(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司,河北 唐山 063035; 2.廣西防城港核電有限公司,廣西 防城港 538000)

0 序 言

國(guó)內(nèi)外高鐵和動(dòng)車組車體多采用鋁合金型材制造，鋁合金車體在輕量化方面優(yōu)勢(shì)最明顯，但其生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳鋼車體，且不易維護(hù)，壽命周期、成本也比碳鋼和不銹鋼車體高很多[1]。目前，歐洲在設(shè)計(jì)時(shí)速較低的動(dòng)車組擬采用碳鋼材料生產(chǎn)制造，采用碳鋼材料制造的車體較鋁合金型材的可修復(fù)性好，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制造的關(guān)鍵工藝。對(duì)于車輛運(yùn)行時(shí)高速、動(dòng)載服役的特點(diǎn)，生產(chǎn)上往往要求焊接變形小、效率高和接頭質(zhì)量?jī)?yōu)良。與常規(guī)的熔焊方法相比，激光填絲焊具有熱輸入低、焊接變形小，接頭質(zhì)量?jī)?yōu)良、生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接等優(yōu)點(diǎn)[2-5]，因此更加適合于長(zhǎng)焊縫、要求變形小的車體結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)。試驗(yàn)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(duì)厚度為2.5 mm和3 mm的碳鋼材料的T形接頭，開(kāi)展大角度激光填絲焊接工藝及性能研究，為碳鋼車體及相關(guān)結(jié)構(gòu)件的激光焊接生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 母材及焊接材料檢驗(yàn)

試驗(yàn)所用母材為2.5 mm厚的05CuPCrNi和3 mm厚的09CuPCrNi-A，焊材為φ1.0 mm的ER50-G。表1～2為母材和焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分

1.2 焊接設(shè)備

試驗(yàn)采用激光填絲焊，激光為6 kW光纖激光器，光纖芯徑為0.6 mm，焦距223 mm。送絲機(jī)為數(shù)字化TIG焊設(shè)備中的送絲機(jī)構(gòu)。

表2 母材性能

1.3 焊接接頭形式

工藝試驗(yàn)針對(duì)3 mm厚09CuPCrNi-A鋼+2.5 mm厚05CuPCrNi鋼的T形接頭，采用激光填絲雙面兩道焊接，要求焊透，而不能焊穿底板，并且控制變形。接頭形式如圖1所示。焊接時(shí)，焊絲在前，激光在后，激光、焊絲和焊接方向在一個(gè)面上，并與底板夾角為35°，激光垂直于焊縫，焊絲與焊縫成20°夾角。

圖1 坡口形式

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 表面堆焊試驗(yàn)

試驗(yàn)在橫焊位置對(duì)3 mm厚的09CuPCrNi-A試板進(jìn)行堆焊，考察不同工藝參數(shù)下獲得的接頭焊縫的熔深和熔寬。表3為試驗(yàn)參數(shù)。圖2和圖3為堆焊試驗(yàn)焊縫橫截面照片。圖4和圖5為熔深、熔寬結(jié)果分析。從結(jié)果來(lái)看，一定焊接速度下，隨著激光功率的增加，熔深、熔寬均呈上升的趨勢(shì)。并且隨著送絲速度增加，熔深呈下降趨勢(shì)，而熔寬變化不明顯。由于立板厚3 mm，采用雙面兩道焊接工藝焊接，為保證焊透，每面焊道至少需要1.5 mm的熔深；由于激光與底板夾角為30°，要保證在T形接頭完全焊透，還需保證一定的熔寬，假設(shè)焊縫是等寬的，那么焊縫的熔寬不應(yīng)低于1.1 mm。要保證焊透，當(dāng)焊接速度為3.0 m/min，激光功率為2.5～3.5 kW之間；當(dāng)焊接速度為3.5 m/min，激光功率為3.0～3.5 kW之間；當(dāng)焊接速度為2.5 m/min，激光功率為2.5～3.0 kW之間。在一定速度下，激光功率太大，會(huì)導(dǎo)致焊接變形大，同時(shí)導(dǎo)致過(guò)多的激光能量將損耗在底板的熔化上，這些對(duì)該結(jié)構(gòu)的焊接都是不利的；而激光功率小或焊接速度快，焊縫的熔寬過(guò)小，導(dǎo)致在立板上的有效熔深不夠，容易形成未焊透缺陷。因此，焊接速度控制在2.5～3.5 m/min為宜，同時(shí)匹配激光功率3.5～4.0 kW，送絲速度2.5～3.5 m/min。

表3 焊接參數(shù)

圖2 不同焊接速度下的焊縫成形

2.2 光斑位置試驗(yàn)

光斑在立板上的位置對(duì)焊縫表面成形有影響。試驗(yàn)對(duì)光斑全部位于立板、3/4光斑位于立板和1/2光斑位于立板三個(gè)位置進(jìn)行焊接試驗(yàn)，考察焊縫表面成形質(zhì)量。圖6為試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，當(dāng)光斑全部位于立板時(shí)，焊縫下表面出現(xiàn)咬邊和熔合不良等缺陷，在3/4光斑位于立板和1/2光斑位于立板之間，焊縫成形良好，試驗(yàn)光斑位置選在該范圍內(nèi)?？梢钥闯龉獍呶恢脤?duì)焊縫表面成形，特別是焊縫兩側(cè)的熔合有很大的影響。

圖3 送絲速度對(duì)焊縫成形的影響

圖4 激光功率、送絲速度對(duì)焊縫成形的影響(3.0 m/min)

2.3 離焦量試驗(yàn)

激光焊接中，離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響很大，特別在激光填絲焊接中對(duì)焊縫成形影響較大。采用+2 mm,+4 mm和+6 mm三個(gè)離焦量進(jìn)行工藝試驗(yàn)。圖7為不同離焦量下焊縫橫截面的照片，從照片來(lái)看，離焦量為+2 mm和+4 mm，由于離焦量較小，導(dǎo)致焊縫熔寬過(guò)小，因此在立板上的有效熔深不夠，使得焊縫中心出現(xiàn)未熔合缺陷。離焦量越小，未熔合的區(qū)域越大。當(dāng)離焦量達(dá)到+6 mm時(shí)，兩側(cè)焊縫能實(shí)現(xiàn)良好的熔合。

圖5 激光功率、送絲速度對(duì)焊縫成形的影響(3.5 m/min)

圖6 光斑位置對(duì)焊縫表面的影響

圖7 離焦量試驗(yàn)焊縫斷面

2.4 優(yōu)化工藝參數(shù)

通過(guò)工藝試驗(yàn)得到優(yōu)化的工藝參數(shù)，見(jiàn)表4。圖8為優(yōu)化的工藝焊接試板照片，可以看出，焊縫表面光滑、平直，成形美觀。圖9為X射線照片，照片沒(méi)有氣孔等缺陷，結(jié)果表明焊縫良好的成形質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量。

表4 優(yōu)化的焊接參數(shù)

圖8 焊接試板照片

圖9 焊接試板X射線照片

3 焊接接頭的組織及性能

3.1 金相試驗(yàn)結(jié)果

圖10為焊接接頭的宏觀形貌。由圖10可知，未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。接頭各區(qū)金相組織如圖11所示。焊縫區(qū)為貝氏體+馬氏體，呈典型的柱狀晶特征。過(guò)熱區(qū)為貝氏體，呈等軸晶；正火區(qū)為貝氏體+少量鐵素體，呈細(xì)等軸晶；不完全正火區(qū)為鐵素體和貝氏體，同時(shí)在晶間彌散分布有大量碳化物相。

圖10 焊接接頭宏觀金相

圖11 接頭各區(qū)域金相組織

3.2 硬度試驗(yàn)結(jié)果

硬度試驗(yàn)用于考核焊接接頭的硬化、軟化情況。試驗(yàn)采用維氏顯微硬度試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。從圖中可看出，焊縫、熱影響區(qū)的硬度值均略高于母材的硬度值，這與所選擇的焊絲強(qiáng)度較母材偏高有關(guān)；同時(shí)熱影響區(qū)沒(méi)有明顯的硬化、軟化傾向。

圖12 硬度值曲線

4 結(jié) 論

(1)獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)，采用該參數(shù)焊接的接頭熔合良好，無(wú)氣孔等缺陷。

(2)若要保證該T形接頭焊透，除了需要保證一定熔深外，還需要焊縫有一定的熔寬。

(3)該T形接頭工藝參數(shù)中，光斑在立板上的位置對(duì)焊縫表面成形有影響很大，激光功率和光斑大小對(duì)焊縫成形影響次之，焊接速度影響較小。

(4)焊縫、熱影響區(qū)的硬度值均略高于母材的硬度值，影響區(qū)硬化、軟化傾向不明顯，這與所選擇的焊料有關(guān)，同時(shí)說(shuō)明該工藝下接頭質(zhì)量?jī)?yōu)良。

[1] 杜彥品. 基于鐵路客車碳鋼車體的輕量化提升與應(yīng)用[D]. 成都: 西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2014.

[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] Huntington C A, Engar T W. Laser welding of aluminum and aluminum alloys [J]. Welding Journal, 1990, 80(4): 105-107.

[4] 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.

[5] 左鐵釧,肖榮詩(shī),陳 鎧, 等. 高強(qiáng)鋁合金的激光加工[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2002.