CN103480966A - 一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道车辆、机械、材料等技术领域的一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法。该方法针对不锈钢轨道客车车体电阻点焊存在的问题及车体侧墙的结构，基于激光焊的特点、参数对奥氏体不锈钢搭接非熔透焊接头熔深、熔宽、微观组织、力学性能及焊缝背面氧化变色程度的影响规律，采用正交设计试验方法优化激光焊接参数，通过适当增大搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度C＞0.6B1、限制下板的熔化深度H＜0.5mm及加纯铜垫板等技术途径，改善不锈钢搭接激光焊接头的力学性能，避免焊缝背面氧化变色，提高激光焊接头的焊接质量。本发明的工艺步骤为：在焊件下面放置纯铜垫板→采用优化的激光焊接参数→实现不锈钢搭接激光焊连接。

Description

一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法
技术领域
本发明涉及轨道车辆、机械、材料等技术领域的一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接技术，属于材料连接技术领域。
背景技术
随着能源紧缺和环境污染问题的日益加剧，作为制造业支柱产业的轨道车辆工业正面临着越来越严峻的挑战。轻量化、节能、环保和安全已成为当今轨道车辆工业发展的必然趋势。在各种材料及类型的轨道客车车辆中，不锈钢轨道客车以其车体轻、能耗低、耐腐蚀、安全性好、使用寿命长及综合成本低等优势成为轨道客车车辆的首选。特别是不锈钢高速动车组产品具有更广阔的应用前景和更大的市场空间。不锈钢轨道客车车体主要由侧墙、底架、车顶、外端四大部分构成，侧墙采用外墙板（板厚2mm）和补强骨架梁（板厚1mm）组合整体承载的焊接结构。目前，不锈钢轨道客车车体焊装主要采用传统的电阻点焊技术，车体焊点约7000-8000个。随着国民经济的发展和科技的进步，人们对轨道客车品质提出了更高的要求，电阻点焊车体已不能满足高品质不锈钢轨道客车生产的要求。存在的主要问题是：1.电阻点焊车体的侧墙外墙板表面存在明显的压痕和局部变形，严重影响非涂装不锈钢车体的外观质量；2.电阻点焊为非连续焊缝，点焊车体的密封性差，不适用于高速动车组产品；3.车体结构受点焊工艺限制，生产成本高、效率低。激光焊技术具有能量密度高、焊接速度快、热影响区窄、接头变形小、焊接位置转换灵活及易实现自动化等优点，有利于解决电阻点焊带来的上述问题，并已在汽车工业中得到广泛应用。因此，德国、日本、加拿大等工业发达国家已经研发或正在研发不锈钢轨道客车激光焊技术，我国该项技术的研发和应用尚处于起步阶段。因此，研发不锈钢轨道客车车体激光焊技术具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法，该方法针对不锈钢轨道客车车体电阻点焊存在的问题及车体侧墙的结构，基于激光焊的特点和激光焊接参数对奥氏体不锈钢搭接非熔透焊接头熔深、熔宽、微观组织、力学性能及焊缝背面（搭接接头下板外表面）氧化变色程度的影响规律，采用正交设计试验方法优化激光焊接参数，通过适当增大搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度（C＞0.6B1）、限制下板的熔化深度（H＜0.5mm）等技术途径，改善不锈钢搭接激光焊接头的力学性能，避免焊缝背面氧化变色，提高激光焊接头的焊接质量。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接技术，按以下工艺步骤进行：
a）焊前准备：先将纯铜垫板放于胎夹具内，然后将两不锈钢板搭接放在垫板上夹紧，通过纯铜垫板加强散热，降低焊缝背面（搭接接头下板外表面）温度，防止焊缝背面氧化变色；
b）连接方法：不锈钢搭接接头采用激光非熔透焊接工艺（搭接接头的上板熔透、下板不熔透），保证下板的表面质量（搭接接头的下板相当于轨道客车车体的外墙板）；
c）焊接参数：激光焊采用优化的焊接参数：激光功率1.9-2.2kW、离焦量（-0.5）-（+1），焊接速度21-24mm/s，通过适当增大搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度（C＞0.6B1）、限制下板的熔化深度（H＜0.5mm），提高不锈钢板搭接激光焊接头的力学性能和焊接质量；
d）激光焊接过程中采用氩气保护，防止H、O、N等对接头性能的有害影响；
所述的适当增大搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度（C＞0.6B1），具体为：若上板和下板为不等厚的板，B1代表较薄板的厚度。
研究结果表明，激光焊接参数（激光功率、离焦量、焊接速度等）对不锈钢搭接接头熔深、熔宽、微观组织、力学性能及焊缝背面（搭接接头下板外表面）氧化变色程度具有明显的影响。随着激光功率增大，熔深、熔宽及接头拉剪强度增加，但过大的激光功率导致焊缝背面氧化变色明显；改变离焦量（1mm、0.5mm、0、-0.5mm、-1mm），焊缝熔深增加，焊缝背面的颜色有加深的趋势；随着焊接速度增加，熔深、熔宽及接头拉剪强度降低，焊缝背面氧化变色程度减弱；在不锈钢搭接激光焊时采用纯铜垫板有利于降低搭接接头下板外表面温度，防止焊缝背面氧化变色；采用正交设计试验方法优化激光焊接参数，通过适当增大搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度（C＞0.6B1）、限制下板的熔化深度（H＜0.5mm）等技术途径，可改善接头的力学性能，且焊缝背面无氧化变色。
采用本发明的技术进行奥氏体不锈钢搭接激光焊连接，激光焊接头达到的性能指标为：（1）接头拉剪载荷22-25kN，接头拉剪断裂在热影响区或母材区；（2）接头疲劳强度110-130MPa，接头疲劳断裂主要发生在热影响区或母材区；（3）激光焊缝表面成形良好，焊缝背面无焊接痕迹和氧化变色。
本发明具有以下主要优点：（1）与不锈钢电阻点焊相比，激光焊具有能量密度高、焊接速度快、热影响区窄、变形小、焊接位置转换灵活及易实现自动化等优点，有利于提高焊接质量和焊接效率。（2）不锈钢电阻点焊为非连续焊缝，而激光焊为连续焊缝，激光焊接头的力学性能明显提高。根据现行的不锈钢车体电阻点焊的强度标准JISZ3140-1989，厚度组合为1+2mm（上板厚度1mm、下板厚度2mm）的不锈钢电阻点焊接头的熔核最小直径和最小拉剪载荷分别为4.3mm和4.2kN；目前我国不锈钢车体电阻点焊常用的熔核直径和拉剪载荷分别为7.0-7.5mm和18.5-19.3kN。本发明的不锈钢激光焊接头的拉剪载荷为22-25kN，接头疲劳强度110-130MPa，有利于明显提高不锈钢轨道客车的使用性能和行车安全性。（3）不锈钢电阻点存在明显的压痕和氧化变色，激光焊接头焊缝背面看不到焊接痕迹和氧化变色，接头质量明显提高。
附图说明
图1是不锈钢搭接激光非熔透焊接示意图。
图2是不锈钢搭接激光非熔透焊缝表面形貌。
图3是不锈钢搭接激光非熔透焊缝背面形貌。
图4是不锈钢搭接激光非熔透焊接头截面形貌。
图5是不锈钢搭接激光非熔透焊接头的疲劳裂纹。
图1中：A1-不锈钢搭接接头的上板，A2-不锈钢搭接接头的下板，B1-上板的板厚，B2-下板的板厚，C-搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度，H-下板的熔化深度，L-激光束，W-激光焊缝。
图2中：激光焊缝表面成形良好。
图3中：激光焊缝背面无焊接痕迹和氧化变色。
图4中：激光焊接头的上板熔透、下板未熔透。
图5中：激光焊接头的疲劳裂纹沿板厚方向开展。
具体实施方式
不锈钢轨道客车车体的侧墙采用外墙板和补强骨架梁搭接组合的焊接结构，外墙板的板厚2mm，补强骨架梁的板厚1mm，搭接板厚组合为1+2mm。下面以此为例详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1、采用本发明的技术进行SUS301L奥氏体不锈钢搭接激光焊连接，不锈钢板厚组合为1+2mm（上板厚度1mm、下板厚度2mm）。焊前，先将纯铜垫板放于胎夹具内，然后将不锈钢板搭接放在垫板上夹紧；激光焊接参数为：激光功率1.9kW，离焦量-0.5，焊接速度21mm/s；焊后接头无裂纹、气孔、未熔合、咬边等焊接缺陷；搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度0.86mm，下板的熔化深度0.43mm；接头拉剪载荷24.3kN，接头疲劳强度122.3MPa；焊缝背面无焊接痕迹和氧化变色。
实施例2、采用本发明的技术进行SUS301L奥氏体不锈钢搭接激光焊连接，不锈钢板厚组合为1+2mm（上板厚度1mm、下板厚度2mm）。焊前，先将纯铜垫板放于胎夹具内，然后将不锈钢板搭接放在垫板上夹紧；激光焊接参数为：激光功率2.0kW，离焦量1.0，焊接速度22mm/s；焊后接头无裂纹、气孔、未熔合、咬边等焊接缺陷；搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度0.80mm，下板的熔化深度0.41mm；接头拉剪载荷24.1kN，接头疲劳强度118.3MPa；焊缝背面无焊接痕迹和氧化变色。
实施例3、采用本发明的技术进行SUS301L奥氏体不锈钢搭接激光焊连接，不锈钢板厚组合为1+2mm（上板厚度1mm、下板厚度2mm）。焊前，先将纯铜垫板放于胎夹具内，然后将不锈钢板搭接放在垫板上夹紧；激光焊接参数为：激光功率2.1kW，离焦量0.5，焊接速度23mm/s；焊后接头无裂纹、气孔、未熔合、咬边等焊接缺陷；搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度0.72mm，下板的熔化深度0.35mm；接头拉剪载荷22.9kN，接头疲劳强度111.7MPa；焊缝背面无焊接痕迹和氧化变色。
实施例4、采用本发明的技术进行SUS301L奥氏体不锈钢搭接激光焊连接，不锈钢板厚组合为1+2mm（上板厚度1mm、下板厚度2mm）。焊前，先将纯铜垫板放于胎夹具内，然后将不锈钢板搭接放在垫板上夹紧；激光焊接参数为：激光功率2.2kW，离焦量0，焊接速度24mm/s；焊后接头无裂纹、气孔、未熔合、咬边等焊接缺陷；搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度0.79mm，下板的熔化深度0.38mm；接头拉剪载荷23.7kN，接头疲劳强度116.4MPa；焊缝背面无焊接痕迹和氧化变色。

Claims (5)

1.一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法，其特征在于，按以下工艺步骤进行：
a）焊前准备：先将纯铜垫板放于胎夹具内，然后将两不锈钢板搭接放在垫板上夹紧，通过纯铜垫板加强散热，降低焊缝背面即搭接接头下板外表面温度，防止焊缝背面氧化变色；
b）连接方法：不锈钢搭接接头采用激光非熔透焊接工艺：搭接接头的上板熔透、下板不熔透，保证下板的表面质量：搭接接头的下板相当于轨道客车车体的外墙板；
c）焊接参数：激光焊采用优化的焊接参数：激光功率1.9-2.2kW、离焦量（-0.5）-（+1），焊接速度21-24mm/s，通过适当增大搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度C＞0.6B1、限制下板的熔化深度H＜0.5mm，提高不锈钢板搭接激光焊接头的力学性能和焊接质量；
d）激光焊接过程中采用氩气保护，防止H、O、N等对接头性能的有害影响；
步骤c所述的适当增大搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度C＞0.6B1，具体为：若上板和下板为不等厚的板，B1代表较薄板的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法，其特征在于，不锈钢板厚组合为1+2mm即上板厚度1mm、下板厚度2mm的激光非熔透焊接；激光焊接参数为：激光功率1.9kW，离焦量-0.5，焊接速度21mm/s；搭接接头下面加纯铜垫板。
3.根据权利要求1所述的一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法，其特征在于，不锈钢板厚组合为1+2mm（上板厚度1mm、下板厚度2mm）的激光非熔透焊接；激光焊接参数为：激光功率2.0kW，离焦量1.0，焊接速度22mm/s；搭接接头下面加纯铜垫板。
4.根据权利要求1所述的一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法，其特征在于，不锈钢板厚组合为1+2mm即上板厚度1mm、下板厚度2mm的激光非熔透焊接；激光焊接参数为：激光功率2.1kW，离焦量0.5，焊接速度23mm/s；搭接接头下面加纯铜垫板。
5.根据权利要求1所述的一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法，其特征在于，不锈钢板厚组合为1+2mm即上板厚度1mm、下板厚度2mm的激光非熔透焊接；激光焊接参数为：激光功率2.2kW，离焦量0，焊接速度24mm/s；搭接接头下面加纯铜垫板。
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