激光焊典型对接接头焊接性能研究

高瑞全，韩晓辉，何智勇，赵延强

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266000)

0 前言

激光焊是通过聚焦高能量的激光束，在移动过程中照射到被连接部位的表面进行高效焊接的方法。作为一种成熟的熔化焊工艺，激光焊在欧洲和日本的不锈钢轨道车辆的车体制造中已得到广泛应用。主要用于不锈钢车体侧墙、端墙等外露部件的焊接，能够大大提升不锈钢车辆的商品化质量和制造工艺水平。

激光焊与电阻焊及各种气体保护焊相比，其突出优点是光束狭窄、能量高、速度快、热影响区小及焊缝质量好，更能满足车体外观及强度的要求[1-2]。在此主要研究奥氏体不锈钢材料激光焊对接接头外观形貌、力学性能、金相组织及硬度等焊接性能。

1 试验方法

1.1 试验材料和设备

试板材料为2-SUS301L-ST；机械性能见表1，材料化学成分见表2；试板尺寸400 mm×200 mm×2 mm，焊接沿长度方向进行；焊接设备：CO2激光焊接系统（P=6 000 W）。

表1 2-SUS301L-ST的机械性能

1.2 试验方法

首先使用丙酮溶液将焊接试板表面擦拭干净、去油去污，然后采用激光焊接专用夹具将试板固定在工装上。用选定参数进行激光对接焊接试验，焊接参数和编号如表3所示。

表2 SUS301L的化学成分 %

表3 对接焊接参数及结果

1.3 试样检验

（1）外观检测和无损探伤。

按EN970[3]进行外观检测，采用Olympus-SZ61体视显微镜和放大镜观察激光焊接头的表面及背面成形。按标准EN571-1[4]进行外观和着色探伤试验。试板按标准EN 1435[5]进行100%焊缝X射线探伤。

（2）激光焊接试样机械性能试验。

试样接头拉伸试板两侧各去除20 mm后为试样取样区，采用机械加工制备焊缝拉伸试样、弯曲试样，根据标准EN895：1995[6]进行标准接头的拉伸试验，根据EN 910：1996[7]标准进行弯曲试验。采用显微硬度仪对焊缝显微硬度分布进行测量。焊缝横截面取点如图1所示。

图1 焊缝横截面硬度计取点示意

（3）激光焊接接头组织及缺陷检测分析。

采用线切割工艺沿焊缝横截面取样，试样尺寸25 mm×15 mm×2 mm，采用Olympus-SZ61体视显微镜观测焊接接头宏观形貌，尤其是激光焊缝开关光位置的形貌。采用Olympus-PMG3金相显微镜检测焊接接头微观形貌，尤其是焊缝的激光开关光位置的形貌，检查有无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。

2 试验结果和分析

2.1 外观检测和无损探伤

据标准EN 1321[8]《金属材料焊接的破坏试验.焊接的宏观和微观检验》对焊缝进行了宏观检测，焊缝成形良好，焊缝均匀，未发现有裂纹、咬边、未熔合等缺陷。对所有试样开关光处进行了低倍显微镜（20倍）宏观观察，未发现表面有明显的焊接缺陷。

根据EN571-1《无损检测—PT试验》（着色探伤）对所有焊缝进行PT探伤，结果均合格，说明对接间隙在0～0.2 mm的激光焊对接接头在起弧、收弧处无焊接缺陷，焊缝质量合格。根据标准EN 1435《无损检测—RT试验》对所有对接焊缝进行了X射线探伤，结果表明所有焊缝均为一级焊缝，一次合格率为100%。

2.2 焊缝的机械性能试验结果及分析

（1）焊缝拉伸试样。

根据EN 895《金属材料焊缝破坏试验—横向拉伸试验》测试对接接头的抗拉强度。试验结果如表4所示。

由拉伸试验结果可知：所有拉伸试样在拉伸试验过程中均断在母材，平均强度均大于786 MPa，高于母材强度760 MPa；表明无论是纯氩气保护还是混合气体保护，激光焊接接头的抗拉强度都高于母材，0.2 mm间隙量对接头强度几乎无影响。

（2）弯曲试验。

根据EN 910《金属材料焊接的破坏试验 弯曲试验》进行弯曲试验，试验结果如表5所示。

由弯曲试验结果可知：激光焊接头都具有较好的韧性，弯曲180°，无明显裂纹产生。纯氩气保护与混合气体保护所得接头弯曲试验结果无区别；0.2mm间隙与无间隙接头弯曲试验结果也无区别，说明激光焊接头塑性、韧性较好。

表4 试样拉伸试验结果

表5 弯曲试验结果

（3）焊缝的显微硬度。

不同接头各位置显微硬度分布曲线如图2所示。由图2可知，激光对接接头中的母材显微硬度要略高于焊缝显微硬度，由于母材经过固溶处理晶粒较细小，硬度较高，焊缝组织多为柱状晶，硬度略低。比较电弧对接与激光对接接头显微硬度可知，激光焊接接头焊缝显微硬度明显高于电弧焊对接接头，显微硬度值约高出约25%。

图2 焊缝显微硬度分布

2.3 激光焊接接头组织及缺陷检测分析

据标准EN 1321《金属材料焊接的破坏试验焊接的宏观和微观检验》对部分焊缝进行宏观及微观组织观察。采用Olympus-SZ61体视显微镜观测焊接接头宏观形貌；采用Olympus-PMG3金相显微镜观察显微形貌。宏观、微观金相组织如图3、图4所示。

图3 激光焊接头宏观组织

由图3、图4可知，纯氩气保护下，焊接速度1 m/min时熔池形状为V型，2 m/min时则为Y型；混合气体保护时熔池形态都为Y型；随着焊接速度的提高，焊缝截面积不断减小。

激光焊接接头焊缝组织多为细小的柱状组织，热影响区多分布在Y型熔池的中部熔合线外侧，为尺寸略大的等轴晶。电弧焊对接接头焊缝组织细小，热影响区为垂直于熔合线的柱状晶。焊接速度1 m/min时，熔池太大会造成较大变形，且热影响区明显不利于接头强度，所以在可能的条件下，尽量选择较快的焊接速度。

图4 接头焊缝微观组织

3 结论

（1）激光焊接工件装置间隙不大于0.2 mm时，激光焊接过程稳定，焊缝成形均匀美观，未发现裂纹、咬边、未熔合等外观缺陷，无损探伤未发现内部缺欠。

（2）力学性能试验结果表明：激光焊接接头平均拉伸强度为786 MPa，弯曲试验未发现裂纹，具有比母材更高的抗拉伸强度和良好的塑性，且不大于0.2 mm的装配间隙对激光焊接接头力学性能无影响。

（3）激光焊对接接头显微硬度约为250 HV，硬度指标高于电弧焊25%。

（4）激光焊缝的微观组织均为柱状晶奥氏体组织，相比电弧焊粗大热影响区组织，激光焊热影响区显微组织致密、晶粒细小。

[1]吴 军，李 亮.激光焊及其在国外汽车生产上的应用[J].汽车工业大学学报，2000，22(6)：33-36.

[2]王海林，黄维玲，周卓尤，等.8 mm厚不锈钢板的Nd∶YAG激光焊接[J].中国激光，2003，30(5)：463-466.

[3]EN 970，熔焊的无损检验-目检[S].

[4]EN 571-1，无损检验.渗透检验.第1部分：一般原理[S].

[5]EN 1435，焊缝无损检测—焊接接头射线检查[S].

[6]EN 895，金属材料焊缝破坏试验—横向拉伸试验[S].

[7]EN 910，金属材料焊缝破坏试验—弯曲试验[S].

[8]EN 1321，金属材料焊接的破坏试验.焊接的宏观和微观检验[S].