耐候钢叠焊接头激光焊接工艺及性能

2018-12-13郭丽娟王喜君

电焊机 2018年11期

田慧，郭丽娟，王喜君，李洋

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

0 前言

目前轨道客车产品结构十分丰富，形成了适合不同速度等级、不同档次、不同牵引方式、能够满足各层次用户需求的多样化、梯次化的产品结构，涵盖了普通铁路客车、城铁车和新一代高速动车组[1]。焊接是轨道交通车体制造的关键工艺[2]。与传统的焊接方式相比，激光焊接效率高，可自动化操作，大大节省了生产成本。激光焊接无需其他填充物质，焊缝美观干净，在提高产品质量的同时符合大众的审美观点，为企业提供了强有力的市场竞争力[3-4]。

本研究基于碳钢车体及轨道交通关键结构件对激光焊接技术的需求，针对3mm厚Q345NQR2钢和2.5 mm厚Q310NQL2钢的叠焊接头系统开展激光焊接工艺研究，为后续碳钢车体相关结构件及类似结构的激光焊工艺生产应用提供技术支撑。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验母材为厚2.5 mm的Q310NQL2钢和3 mm的Q345NQR2钢[5]，化学成分见表1，力学性能见表2。

1.2 接头形式

工艺试验针对3 mm厚Q345NQR2+2.5 mm厚Q310NQL2叠焊接头，3 mm板在上，2.5 mm板在下，采用单道焊且不焊透的工艺，并且控制变形。接头形式如图1所示，焊接时激光光束与焊接方向成110°夹角，激光与试板成80°夹角，如图2所示。

表1 母材化学成分Table 1 Chemical composition of base metal %

表2 母材力学性能Table 2 Mechanical properties of base metal

图1 坡口形式Fig.1 Groove form

图2 激光与试板相对位置Fig.2 Relative position of lase and test plate

2 焊接工艺试验

2.1 堆焊工艺试验

针对3mm厚Q345NQR2+2.5mm厚Q310NQL2叠焊接头，选择在6mm平板上进行激光焊堆焊试验，研究离焦量、焊接速度和激光功率等焊接参数对焊缝熔深（H1）和熔宽（B1）的影响。H1和 B1示意见图3。焊接试验选取的焊接参数及其波动范围见表3。

表3 焊接试验参数Table 3 Parameters of welding test

图 3 焊缝 B1、H1示意Fig.3 Schematic for B1，H1

激光功率分别为5 kW和6 kW时，不同焊接速度和离焦量的焊缝横截面成形照片如图4、图5所示。由图可知，增加离焦量是增加底板熔宽最有效的因素。同时随着离焦量的增加，焊缝熔深逐渐减少，要保证有效的焊接，即在底板上形成有效熔深（H1≥3 mm）、熔宽（B1），一定离焦量下就需要增加功率或减慢焊接速度。离焦量越小，焊缝的深宽比越大。而试验所用母材为车辆用的耐候钢，化学成分中含有较高的P，若焊缝的深宽比较大，则易在焊缝中心产生结晶裂纹。

堆焊试验焊缝的B1和H1测量值见表4。熔深试验点选取如图6所示，试验选取底板熔宽为1.0 mm以上的熔深点，用于研究不同熔宽B1（B1≥1 mm）与接头抗剪切力的关系。熔宽试验点选取如图7所示，熔深为0.6～0.8 mm，有较多能满足试验要求点来进行熔宽与剪切力关系试验。

2.2 不同熔深、熔宽对接头抗剪力的影响

不同熔深、熔宽对接头抗剪力影响的试验是在3mm 厚Q345NQR2（上板）+2.5mm 厚 Q310NQL2（底板）的叠焊接头上进行。由于接头与堆焊试验有一定的差异性，熔深与接头抗剪切力关系试验选取的定熔宽B1为0.7～0.9 mm。一定熔宽B1（0.7～0.9 mm）下，不同焊缝熔深对应的接头抗剪切力如表5所示，焊缝的宏观金相照片如图8所示，熔深H1与叠焊接头抗剪力关系的拟合曲线如图9所示。由图9可知，随着熔深H1的增加，抗剪力开始时不断增加，但当熔深H1增加到一定值（1.5 mm）后，抗剪力也达到一个稳定值14 kN。但由表5可知，当熔深大于1 mm，抗剪力基本在14 kN水平上下波动。由上所述，熔深大于一定值后，一定的熔宽对应的抗剪力基本不变。

一定熔深H1下（H1≥1 mm），不同焊缝熔深值对应接头抗剪切力如表6所示，焊缝宏观金相照片如图10所示，熔深B1与叠焊接头抗剪力关系的拟合曲线如图11所示。从曲线来看，随着熔深B1的增加，抗剪力不断增加，而且呈线性增加，通过拟合，抗剪力与熔宽的关系符合式（1）：

图4 当激光功率为5 kW时，不同离焦量和焊接速度下的焊缝成形Fig.4 When the laser power is 5 kW，the weld formation under different defocus amount and welding speed

图5 当激光功率为6 kW时，不同离焦量和焊接速度下的焊缝成形Fig.5 When the laser power is 6 kW,the weld formation under different defocus amount and welding speed

表4 试验焊缝参数Table 4 Weld parameters for welding test

图6 熔深试验点选取Fig.6 Selection of weld penetration test points

图7 熔宽试验点的选取Fig.7 Selection of weld width test points

图8 熔深试验接头宏观金相Fig.8 Macro metallographic for weld penetration

表5 不同熔深的抗剪力Table 5 Shear resistance of different weld penetration

图9 熔深H1与叠焊接头抗剪力关系Fig.9 Relationship between weld penetration H1and shear resistance

表6 不同熔宽的抗剪力Table 6 Shear resistance of different weld width

图10 熔宽试验接头宏观金相Fig.10 Macro metallographic for weld penetration

2.3 最优工艺参数

表7 焊接工艺参数Table 7 Welding process parameters

通过以上试验得到优化的激光填丝焊工艺参数如表7所示。采用最佳工艺参数所焊接的试板照片如图12所示，焊缝成形美观、整齐、光滑。焊缝X射线探伤照片如图13所示[6]。焊缝经X射线探伤检测，未发现气孔、夹杂及裂纹等缺陷。

图11 熔宽B1与叠焊接头抗剪力关系Fig.11 Relationship between weld width B1 and shear resistance

图12 焊缝照片Fig.12 Weld appearance

图13 焊缝的X射线探伤照片Fig.13 X-ray inspection of weld

3 力学性能结果及分析

3.1 拉伸试验

采用最优化参数的焊接接头拉伸试验结果如表8所示。接头抗剪切力分别为25 kN和26 kN，两个数据之间波动不超过4%，说明整个接头力学性能较为均匀，该激光焊工艺稳定性好。拉伸试样照片如图14所示，拉伸试样均断于焊缝，主要原因是该接头形式为叠焊接头和剪切受力形式所致。由图14可知，断口周围母材发生了较大的弯曲变形，说明焊缝有一定的承载能力，同时有较好的塑性。

表8 拉伸性能Table 8 Tensile properties

3.2 金相试验

焊接接头的宏观金相如图15所示，未见裂纹、夹渣、气孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。

图14 拉伸试样Fig.14 Tensile specimen

图15 焊接接头宏观金相照片Fig.15 Macro metallographic of welded joint

接头各区金相组织如图16所示。焊缝区为贝氏体+马氏体，呈典型的柱状晶特性。上板过热区为贝氏体+马氏体，下板过热区为贝氏体，呈等轴晶；上板正火区为贝氏体+马氏体+铁素体，呈细等轴晶，下板正火区为贝氏体+铁素体+少量碳化物；上板不完全正火区为铁素体+贝氏体+马氏体，下板不完全正火区为铁素体+贝氏体，同时在晶间弥散分布有大量碳化物相。