影響

圖3 不同離焦量的焊縫成形

激光功率是激光填絲焊接工藝中對焊縫熔透影響最大的參數(shù)，并且也影響焊縫成形，因此有必要研究激光功率對焊縫熔透及成形的影響。針對4.5～6 kW范圍內(nèi)變化的激光功率進行焊接工藝試驗，其他參數(shù)如表4所示。

激光功率對焊縫成形的影響如圖4所示。激光功率為3.5 kW時，焊縫未焊透，這是因為功率過小，激光束熔透能力不足。激光功率大于5.5 kW時，焊縫背面余高太高，正面焊縫寬度減小。當(dāng)焊接速度為3 m/min時，激光功率在5～5.5 kW較適宜。

表4 焊接試驗參數(shù)（激光功率4.5～6 kW）

2.3 焊接速度對焊縫成形的影響

圖4 不同激光功率的焊縫成形

高效的焊接工藝方法是現(xiàn)代焊接發(fā)展趨勢中的一個方向，高效在一定程度上意味著高速，因此有必要研究焊接速度對激光填絲焊焊縫成形的影響。針對焊接速度在2.5～4 m/min范圍內(nèi)進行焊接工藝試驗，其他參數(shù)如表5所示。

表5 焊接試驗參數(shù)（焊接速度2.5～4 m/min）

不同焊接速度時焊縫的上表面、下表面和斷面成形如圖5所示?？梢钥闯?，焊接速度低于2.5 m/min時，焊縫成形不穩(wěn)定；焊接速度高于3.5 m/min時，背面焊縫過窄，間隙適應(yīng)能力不足。綜合考慮，焊接速度2.5～3.5 m/min為宜。

2.4 送絲速度對焊縫成形的影響

激光焊中添加焊絲有利于焊縫正面成形和增加工藝對間隙和錯邊的適應(yīng)能力，同時可減少焊接熱循環(huán)對母材的熱損傷，因此有必要研究送絲速度對激光填絲焊焊縫成形的影響。針對送絲速度在2.5～5.5 m/min范圍內(nèi)變化進行焊接工藝試驗，其他參數(shù)如表6所示。

表6 焊接試驗參數(shù)（送絲速度2.5～5.5 m/min）

不同送絲速度時焊縫的上表面、下表面和斷面成形如圖6所示?？梢钥闯觯S著送絲速度的增加，焊縫正面余高增加，送絲速度為4.5m/min時焊縫成形最好；焊縫背余高先增加后減少。綜合考慮，送絲速度確定為4.5 m/min為宜。

3 焊接接頭的組織及性能

3.1 焊縫外觀及X射線探傷結(jié)果

采用上述最佳工藝參數(shù)焊接得到的焊接試板焊縫外觀如圖7所示，X射線探傷結(jié)果如圖8所示。焊縫射線探傷檢驗標準執(zhí)行ISO 17636《焊縫的無損檢測－焊接接頭的射線檢測》，射線探傷驗收標準執(zhí)行ISO 10675－1Ⅰ級驗收。焊縫射線探傷檢測結(jié)果合格，滿足相應(yīng)的射線探傷驗收等級。

3.2 力學(xué)性能

圖5 不同焊接速度的焊縫成形

圖6 不同送絲速度的焊縫成形

圖7 焊縫外觀

圖8 焊縫的X射線探傷結(jié)果

采用最優(yōu)化焊接參數(shù)的焊接接頭拉伸和彎曲性能試驗結(jié)果分別如表7、表8所示。從拉伸試驗結(jié)果來看，接頭抗拉強度約為478 MPa，滿足母材要求；從拉伸試樣斷裂位置來看，均斷于母材，焊縫強度高于母材，說明該焊接接頭能滿足結(jié)構(gòu)對于強度的設(shè)計要求。從彎曲試驗結(jié)果來看，彎曲試驗均合格，表明該焊接接頭均有良好的整體塑性變形能力；從彎曲試樣照片來看，無論是面彎試樣，還是背彎試樣，彎曲面上均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，說明該激光填絲焊接接頭具有優(yōu)良的焊接質(zhì)量[4-5]。

表7 拉伸性能

表8 彎曲性能

3.3 金相試驗

焊接接頭的宏觀金相如圖9所示，焊接接頭中未見裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。

圖9 焊接接頭宏觀金相

焊縫金相組織為貝氏體，如圖10所示；厚板熔合區(qū)形貌如圖11所示，厚板過熱區(qū)金相組織為貝氏體，如圖12所示，厚板正火區(qū)金相組織為貝氏體，如圖13所示，厚板不完全正火區(qū)為鐵素體+珠光體+貝氏體，如圖14所示，厚板母材金相組織為鐵素體+珠光體，如圖15所示；薄板熔合區(qū)形貌如圖16所示，薄板過熱區(qū)金相組織為貝氏體，如圖17所示，薄板正火區(qū)金相組織為鐵素體+貝氏體+少量碳化物，如圖18所示，薄板不完全正火區(qū)為鐵素體+貝氏體+碳化物，如圖19所示，薄板母材金相組織為鐵素體+碳化物，如圖20所示。

圖10 焊縫金相組織

圖11 4 mm板側(cè)熔合區(qū)金相組織

圖12 厚板過熱區(qū)金相組織

圖13 厚板正火區(qū)

圖14 厚板側(cè)不完全正火區(qū)

圖15 母材金相組織

圖16 薄板熔合區(qū)

3.4 硬度試驗

焊接接頭硬度試驗用于考核接頭的硬化、軟化情況。試驗采用維氏顯微硬度HV0.5來評價整個接頭的硬度。

圖17 薄板過熱區(qū)

圖18 薄板正火區(qū)

圖19 薄板不完全正火區(qū)

圖20 薄板母材金相組織

焊接接頭硬度分布曲線如圖21所示。焊縫、熱影響區(qū)的硬度均高于母材硬度，與焊接材料有關(guān)，同時熱影響區(qū)存在一定的硬化傾向，但不明顯。

圖21 焊接接頭硬度曲線

4 結(jié)論

（1）通過工藝試驗獲得2.5mm厚Q310NQL2鋼+4.0 mm厚Q345NQR2鋼不等厚對接接頭的激光填絲焊工藝優(yōu)化參數(shù)，如表9所示。采用該參數(shù)焊接試板，焊接接頭無氣孔、裂紋等缺陷。

表9 焊接工藝參數(shù)

（2）接頭抗拉強度約為480 MPa，滿足母材的要求；從拉伸試樣斷裂位置來看，均斷于母材，說明該焊接接頭能滿足結(jié)構(gòu)對于強度的設(shè)計要求。

（3）從彎曲試驗結(jié)果來看，彎曲試驗均合格，說明該焊接接頭有良好的整體塑性變形能力；從彎曲試樣來看，無論是面彎試樣，還是背彎試樣，彎曲面上均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，該激光填絲焊接接頭具有優(yōu)良的焊接質(zhì)量。

（4）焊接接頭的宏觀金相中未見裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。

（5）焊縫金相組織為貝氏體，呈柱狀晶特征；過熱區(qū)金相組織為貝氏體，呈等軸晶；正火區(qū)金相組織為細等軸鐵素體+貝氏體+彌散碳化物；不完全正火區(qū)金相組織為鐵素體+碳化物，鐵素體晶粒明顯粗于正火區(qū)，碳化物有集聚特征；母材金相組織為鐵素體+碳化物，碳化物顆粒形態(tài)顯著，呈晶內(nèi)分散和晶界集聚兩種形式存在。

（6）焊縫、熱影響區(qū)的硬度值均高于母材的硬度值，這與所選擇的焊接材料有關(guān)，同時熱影響區(qū)存在一定的硬化傾向，但不明顯。焊縫左右兩邊熱影響區(qū)寬度約為1 mm。

[1]郭麗娟，田慧，李洋.大角度激光填絲雙面焊碳鋼車體T形接頭工藝及性能研究[J].焊接，2017（12）：56－60.

[2]王家淳.5A06鋁合金激光填絲焊工藝研究[J].焊接，2008（8）：26－28.

[3]王家淳.激光焊接技術(shù)的發(fā)展與展望[J].激光技術(shù)，2001，25（1）：51－55.

[4]EN 15085－1：2007軌道車輛及其部件的焊接—第一部分：總則[S].

[5]EN 15085－4：2007軌道車輛及其部件的焊接—第四部分：生產(chǎn)要求[S].