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SUS301L不锈钢激光焊研究现状

时间:2020年05月06日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘要:SUS301L系列奥氏体不锈钢及系列等效产品由于其良好的抗晶界腐蚀性及力学性能已成为轨道车辆车体制造的主要材料。激光焊作为一种前沿焊接方法,已被应用到轨道车辆车体的生产制造中。文中阐述了YAG固体激光焊、CO2激光焊、盘式固体激光焊、光纤激光焊、

  摘要:SUS301L系列奥氏体不锈钢及系列等效产品由于其良好的抗晶界腐蚀性及力学性能已成为轨道车辆车体制造的主要材料。激光焊作为一种前沿焊接方法,已被应用到轨道车辆车体的生产制造中。文中阐述了YAG固体激光焊、CO2激光焊、盘式固体激光焊、光纤激光焊、激光-MAG复合焊、激光-MIG复合焊等焊接方法的特点,介绍了SUS301L不锈钢采用不同激光焊方法时的特性,对SUS301L不锈钢激光焊以及激光电弧复合焊的发展趋势作出展望。

  关键词:SUS301L不锈钢;激光焊;复合焊

机车车辆工艺

  0前言

  近年来,随着我国经济的快速发展以及“一带一路”战略的推进实施,轨道交通装备制造已经成为助推我国经济发展的重要引擎,轨道车辆技术发展也带动了不同的相关技术研究领域的发展。作为轨道车辆车体的主要材料之一,不锈钢具有良好的焊接性、耐腐蚀性、塑性、韧性以及防火安全性[1-2],其中,SUS301L系列奥氏体不锈钢及系列等效产品由于其良好的抗晶界腐蚀性及力学性能已成为车体制造的主要材料,目前国际上不锈钢车辆大多采用SUS301L系列奥氏体不锈钢薄板材料[3-5]。

  激光焊具有热输入低、能量密度高、焊接变形小、焊接速度快等优点[6-9],越来越多地被应用到轨道车辆车体的制造中。文中介绍了SUS301L不锈钢采用不同激光焊方法时的特性,对SUS301L不锈钢激光焊以及激光电弧复合焊的发展趋势作出展望。

  1SUS301L不锈钢常见激光焊方法

  激光焊的热源是激光束,产生激光束的设备是激光器[10],文中综述了SUS301L不锈钢常见激光焊方法以及复合焊方法。

  1.1YAG固体激光焊

  YAG固体激光焊的激光波长为1.06μm,其原理为:激光电源放电,使氙灯产生光波,光波经聚光腔聚焦Nd:YAG晶体上,从而激发其产生激光,再经过谐振腔作用后产生脉冲激光输出。其利用高能量脉冲激光对工件实施焊接,易被金属材料吸收,加工性能良好,并能通过光纤传输,若与机器手结合,则可实现柔性加工[11]。

  张岩等人[12]研究了不同工艺条件下板厚0.8mm的SUS301L脉冲激光焊对接接头组织特点及硬度,结果发现,焊缝熔深、熔宽、背面焊缝宽度以及深宽比皆随着脉冲宽度的增加而增大,焊缝的主要组织为奥氏体+少量铁素体,焊缝边缘主要为柱状晶,焊缝中心主要为胞状晶,焊接接头的硬度分布呈“W”状。

  刘亚姣等人[13]利用1.5mm厚的SUS301L-DLT,SUS301L-HT不锈钢冷轧板制备搭接部分熔透、无填料对接的激光焊试件,研究了焊缝结构对断裂行为和力学性能的影响。结果发现,试件激光焊缝的金相组织为γ奥氏体和少量δ铁素体,试件的热影响区很窄,301L-HT板搭接激光试件的断裂发生在部分熔焊板加载端焊缝边缘,呈脆性断裂倾向,301L-DLT板搭接激光焊件为界面焊缝拉伸-剪切断裂,焊缝的抗剪强度较高,母材塑性变形明显,301L-HT板对接激光试件拉伸断裂发生于焊缝,301L-DLT板对接激光焊件拉伸断裂模式为母材断裂,断裂强度值大于301L-HT板对接激光试件焊缝处的值,变形均匀、塑性好。301L不锈钢冷轧板激光焊缝金属具有良好的抗弯和拉伸性能,其中301L-DLT冷轧板的激光焊接性能优于301L-HT板的。

  2种板材的焊接热影响区硬度比母材的有所降低,但高于焊缝的硬度,尤其是高强度的301L-HT冷轧板,这种硬度分布有利于改善焊接接头的疲劳性能。YAG固体激光焊接头金相组织为γ奥氏体和少量δ铁素体,焊缝熔深、熔宽、背面焊缝宽度以及深宽比皆随着脉冲宽度的变化而变化,不同强度等级的SUS301L不锈钢焊接性能不同,且激光焊搭接接头断裂方式不同,激光焊对接与搭接焊缝的硬度分布不同。

  1.2CO2激光焊

  CO2激光焊是利用CO2激光器发射激光对工件进行焊接。CO2激光器由N2,He,和CO2这3种介质组成,其中CO2是产生激光的气体,N2,He作为辅助气体,激光器通电后放电,CO2分子从低能级跃迁到高能级,实现粒子翻转形成激光,照射工件实现焊接。王素环等人[14]对2mm厚的SUS301L-ST不锈钢采用电弧焊和激光焊2种方法进行焊接,发现激光焊焊缝热影响区较电弧焊的小,激光焊焊缝及热影响区主要为柱状晶及等轴晶,电弧焊焊缝及热影响区主要为柱状晶,且激光焊的焊接接头晶粒较电弧焊的细小,激光焊接头的抗拉强度高于电弧焊接头的强度。LongChen等人[15]研究了厚4mm和厚2mm的SUS301L不锈钢激光焊对接接头。通过优化工艺参数,研究了对接的间隙公差。

  使用w(草酸盐)10%溶液进行电解蚀刻,以测试4mm厚的SUS301L焊接接头的晶间腐蚀。在1×107的条件循环时间下测试2mm厚的SUS301L焊接接头的疲劳性能。使用光学显微镜,还研究了4mm厚的SUS301L的焊接区域中冶金组织的变化。已经发现,4mm厚的SUS301L的激光对接焊接在对接间隙处于一定公差内时能够实现良好的冶金形态和高强度焊接接头。该焊接接头还具有良好的抗晶间腐蚀性,并具有310MPa的疲劳极限。高瑞全等人[16]研究了奥氏体不锈钢2-SUS301L-ST对接接头的外观形貌、力学性能、显微硬度、金相组织等,考察了激光焊典型对接接头的焊接性能。

  研究得出:激光焊间隙≤0.2mm时,激光焊接过程稳定,焊缝成形均匀美观,未发现外观缺陷和内部缺欠;激光焊接头具有较好的塑韧性,其平均抗拉强度为786MPa,激光焊对接接头显微硬度约HV250;激光焊焊缝的微观组织均为柱状晶奥氏体组织,热影响区显微组织致密、晶粒细小。CO2激光焊的焊接接头晶粒较电弧焊细小,且激光焊接头抗拉强度优于电弧焊抗拉强度,激光焊对接接头的间隙处于一定公差内时能够实现良好的冶金形态和高强度焊接接头。

  1.3盘式激光焊

  盘式激光器最初由德国斯图加特大学钢模具研究所发明,其发光晶体采用Yb:YAG,所以盘式激光器发出的激光可用光纤传输。盘式激光器可输出大功率、小光斑直径的激光束,因此可以在保证焊接速度的基础上,得到热影响区小的窄焊缝。安少云等人[17]研究了2mm厚的SUS301L-DLT不锈钢激光焊速度对不锈钢焊接接头组织和性能的影响,激光焊功率相同、焊接速度较低时,焊缝金属熔化烧损比较严重,焊缝及热影响区很宽,焊缝表面横向和纵向不平度大;随着焊接速度的提高,焊缝的平面度偏差减小,表面状态得以改观;但焊接速度过高时,焊缝变窄,易呈现不连续的雨滴状。

  焊缝背面随速度的提高,表面受热影响逐渐减小,表面更加光洁;激光焊功率相同时,焊缝熔宽及熔深随着焊接速度的提高而减小;激光搭接焊焊缝的组织主要为奥氏体和少量铁素体;焊接接头存在过热区,该区晶粒较大,影响接头的性能;显微硬度分析表明,焊接接头的显微硬度均低于母材的显微硬度,母材的显微硬度最高。

  王洪潇等人[18]针对不锈钢车体电阻点焊外观质量较差和密封性不良等问题,研究采用非熔透型激光搭接焊工艺进行不锈钢车体焊接,分析了激光接工艺参数(激光功率P,焊接速度v,离焦量F等)对搭接焊熔深和抗剪强度的影响规律,得出合理的激光搭接焊工艺参数为:P=2.0kW,v=22mm/s,F=0mm。焊缝硬度较母材的硬度高,焊缝边缘细小柱状晶的硬度比焊缝中心细小等轴晶的硬度高,焊缝中心处硬度在焊缝中最低,但略高于母材硬度。激光焊接头抗剪强度高于点焊接头的,外墙板表面无焊接痕迹。

  2SUS301L不锈钢复合激光焊

  激光复合焊于20世纪70年代末提出,主要因为当时激光器成本高,且功率不高,为了降低成本,又能满足焊接深度,在此背景下,英国帝国理工学院SteenWM教授首次提出激光-电弧复合焊技术的概念,该技术充分集成了激光焊与电弧焊的优点,具有焊接熔深大、工艺稳定性高、焊接生产效率高、焊接缝隙桥接能力强、可焊材料范围广及焊接变形小等优点,更适合现代焊接工业的发展需求[23-25]。

  2.1激光-MAG复合焊

  韩晓辉等人[26]以6mm厚的SUS301L-MT奥氏体不锈钢为研究对象,研究了激光-MAG(metalactivegaswelding)复合焊接头的成形规律及接头性能。结果表明:激光功率以及离焦量的增大能增加焊缝上表面熔宽,焊接速度的提高能使焊缝中部熔宽和下表面熔宽明显减小;焊缝宽度比随离焦量的增大显著增加;焊缝组织为奥氏体+δ铁素体;接头纵向残余应力在接头中心位置存在极大值,约为330MPa。韩晓辉等人[27]对8mm厚的SUS301L-MT不锈钢进行激光-MAG复合焊,研究了不同保护气体流量对焊缝成形、显微组织以及力学性能的影响。

  结果表明:当其他参数一定时,在该条件下保护气体流量对焊缝成形的影响较小,且焊缝区域组织相似,主要为柱状奥氏体树枝晶+少量δ铁素体。接头显微硬度以及冲击韧性随保护气体流量变化不明显。接头抗拉强度随保护气体流量增加而提高,不同保护气体流量下的断口微观形貌相似,断口区域分布着大量韧窝,表现为韧性断裂。

  3展望

  SUS301L系列奥氏体不锈钢及系列等效产品由于其良好的抗晶界腐蚀性及力学性能已成为轨道车辆车体制造的主要材料,激光焊作为一种前沿焊接方法越来越多地被应用到轨道车辆车体的焊接中,但是常用激光焊功率较低,只能焊接较薄的板材,且一般激光焊对接头的间隙极为敏感,具有一定的局限性。

  近年来,激光-电弧复合焊成为激光焊发展的趋势之一,激光-电弧复合焊将激光和电弧2种热源的优点集中起来,弥补了单热源焊接工艺的不足[31]。虽然激光电弧复合焊较一般激光焊复杂,但是复合焊焊缝熔深大、对接头间隙不敏感,且通过焊丝可以改善焊缝的性能。因此,激光电弧复合焊将来一定会在轨道交通行业以及其他装备制造领域得到广泛应用,研究激光功率、焊接速度、离焦量、保护气体流量、热源间距等工艺参数对激光-电弧复合焊焊缝的影响规律以及如何得到最优的参数仍是激光-电弧复合焊的研究重点。

  参考文献:

  [1]陈庆雷.SUS301L奥氏体不锈钢激光焊接头组织与力学性能的硏究[D].吉林长春:吉林大学,2012.

  [2]陈英杰,朱加雷,焦向东.304不锈钢激光搭接焊接头的组织及力学性能[J].电焊机,2017,47(2):76-79.

  [3]李磊.城轨客车用不锈钢薄板激光搭接焊接头组织与力学行为研究[D].辽宁大连:大连交通大学,2012.

  [4]薛克仲.城市轨道车辆车体材料选择[J].城市轨道交通研究,2003(1):14-19.

  [5]李刚卿,韩晓辉.不锈钢车体的焊接工艺及发展[J].机车车辆工艺,2004(2):1-4.

  机械论文投稿刊物:机车车辆工艺宗旨是紧跟我国铁路运输事业的发展,以铁路高速、重载,及城市轨道交通制造业的新技术、新工艺、新材料、新设备为报道重点;及时反映机车车辆运用检修中的热点、难点问题。