軌道車輛不銹鋼車體典型接頭激光焊接工藝特性研究

韓曉輝，張志毅，馬國龍，鄭自芹，李剛卿，雷振

摘要：通過優(yōu)化兩種板厚組合（2 mm+1.5 mm和1.5 mm+2 mm）的不銹鋼非熔透型激光搭接焊的焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對多參量耦合工況條件下的激光焊接質(zhì)量控制，并對其疲勞性能進(jìn)行研究。運(yùn)用正交試驗(yàn)方法設(shè)計了焊接工藝試驗(yàn)，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析兩種板厚組合焊接接頭的3種關(guān)鍵焊接參數(shù)（焊接功率P、焊速v、離焦量f）與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，得出最優(yōu)焊接工藝參數(shù)，即1.5 mm+2 mm板厚組合：P=3 700 W，v=4 330 mm/min，f=+4 mm;2 mm+1.5 mm板厚組合：P=3 700 W，v=4 580 mm/min，f=0 mm，對比分析最佳焊接工藝參數(shù)下兩種板厚組合激光焊焊接接頭的疲勞性能，2 mm+1.5 mm板厚組合焊接接頭疲勞強(qiáng)度高于1.5 mm+2 mm板厚組合，為不銹鋼車體激光焊接參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化及疲勞性能研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：激光搭接焊;正交設(shè)計;方差分析;焊接參數(shù)優(yōu)化;疲勞極限

中圖分類號：TG456.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0001-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.01

0? ? 前言

SUS301L和EN1.4318系列不銹鋼因其耐腐蝕性好、碳含量低、加工性能和強(qiáng)度良好，被廣泛應(yīng)用于制造軌道車輛不銹鋼車體[1-3]。車體制造過程中主要采用激光焊、電阻點(diǎn)焊和電弧焊等焊接方法，電弧焊和電阻點(diǎn)焊在不銹鋼車體焊接時容易出現(xiàn)晶間腐蝕、焊點(diǎn)多、易變形和密封性差等問題[1-3]，激光搭接焊技術(shù)因其具有焊接速度快、變形小和密封性好等優(yōu)點(diǎn)逐漸被廣泛使用[1-3]。激光焊接工藝參數(shù)直接影響焊接穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量，激光焊接功率、焊速和離焦量等主要工藝參數(shù)選擇不當(dāng)會出現(xiàn)焊接不良、焊接熔池劇烈波動、焊接飛濺等質(zhì)量問題[4-5]。目前針對不銹鋼薄板激光焊的研究主要集中在焊縫質(zhì)量、焊接接頭組織[6]及對力學(xué)性能的影響上[7-10]，文中采用正交試驗(yàn)設(shè)計和方差分析對兩種板厚組合的不銹鋼薄板激光焊接功率P、焊速v和離焦量f三個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，明確了焊接工藝參數(shù)對抗剪強(qiáng)度的影響，并且研究了最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下的焊接接頭的疲勞性能，揭示了焊接工藝參數(shù)對激光焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，為激光焊接應(yīng)用于軌道車輛的實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用不銹鋼薄板SUS301L-HT和EN1.4318+2G作為試驗(yàn)材料，根據(jù)軌道車輛車體橫梁與墻板裝配組合，采用兩種板厚組合（2 mm+1.5 mm和1.5 mm+2 mm），如表1所示，焊板尺寸為150 mm×

300 mm，激光搭接焊拉剪和疲勞試樣示意如圖1所示。對于激光焊接工藝參數(shù)（功率P、焊速v、離焦量f ）選用三因素三水平L9（34）正交設(shè)計表，共9組試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計方案如表2所示，板搭接間隙0 mm，氣流量30 L/min。在試樣上下板墊上墊板，防止試樣在拉剪或疲勞試驗(yàn)過程中因偏心載荷產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

拉剪試驗(yàn)在CMT4304 電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，利用金相顯微鏡進(jìn)行焊縫形貌及微觀組織分析，利用掃描電子顯微鏡觀察焊縫斷口形貌，疲勞試驗(yàn)在QBG-20高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，選取6～8個應(yīng)力級，極限位置每個應(yīng)力級3～5個試樣或者參與疲勞強(qiáng)度計算的數(shù)據(jù)符合工程誤差和置信度要求，每個應(yīng)力級滿足工程誤差及置信度要求，若不滿足要求則增加數(shù)量直至滿足要求為止。最終求得工程誤差5%、存活率50%的中值疲勞極限以及置信度95%、存活率99%的安全疲勞極限，疲勞試驗(yàn)條件及規(guī)范如表3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)正交設(shè)計試驗(yàn)方案兩種板厚組合分別做9次試驗(yàn)，正交設(shè)計方案及試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。通過方差分析可以得到單一焊接參數(shù)對抗剪強(qiáng)度的影響，1.5 mm+2 mm板厚組合和2 mm+1.5 mm板厚組合的抗剪強(qiáng)度方差分析結(jié)果分別如表6和表7所示。通過對比分析F可知，1.5 mm+2 mm板厚組合：F離焦量f>F功率P>F焊速v，即功率P、焊速v和離焦量f對抗剪強(qiáng)度的影響權(quán)重為離焦量f>功率P>焊速v;F分布表中F0.05（2，2）=19.0，F(xiàn)離焦量f

>F0.05（2，2）可知離焦量f對其焊接接頭最大剪切有顯著影響。2 mm+1.5 mm板厚組合：F離焦量f>F功率P

>F焊速v，與1.5 mm+2 mm板厚組合規(guī)律相同，3個關(guān)鍵工藝參數(shù)對抗剪強(qiáng)度的影響權(quán)重也為離焦量f>功率P>焊速v，而F離焦量f>F0.05（2，2）、F功率P>F0.05（2，2），離焦量f和功率P對抗剪強(qiáng)度有顯著影響。

通過分析每個工藝參數(shù)單一水平的抗剪強(qiáng)度平均值影響規(guī)律，可以得出該因素下的最優(yōu)水平。不同板厚組合下抗剪強(qiáng)度均值與焊接參數(shù)的關(guān)系分別如圖2、圖3所示。由圖2可知，1.5 mm+2 mm板厚組合焊接接頭抗剪強(qiáng)度隨功率P增加而上升，隨焊速v增加而下降，離焦量f=+4 mm時有抗剪強(qiáng)度極大值，因此，1.5 mm+2 mm板厚組合下的最優(yōu)水平組合為P=3 700 W、v=4 330 mm/min、f=+4 mm。由圖3可知，2 mm+1.5 mm板厚組合焊接接頭抗剪強(qiáng)度隨功率P增加而增大，焊速v=4 580 mm/min、離焦量f=0 mm時焊接接頭抗剪強(qiáng)度最大，因此，

2 mm+1.5 mm板厚的最優(yōu)水平組合為P=3 700 W、v=4 580 mm/min、f=0 mm。

對比1.5 mm+2 mm板厚組合和2 mm+1.5 mm板厚組合的最優(yōu)工藝參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，兩種板厚組合的抗剪強(qiáng)度隨功率P增大而增大，但抗剪強(qiáng)度隨焊速與離焦量的變化規(guī)律不同。對于1.5 mm+2 mm板厚組合，焊接速度4 330 mm/min能夠保證其具有較好的抗剪強(qiáng)度，繼續(xù)提高焊接速度易導(dǎo)致熔深淺或熔寬不足，進(jìn)而降低抗拉強(qiáng)度;2 mm+1.5 mm板厚組合在4 330～4 830 mm/min范圍內(nèi)已具有相對較大的熔寬，而焊接速度較慢（4 330 mm/min）的焊縫形狀易出現(xiàn)“ 啞鈴型 ”，典型形貌如圖4b所示，熔寬則位于“ 啞鈴型 ”焊縫腰部，導(dǎo)致熔深較深而熔寬和抗剪強(qiáng)度降低，因此4 580 mm/min為較優(yōu)的焊接速度選擇。對于2 mm+1.5 mm板厚組合，離焦量為0 mm時，能夠使得激光熔穿上板母材且保證焊縫有足夠的熔深，而對于1.5 mm+2 mm板厚組合，+4 mm的離焦量有助于提高焊縫在搭接處的熔寬，進(jìn)而提高抗剪切強(qiáng)度。

2.2 接頭截面宏觀形貌

1.5 mm+2 mm板厚組合和2 mm+1.5 mm板厚組合的不銹鋼焊板在最優(yōu)焊接參數(shù)下焊接接頭橫、縱截面形貌如圖4、圖5所示。由圖可知，接頭形貌良好，焊縫組織為奧氏體+少量δ鐵素體，焊縫宏觀呈現(xiàn)“ 雙曲線 ”形狀且無氣孔等缺陷;熔池邊緣與母材處有明顯的熔合線，熱影響區(qū)窄小;焊縫區(qū)域內(nèi)有沿著垂直于焊縫中心的柱狀晶，未見熔合不良、焊接飛濺和焊穿等焊接質(zhì)量問題;在最優(yōu)工藝參數(shù)下的焊接接頭既能保證焊縫最底部波動距上下板搭接縫隙有一定距離，又能保證焊縫有一定的熔深和熔寬，從而使焊縫具有足夠的承載能力。

2.3 疲勞性能分析

根據(jù)最優(yōu)焊接工藝參數(shù)，對1.5 mm+2 mm板厚組合和2 mm+1.5 mm板厚組合的焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其中存活率為50%的中值疲勞極限按式（1）進(jìn)行計算：

式中 m為試驗(yàn)總次數(shù);n為應(yīng)力水平級數(shù);Fi為第i級應(yīng)力水平;Vi為第i級應(yīng)力水平下的壽命。

采用升降法測得工程誤差δ≤5%、置信度95%，失效概率1%的激光搭接焊安全疲勞極限值，試驗(yàn)結(jié)果如下：1.5 mm+2 mm板厚組合焊接接頭存活率為50%的中值疲勞極限為F50%= （3.4+3.2×6+3×5+

2.8）/13=3.11 kN，置信度95%、失效概率1%的安全疲勞極限最大力F（0.01，0.95）=F50%-σ·k（0.01，0.95，12）=3.11-0.15525×3.659=2.55 kN;2 mm+1.5 mm板厚組合焊接接頭存活率為50%的中值疲勞極限為F50%=（4×5+3.8×6+3.6×2）/13=3.85 kN，置信度95%，失效概率1%的安全疲勞疲勞極限最大力F（0.01，0.95）=

F50%-σ·k（0.01，0.95，12）=3.85-0.1450×3.659=3.32 kN。兩種不同板厚組合的不銹鋼激光搭接焊焊接接頭疲勞最大力與循環(huán)壽命關(guān)系如圖6所示。對比分析兩種板厚組合焊接接頭S-N曲線可知， S-N曲線變化趨勢有拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)以上，兩種板厚組合焊接接頭循環(huán)壽命隨應(yīng)力提高而顯著下降，在拐點(diǎn)以下，循環(huán)壽命隨應(yīng)力下降明顯提高。

兩種板厚組合的疲勞裂紋擴(kuò)展形貌如圖7所示?？梢钥闯觯诹鸭y在兩板搭接間隙處開始萌生，此處為應(yīng)力集中處，也是硬度最低的熔合線及熱影響區(qū)處，焊縫區(qū)域硬度低于母材，在不銹鋼搭接焊的熔合線處存在軟化現(xiàn)象[11]。焊接接頭硬度分布如圖8所示，可見焊縫熔合線為硬度最低處，當(dāng)疲勞裂紋萌生后逐漸沿下板開始擴(kuò)展至斷裂失效。典型激光焊焊接接頭疲勞斷口形貌如圖9所示，疲勞源區(qū)位于焊板內(nèi)側(cè)并能觀察到疲勞臺階，疲勞擴(kuò)展區(qū)可以觀察到清晰的疲勞輝紋，當(dāng)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展后形成瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)形貌為孔洞聚集型韌窩形貌。

3 結(jié)論

（1）通過正交試驗(yàn)設(shè)計方差分析，以焊接接頭抗剪強(qiáng)度為評價指標(biāo)，得出功率P、焊速v和離焦量f對1.5 mm+2 mm板厚組合和2 mm+1.5 mm板厚組合的焊接接頭抗剪強(qiáng)度的影響權(quán)重均為F離焦量f>F功率P>F焊速v，其中離焦量f對抗剪切強(qiáng)度的影響最為顯著。

（2）通過對單個因素下每個水平抗剪強(qiáng)度平均值進(jìn)行分析，得出1.5 mm+2 mm板厚組合的最優(yōu)焊接參數(shù)組合為：P=3 700 W，v=4 330 mm/min，f=+4 mm;

2 mm+1.5 mm板厚組合的最優(yōu)焊接參數(shù)組合為：P=

3 700 W，v=4 580 mm/min，f=0 mm。

（3）對1.5 mm+2 mm和2 mm+1.5 mm板厚組合在最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下的焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)得出，2 mm+1.5 mm板厚組合的焊接接頭中值疲勞極限（3.85 kN）高于1.5 mm+2 mm板厚組合焊接接頭的疲勞極限（3.11 kN）。

（4）分析激光焊焊接接頭疲勞斷裂特征得出，兩種板厚組合焊接接頭疲勞裂紋均起源于板搭接間隙尖角處并朝非熔透板側(cè)擴(kuò)展，疲勞斷口上均有典型疲勞輝紋特征。

4 應(yīng)用前景及實(shí)施案例

激光焊接技術(shù)雖然在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚，但因其高效、優(yōu)質(zhì)、綠色、智能的工程特點(diǎn)，同時在關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、成套裝備研制及標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建的強(qiáng)力推動下，近年來已在高鐵、地鐵等軌道客車產(chǎn)品中取得了良好的工程應(yīng)用效果，已完成了北京地鐵14號線、青島地鐵1號線、2號線、6號線、8號線、11號線、13號線等共計2000余輛城軌地鐵列車的激光焊接制造，復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的空調(diào)隔音框、香港地鐵市區(qū)線的窗框、頂板，芝加哥地鐵的風(fēng)道、側(cè)頂?shù)雀叨搜b備項(xiàng)目的關(guān)鍵功能組件也采用激光焊接技術(shù)，支撐中車四方股份取得了阿根廷、埃及等出口訂單，該技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用為軌道客車制造水平的提升和產(chǎn)品升級換代提供了有力的技術(shù)保障。

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