大角度激光填丝双面焊碳钢车体T形接头工艺及性能研究

2018-01-23

焊接 2017年12期

(1.中车唐山机车车辆有限公司,河北唐山 063035; 2.广西防城港核电有限公司,广西防城港 538000)

0 序言

国内外高铁和动车组车体多采用铝合金型材制造，铝合金车体在轻量化方面优势最明显，但其生产成本远远高于碳钢车体，且不易维护，寿命周期、成本也比碳钢和不锈钢车体高很多[1]。目前，欧洲在设计时速较低的动车组拟采用碳钢材料生产制造，采用碳钢材料制造的车体较铝合金型材的可修复性好，可以节约成本，提高车辆的使用寿命。

焊接是轨道交通车体制造的关键工艺。对于车辆运行时高速、动载服役的特点，生产上往往要求焊接变形小、效率高和接头质量优良。与常规的熔焊方法相比，激光填丝焊具有热输入低、焊接变形小，接头质量优良、生产效率高、易于实现自动化焊接等优点[2-5]，因此更加适合于长焊缝、要求变形小的车体结构的焊接生产。试验基于碳钢车体及轨道交通关键结构件的激光填丝焊工艺，针对厚度为2.5 mm和3 mm的碳钢材料的T形接头，开展大角度激光填丝焊接工艺及性能研究，为碳钢车体及相关结构件的激光焊接生产提供技术支撑。

1 试验材料及设备

1.1 母材及焊接材料检验

试验所用母材为2.5 mm厚的05CuPCrNi和3 mm厚的09CuPCrNi-A，焊材为φ1.0 mm的ER50-G。表1～2为母材和焊丝的化学成分及力学性能的试验结果。

表1 母材和焊丝的化学成分

1.2 焊接设备

试验采用激光填丝焊，激光为6 kW光纤激光器，光纤芯径为0.6 mm，焦距223 mm。送丝机为数字化TIG焊设备中的送丝机构。

表2 母材性能

1.3 焊接接头形式

工艺试验针对3 mm厚09CuPCrNi-A钢+2.5 mm厚05CuPCrNi钢的T形接头，采用激光填丝双面两道焊接，要求焊透，而不能焊穿底板，并且控制变形。接头形式如图1所示。焊接时，焊丝在前，激光在后，激光、焊丝和焊接方向在一个面上，并与底板夹角为35°，激光垂直于焊缝，焊丝与焊缝成20°夹角。

图1 坡口形式

2 焊接工艺试验

2.1 表面堆焊试验

试验在横焊位置对3 mm厚的09CuPCrNi-A试板进行堆焊，考察不同工艺参数下获得的接头焊缝的熔深和熔宽。表3为试验参数。图2和图3为堆焊试验焊缝横截面照片。图4和图5为熔深、熔宽结果分析。从结果来看，一定焊接速度下，随着激光功率的增加，熔深、熔宽均呈上升的趋势。并且随着送丝速度增加，熔深呈下降趋势，而熔宽变化不明显。由于立板厚3 mm，采用双面两道焊接工艺焊接，为保证焊透，每面焊道至少需要1.5 mm的熔深；由于激光与底板夹角为30°，要保证在T形接头完全焊透，还需保证一定的熔宽，假设焊缝是等宽的，那么焊缝的熔宽不应低于1.1 mm。要保证焊透，当焊接速度为3.0 m/min，激光功率为2.5～3.5 kW之间；当焊接速度为3.5 m/min，激光功率为3.0～3.5 kW之间；当焊接速度为2.5 m/min，激光功率为2.5～3.0 kW之间。在一定速度下，激光功率太大，会导致焊接变形大，同时导致过多的激光能量将损耗在底板的熔化上，这些对该结构的焊接都是不利的；而激光功率小或焊接速度快，焊缝的熔宽过小，导致在立板上的有效熔深不够，容易形成未焊透缺陷。因此，焊接速度控制在2.5～3.5 m/min为宜，同时匹配激光功率3.5～4.0 kW，送丝速度2.5～3.5 m/min。

表3 焊接参数

图2 不同焊接速度下的焊缝成形

2.2 光斑位置试验

光斑在立板上的位置对焊缝表面成形有影响。试验对光斑全部位于立板、3/4光斑位于立板和1/2光斑位于立板三个位置进行焊接试验，考察焊缝表面成形质量。图6为试验结果，从图中可以看出，当光斑全部位于立板时，焊缝下表面出现咬边和熔合不良等缺陷，在3/4光斑位于立板和1/2光斑位于立板之间，焊缝成形良好，试验光斑位置选在该范围内。可以看出光斑位置对焊缝表面成形，特别是焊缝两侧的熔合有很大的影响。

图3 送丝速度对焊缝成形的影响

图4 激光功率、送丝速度对焊缝成形的影响(3.0 m/min)

2.3 离焦量试验

激光焊接中，离焦量对焊接质量的影响很大，特别在激光填丝焊接中对焊缝成形影响较大。采用+2 mm,+4 mm和+6 mm三个离焦量进行工艺试验。图7为不同离焦量下焊缝横截面的照片，从照片来看，离焦量为+2 mm和+4 mm，由于离焦量较小，导致焊缝熔宽过小，因此在立板上的有效熔深不够，使得焊缝中心出现未熔合缺陷。离焦量越小，未熔合的区域越大。当离焦量达到+6 mm时，两侧焊缝能实现良好的熔合。