激光搭接焊工艺与电阻点焊工艺在轨道车辆不锈钢车体中的对比分析

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

0 前言

不锈钢轨道车辆具有外板免涂装、节约能源、安全性高、耐腐蚀性强、使用寿命长、维护量少等优点，其市场需求越来越大。由于不锈钢导热系数小、线胀系数大，所以不锈钢车体多采用电阻点焊工艺[1]。由于电极等原因，电阻点焊方法在不涂装的不锈钢外板不可避免地会产生明显的焊点压痕；另外，制造的车体密封性较差，只能适用于城轨车体，很难适用于高速列车。

为此研发了部分熔透激光焊叠焊工艺，通过控制焊接参数使激光束贯穿补强板，在熔入外墙板某一深度时中止，主要解决不锈钢客车车体外观质量不佳和气密性较差的问题，最终实现将不锈钢客车应用于高速列车领域的目标。日本首先提出用激光焊接方法代替电阻点焊，研究开发激光焊接的不锈钢客车。日本的川崎重工[2]和意大利的AnsaldoBreda[3]开展了采用激光搭接焊替代电阻点焊焊接不锈钢车辆的研究，并将该技术应用于不锈钢车辆的生产中，但目前尚无激光焊接与电阻点焊的对比研究报道。

研发部分熔透的不锈钢激光搭接焊工艺对于提高不锈钢车辆的制造技术具有实际应用价值，激光焊接不锈钢轨道车辆的市场需求也在不断扩大，市场前景良好。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

轨道车辆不锈钢车体大多采用SUS301L系列奥氏体不锈钢板材，外墙板和补墙骨架的厚度分别为2 mm和1 mm。SUS301L系列不锈钢化学成分及力学性能如表1所示。

表1 SUS301L奥氏体不锈钢化学成分及力学性能[4]

1.2 试验设备及方法

激光焊接使用Trudisk4002盘式固体激光器，额定功率4 kW；光束质量8 mm·mrad，激光束波长1.06 μm；光纤直径0.6 mm；焦距200 mm。保护气体为氩气，流量30L/min，氩气纯度大于等于99.999%，由直径8 mm的导嘴导出。

电阻点焊采用现代YBA-250S型点焊机进行，电阻点焊工艺参数按照工厂制造不锈钢车体工艺参数执行——电流8000A，压力10 kN，频率50Hz，保压时间为8个周波。激光焊接工艺参数采用前期试验优选出的工艺参数——激光功率2.0 kW，焊接速度25 mm/s，离焦量0 mm。电阻点焊及激光搭接焊形式如图1所示。焊接时，通过工装对工件施加压紧力，使上下两板间没有间隙。

图1 激光搭接焊及电阻点焊接头形式

焊后参照GB/T2651-1989制样，并在WE-30型液压万能试验机上进行剪切拉伸试验。采用Olympus BX-51M型光学显微镜（OM）和JSM-6360LV型扫描电镜（SEM）观察分析焊缝形貌和显微组织。

2 结果与讨论

2.1 接头强度

根据JISZ3140-1989点焊焊接区的检验方法，1 mm+2 mm点焊接头最小焊核直径为5.0 mm，最小剪切拉伸载荷为7.84 kN。不锈钢车体中常用的点焊焊核与剪切拉伸载荷如表2所示。

表2 不锈钢车体点焊剪切试验结果

不锈钢车体激光焊试验结果如表3所示。激光搭接焊接头剪切拉伸载荷最小为26.5 kN，外表面无焊接痕迹，激光搭接焊接头剪切拉伸载荷较电阻点焊接头提高近30%，美观程度优于电阻点焊接头。

表3 不锈钢车体激光焊试验结果

2.2 外观质量

由于电极的压紧力和热输入作用，电阻点焊不可避免地导致在外板表面残存着直径约1 cm的压痕，影响不涂装的不锈钢客车外观质量。采用激光焊接，通过控制工艺参数使激光束贯穿上板，在熔入下板某一深度时中止，焊缝熔深小于工件的整体厚度，从而实现外表面没有焊接痕迹，达到美观要求。激光焊接后的表面状态如图2a所示，外表面没有变形，不会因热循环出现焊接痕迹或氧化变色；电阻点焊后表面状态如图2b所示，焊点处有明显的变形，实际生产中经常需要对点焊组成的构件进行矫正。

2.3 微观结构

激光焊接速度快，熔池金属的凝固过程通常在几十毫秒内完成，易产生非平衡显微组织，激光焊接头的热影响区都很窄，有的几乎看不到热影响区[5]。激光搭接焊焊缝宏观形貌如图3所示。在熔合区边界能清楚地看到熔合线，焊缝中晶粒的结晶方向垂直于熔合线而指向焊缝中心。由于激光焊接熔池较小，且冷却速度快，在冷却过程中熔池内部几乎是同时冷却的，在焊缝中部容易出现等轴晶。在熔合线附近，开始时结晶速度极快，之后结晶速度减慢，出现树枝晶组织，焊缝致密无缺陷，焊缝熔深远小于工件厚度。

点焊熔核实际上是利用合金的电阻热使部分固态合金熔化形成的，它形成后处于与其同成分的固态合金的封闭状态下[6]。点焊熔核凝固时热量只能由熔核的中心向周围导出，在凝固界面的每一局部，导热方向都与该局部凝固界面垂直，因此点焊熔核的凝固组织实际在单向导热条件下进行。这是SUS301L不锈钢板点焊接头熔核凝固组织为定向柱状晶组织的原因。电阻点焊接头组织如图4所示，明显为柱状晶，熔核厚度小于工件厚度，但熔核边缘距工件表面很近，很容易出现因热作用产生的氧化变色，同时由于电极作用会出现压痕，影响外观质量。

图2 激光焊接与电阻点焊车体表面质量对比

图3 激光焊接头微观组织

2.4 工作效率

目前在实际生产中，电阻点焊的焊接速度约为1 m/min，激光焊接速度可以根据不同的要求达到很高。本研究中的激光焊接速度是经前期大量试验摸索出的，并与激光功率相匹配，约为2.5 m/min，将焊接速度提高约50%。

图4 电阻点焊接头微观组织

文献[2-3]提到日本和意大利的公司的激光焊接试验，其焊接速度达到5 m/min，但是Samanta[7]和El-Batahgy[8]在研究激光焊接工艺参数对焊缝成形等的影响时指出，要达到理想的焊接效果，需要激光焊接功率与焊接速度等工艺参数相互匹配。本试验也表明，对于部分熔透的激光搭接焊，需要高功率匹配高焊速，低功率匹配低焊速，以保证熔深满足要求。而对于1mm+2mm不锈钢板厚组合5m/min的焊速，至少需要匹配约4 kW的激光功率才能保证外表面无焊接痕迹，常见的激光器很难满足要求。

3 结论

（1）采用激光搭接焊工艺焊接不锈钢车体侧墙结构，通过确定合理的工艺参数能够得到既满足强度要求又能兼顾美观的焊接接头。

（2）部分熔透激光搭接焊可以代替电阻点焊进行不锈钢车体焊接。

（3）采用激光焊技术能够提升不锈钢城轨车体产品的档次和技术含量，缩短不锈钢车体的焊接制造周期，缩短与国外车辆制造厂辆的差距，增强国际竞争力。