SUS301L不锈钢激光填丝焊与MAG焊接头对比

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

0 前言

SUS 301L具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能，冲压弯曲等加工性好，广泛应用于城市轨道客车不锈钢车体制造[1]。目前，不锈钢车顶结构中波纹板和边梁搭接的20 m余长的焊缝仍使用传统的MAG焊，其对焊前的装配要求低，但焊缝成形不良、变形大、焊接效率低，且极易焊穿上层的薄板。近年来，激光焊接技术快速发展，孟云飞等[2]研究了304不锈钢激光填丝焊焊接工艺，结果表明，激光填丝焊可以大大降低对接头装配的要求；唐舵等对2 mm的SUS301L-HT不锈钢薄板进行了激光焊与MIG焊对接试验，得出激光焊焊缝性能优于MIG焊焊缝性能的结论[3]。激光填丝焊通过加入焊丝，降低了对工件加工和装夹的要求，具有激光焊能量密度高、焊接速度快及焊接变形小等显著优点；此外，还能够改善焊缝成分、补充烧损的金属，提高焊缝成形质量[4-6]，被广泛地应用于薄板对接和搭接的结构中。

本研究针对轨道客车不锈钢车顶薄板搭接焊存在的工程问题，对比激光填丝焊和MAG焊两种焊接方式下得到的接头，从焊缝成形、显微组织和力学性能等方面分析激光填丝焊技术在轨道客车车体制造中的应用前景。

1 试验材料与方法

试验用母材为奥氏体不锈钢SUS 301L，尺寸150mm×100mm×1mm+150mm×100mm×2mm；填充焊丝为308A（D=1.2 mm），母材和焊丝的化学成分如表1所示。

表1 母材和焊丝的化学成分 %

激光填丝焊的主要设备包括IPG YLS-2000光纤激光器、KUKA焊接机器人和福尼斯送丝机，激光器焦距300 mm，焦点直径0.2 mm。激光填丝焊接时，激光垂直入射，送丝方式为前置送丝，焊丝与工件夹角为40°，焊接时采用纯氩气进行保护。MAG焊的设备为福尼斯TPS5000，焊接时采用φ（Ar）97%+φ（O2）3%进行保护。两种焊接方法使用的工艺参数如表2所示。

表2 焊接工艺参数

焊接完成后，切成1 mm×1 mm金相试样，经过打磨、抛光、腐蚀，利用ZEISS光学显微镜观察组织，采用MH-5显微硬度计测试焊缝维氏硬度，AW-300B万能试验机测试焊缝拉剪强度，试样尺寸如图1所示。

2 试验结果分析

2.1 焊缝成形对比

图1 拉剪试样示意

两种焊接方法所获焊缝宏观形貌如图2所示。激光填丝焊焊缝表面圆滑，连续且平直，接头余高均匀，表面有致密的鱼鳞纹；MAG焊热输入相对于激光填丝焊大很多，焊缝较宽不够平直，余高不均匀，加之不锈钢热导率较低，焊接热循环高温停留时间较长，焊枪离开后焊缝温度仍然较高，导致焊缝表面氧化较为严重，呈灰黑色。

图2 焊缝宏观形貌

两种焊接方法所获焊缝截面形貌如图3所示，焊缝成形对比如图4所示。激光填丝焊焊缝余高和熔宽明显小于MAG焊，余高仅为0.14 mm，熔宽为1.45mm；而MAG焊焊缝凸出，余高为1.05 mm，熔宽达到2.88 mm。对比两种焊接方法的熔深，激光填丝焊的熔深为1.45 mm，略大于MAG焊（1.18 mm），并没有呈现出激光焊典型的深熔焊特点，这是因为在该热输入条件下激光的能量大多作用于焊丝，未达到“小孔”形成所需的热量，焊丝熔化后填充到焊缝表面处，多余的热量熔化部分母材金属，共同形成“热传导型”的焊缝。而MAG焊热源主要是电弧热熔化焊丝，热输入虽然大，但能量相对激光填丝焊分散，因此形成了宽而浅的焊缝。

2.2 显微组织

图3 焊缝截面形貌

图4 两种焊接方法对焊缝成形的影响

两种焊接方法下不同区域接头的微观组织如图5、图6所示。可以看出，无论是激光填丝焊还是MAG焊，焊缝边缘均为柱状晶，其依附于熔化母材晶粒向焊缝中心生长，生长方向近似垂直于熔合线。这是因为焊接熔池的凝固是快速、不平衡的过程，从熔池边缘开始，通过依附未熔化的母材晶粒非自发形核，晶粒的生长方向与散热的最快方向一致，通过择优生长以柱状晶形态向焊缝中心生长。在激光填丝焊焊缝凝固过程中，由于激光线能量密度大，焊接过程形成的温度梯度较大，有利于柱状晶生长，直至焊缝两侧的柱状晶在焊缝顶部相遇，如图5b、5c所示。

图5 激光填丝焊接头显微组织

而在 MAG焊接过程中，MAG电弧的作用区域大于激光束作用区域，作用时间长，在熔池中形成的温度梯度相对较小。根据金属凝固学理论，晶体的形态主要取决于液态金属中溶质的浓度、结晶速度和液态金属的温度梯度，为此，随着凝固过程的进行，固液界面不断向焊缝中心推进，温度梯度不断减小，结晶速度逐渐增大，合金元素及杂质元素在焊缝中心的区域偏析使溶质的浓度增大，成分过冷区间增大，因此柱状晶生长到一定位置时就会终止，结晶形态从柱状晶逐渐向树枝晶转变，如图6b所示。而在焊缝表面，因为温度梯度的继续减小，焊缝顶部形成了较细小的等轴晶，如图6c所示。

2.3 力学性能

2.3.1 显微硬度

图6 MAG焊接头显微组织

焊接接头显微硬度的分布如图7所示。激光填丝焊与MAG焊接头硬度分布均近似于“W”形，其中母材的硬度值最高为255 HV。在焊接过程中，母材在热源的作用下熔化重新凝固结晶，使得原本处于冷作硬化状态的母材的内应力和畸变能得到释放，导致焊缝区组织发生软化，硬度值降低。在焊缝凝固的过程中，随着溶质浓度在焊缝中心达到最大值，合金元素发生固溶强化导致焊缝中心的硬度有所增加。而焊缝两侧的热影响区在热作用下发生了少量回复和再结晶，所以硬度相对于母材略有降低。

在熔池结晶过程中，激光填丝焊的冷却速度大于MAG焊，焊接接头的显微组织更均匀细小，在晶粒细化的作用下，激光填丝焊接头的显微硬度整体略高于MAG焊。

2.3.2 拉剪性能

图7 焊接接头显微硬度分布

激光填丝焊与MAG焊成形和组织状态上的差异直接导致了其拉剪强度的不同。两种接头平均拉剪强度分别为727.3 MPa与664.3 MPa。激光填丝焊焊缝连续均匀，焊缝组织均匀细小，接头应力集中系数低，拉剪试验断裂在焊缝区，如图8a所示。MAG焊的焊缝表面连续性较差，不如激光填丝焊表面光滑平直，应力集中严重，并且焊缝组织不均匀，焊缝区的硬度小于激光填丝焊，其拉剪强度相对较低。断裂位置如图8b所示。两种焊接方法的焊缝拉伸断口的高倍形貌如图9所示，断口均由一系列韧窝组成，可见其断裂方式均为韧性断裂。激光填丝焊断口中韧窝大小均匀，MAG焊断口中韧窝分布不均匀、大小不一，。

图8 接头断裂位置

图9 接头断口形貌

3 结论

（1）针对1 mm+2 mm的不锈钢搭接结构，激光填丝焊焊缝成形优于 MAG焊缝，焊缝细小，余高和熔宽较低，成形更均匀稳定。

（2）激光填丝焊缝的组织均为细小的柱状奥氏体晶，而MAG焊缝组织为相对粗大的柱状奥氏体晶和等轴晶。

（3）激光填丝焊与MAG焊接头显微硬度均呈“W”状分布，激光填丝焊焊缝整体硬度高于MAG焊焊缝。

（4）激光填丝焊接头拉剪强度高于MAG焊，达到母材的73%，两者均断裂在焊缝处，呈典型的韧性断裂。