不锈钢SUS 301L激光填丝搭接焊工艺

张 勇，黄 卫，段珍珍

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

不锈钢SUS 301L激光填丝搭接焊工艺

张 勇，黄 卫，段珍珍

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

以接头形式0.6+2mm的不锈钢SUS 301L为对象，研究激光填丝焊激光功率、焊接速度、送丝速度3个主要工艺参数对焊缝成形、接头截面形貌及连接强度的影响规律。结果表明，随着激光功率的增加，焊缝熔深和熔宽增大，余高减小；随着焊接速度的增加，焊缝熔深、熔宽、余高均减小；随着送丝速度的增加，焊缝熔深和熔宽减小，余高增大。接头的最大拉力为14.43 kN，断裂在上层薄板母材中，焊缝强度大于母材。

不锈钢；激光填丝焊；搭接；工艺参数

0 前言

不锈钢SUS 301L的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能良好，冲压弯曲等加工性好，被广泛应用于城市轨道客车的车体制造[1]。目前，不锈钢车体薄板搭接焊中有密封性要求的焊缝仍多采用TIG等弧焊，极易造成烧穿、焊缝成形不良等生产质量问题。而激光填丝焊具有能量密度高、焊接速度快及焊接变形小等显著优点，填入的焊丝不仅降低了其对工件加工和装夹的要求，还能够改善焊缝成分、补充烧损的金属，极大提高了焊缝成形质量[2-4]。

本研究针对不锈钢轨道客车车顶薄板搭接焊缝，尝试采用激光填丝焊接工艺以提高焊缝质量。通过单因素试验方法，分析了激光填丝焊的主要工艺参数对焊缝成形质量和性能的影响规律，为实际工程应用提供有价值的参考。

1 试验材料和方法

试验用母材金属为奥氏体不锈钢SUS 301L，材料尺寸规格 200×100×0.6+200×100×2（单位：mm）；填充焊丝为308A（φ1.2 mm），母材和焊丝的化学成分如表1所示。

试验用主要设备包括IPG YLS-2000光纤激光器、KUKA焊接机器人和福尼斯送丝机。其中，IPG YLS-2000光纤激光器的最大输出功率为2 kW，激光通过光纤传输经激光焊接头聚焦，焦距300 mm，焦点直径0.2 mm。

采用前置送丝方式，焊丝与工件的夹角为40°，激光垂直入射，焊接时采用纯氩进行保护，气体流量25 L/min，焊接示意如图1所示。

表1 母材和焊丝的主要化学成分%

图1 焊接示意

焊缝经打磨、抛光、腐蚀后，使用Olympus体式显微镜和蔡司金相显微镜进行观察分析；采用AW-300B万能试验机测试焊缝强度。

2 试验结果分析

2.1 激光功率的影响

在焊接速度1.2 m/min，送丝速度2.0 m/min的情况下，激光功率由1.2 kW增加至1.5 kW时的焊缝截面形貌如图2所示。当激光功率较小时，激光的大部分能量用于熔化焊丝，焊丝的部分热量传导至下层板表面，由于热量较小，不能在下层板形成激光深熔焊，因此下层板的熔深非常小，只有约0.1mm。激光功率增大至1.3 kW时，下层板熔深增大，但因熔宽不足导致熔化的焊丝未能均匀铺展开，形成了“束腰状”焊缝（见图2b箭头），容易造成应力集中，进而降低焊缝强度。功率继续增大后，熔深和熔宽均增大，但熔化的金属堆积到有限的熔宽范围内，焊缝余高较大，整体成形欠美观。功率增加到1.5kW后，下层板焊透了近2/3，热量的增加使熔化的金属向焊缝下部流动，焊丝也在上下两层板处均匀铺展，焊缝成形良好。

图2 激光功率对焊缝截面形貌的影响

通过拉伸试验发现，当功率为1.2 kW时，最大拉力只有10.88 kN（见图3），接头断裂在焊缝处（见图4）。结合焊缝截面形貌可知（见图2a），因焊接时未压紧而导致两层板之间间隙过大，加上热量不足，致使上下两层板结合处的连接面积较小，最终影响连接强度。随着激光功率的增大，焊缝最大拉力增加，当功率为1.5 kW时，拉力达到最大值14.43 kN（见图3），接头均断裂在上层的薄板母材中（见图4），表明焊缝的强度均高于母材。观察断口形貌（见图5）发现，断口处分布着大小相近的等轴韧窝，接头具有较好的韧性。

图3 激光功率对焊缝性能的影响

图4 试样断裂后的宏观形貌

图5 断口微观形貌

2.2 焊接速度的影响

当激光功率1.4 kW、送丝速度2.0 m/min时，焊接速度对焊缝截面形貌的影响如图6所示。当焊接速度为0.9 m/min时，焊缝熔深接近下层板的1/2，表面余高均约为0.87 mm，整体呈“凸起状”，说明在该工艺参数下产生的热量不仅能够使焊丝充分熔化，还能使下层板产生激光深熔焊的效果。随着焊接速度的增大，整体热输入降低，在单位面积上的填入焊丝量减小，焊缝熔深、熔宽和余高均明显减小，焊缝逐渐变得细窄和平滑。可以看出，焊接速度对焊缝外部成形的影响较明显，在保证一定熔深和熔宽的基础上，适当提高焊接速度可降低焊缝凸起，改善成形质量。

图6 焊接速度对焊缝截面形貌的影响

在该搭接接头试验条件下，对焊缝结合强度起主要作用的是焊缝熔宽。焊接速度对焊缝连接强度的影响规律如图7所示，结合焊缝截面形貌可知，焊接速度为0.9～1.2 m/min时，熔宽较大，最大拉力均在14.2kN左右，没有明显差异；当速度继续增大时，熔宽减小，最大拉力下降。试验发现接头均断裂在上层的薄板母材中，焊缝的强度均高于母材，表明此工艺范围内，焊缝有足够的结合强度。

图7 焊接速度对焊缝性能的影响

2.3 送丝速度的影响

当激光功率1.4 kW、焊接速度为1.2 m/min时，送丝速度对焊缝截面的影响规律如图8所示。当送丝速度为1.5 m/min时，焊缝有一定的熔深和熔宽，余高均匀；随着送丝速度的增大，使得单位长度上填丝量增加，焊缝余高显著增加。此外，激光的能量主要作用于焊丝上，造成过渡熔化的焊丝在焊缝处铺展不均匀，焊缝成形不均匀。试验发现，送丝速度与焊接速度关系密切，若二者不匹配，则焊缝表面质量不稳定。

送丝速度对焊缝连接强度的影响规律如图9所示。由图9可知，当送丝速度大于2.0 m/min时，最大拉力有明显下降趋势，主要原因是焊缝熔深和熔宽减小，焊缝成形不均匀。在该试验条件下，接头均断裂在上层的薄板母材中，焊缝强度均高于母材。

通过试验发现，不锈钢薄板激光填丝搭接焊缝成形不良的主要原因有两个：一是工艺参数的不匹配造成焊缝不连续、宽窄不均匀（见图10a）；二是激光和焊丝的相对位置偏离，如图11所示，若光丝偏离严重，则焊丝熔化不均匀，造成了图10b所示的断续焊缝；若光丝略有偏离，则会造成焊缝两侧呈曲线状（见图10c）。

3 结论

（1）激光功率、焊接速度和送丝速度是不锈钢薄板激光填丝搭接焊的关键参数，三者之间的相互匹配直接影响焊缝成形和连接强度。

图8 送丝速度对焊缝截面形貌的影响

图9 送丝送度对焊缝性能的影响

（2）在一定参数范围内，随着激光功率的增加，焊缝熔深和熔宽增大，余高减小；随着焊接速度的增加，焊缝熔深、熔宽和余高均减小；随着送丝速度的增加，焊缝熔深、熔宽减小，余高增大。

（3）在该试验条件下，接头最大拉力为14.43kN，断裂于上层薄板母材中，焊缝强度大于母材。

图11 光丝偏离较大

[1]王洪潇，王春生，何广忠.不锈钢轨道车辆侧墙激光焊快速装夹装置开发[J].金属加工（热加工），2017（4）：18-20.

[2]孟云飞，王维新，李翠.304不锈钢光纤激光填丝焊焊接工艺研究[J].应用激光，2016，36（5）：535-542.

[3]徐国建，钟立明，杭争翔.SUS304不锈钢窄间隙激光填丝焊性能[J].中国激光，2013，40（10）：1-5.

[4]张丽芳，赵泽洋，李坊平.工艺参数对激光填丝搭接焊成形的影响[J].应用激光，2015，35（1）：72-76.

Laser filler wire lap welding technology of stainless steel SUS 301L

ZHANG Yong，HUANG Wei，DUAN Zhenzhen
（CRRC ChangChun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062，China）

The stainless steel SUS 301L with the joint type of 0.6+2 mm is taken as a study object.，the influence of three main technology parameters of laser filler wire welding，namely，laser power，welding speed and wire feed rate on the welding appearance，joint profile and joining strength are studied.The results show that with the increase of laser power，the weld penetration and weld width increase，the weld reinforcement reduces.With the increase of welding speed，all the weld penetration，weld width and weld reinforcement reduce.With the increase of wire feed rate，the weld penetration and weld width reduce，the weld reinforcement increases.The maximum tension of the joint is 14.43 kN，fracture occurs in the upper sheet base metal，and the weld strength is greater than the strength of base metal.

stainless steel；laser filler wire welding；lap；technology parameters

TG456.7

A

1001-2303（2017）10-0024-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.05

本文参考文献引用格式：张勇，黄卫，段珍珍.不锈钢SUS 301L激光填丝搭接焊工艺[J].电焊机，2017，47（10）：24-28.

2017-07-10

张 勇（1976—），男，高级工程师，主要从事轨道车辆焊接工艺的研究。E-mail：zhangyong@cccar.com.cn。