摘要：SUS301L系列奧氏體不銹鋼及系列等效產(chǎn)品由于其良好的抗晶界腐蝕性及力學(xué)性能已成為軌道車輛車體制造的主要材料。激光焊作為一種前沿焊接方法，已被應(yīng)用到軌道車輛車體的生產(chǎn)制造中。文中闡述了YAG固體激光焊、CO2激光焊、盤式固體激光焊、光纖激光焊、激光-MAG復(fù)合焊、激光-MIG復(fù)合焊等焊接方法的特點(diǎn)，介紹了SUS301L不銹鋼采用不同激光焊方法時(shí)的特性，對(duì)SUS301L不銹鋼激光焊以及激光電弧復(fù)合焊的發(fā)展趨勢(shì)作出展望。

　　關(guān)鍵詞：SUS301L不銹鋼;激光焊;復(fù)合焊

　　0前言

　　近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)實(shí)施，軌道交通裝備制造已經(jīng)成為助推我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎，軌道車輛技術(shù)發(fā)展也帶動(dòng)了不同的相關(guān)技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展。作為軌道車輛車體的主要材料之一，不銹鋼具有良好的焊接性、耐腐蝕性、塑性、韌性以及防火安全性[1-2]，其中，SUS301L系列奧氏體不銹鋼及系列等效產(chǎn)品由于其良好的抗晶界腐蝕性及力學(xué)性能已成為車體制造的主要材料，目前國(guó)際上不銹鋼車輛大多采用SUS301L系列奧氏體不銹鋼薄板材料[3-5]。

　　激光焊具有熱輸入低、能量密度高、焊接變形小、焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)[6-9]，越來越多地被應(yīng)用到軌道車輛車體的制造中。文中介紹了SUS301L不銹鋼采用不同激光焊方法時(shí)的特性，對(duì)SUS301L不銹鋼激光焊以及激光電弧復(fù)合焊的發(fā)展趨勢(shì)作出展望。

　　1SUS301L不銹鋼常見激光焊方法

　　激光焊的熱源是激光束，產(chǎn)生激光束的設(shè)備是激光器[10]，文中綜述了SUS301L不銹鋼常見激光焊方法以及復(fù)合焊方法。

　　1.1YAG固體激光焊

　　YAG固體激光焊的激光波長(zhǎng)為1.06μm，其原理為：激光電源放電，使氙燈產(chǎn)生光波，光波經(jīng)聚光腔聚焦Nd：YAG晶體上，從而激發(fā)其產(chǎn)生激光，再經(jīng)過諧振腔作用后產(chǎn)生脈沖激光輸出。其利用高能量脈沖激光對(duì)工件實(shí)施焊接，易被金屬材料吸收，加工性能良好，并能通過光纖傳輸，若與機(jī)器手結(jié)合，則可實(shí)現(xiàn)柔性加工[11]。

　　張巖等人[12]研究了不同工藝條件下板厚0.8mm的SUS301L脈沖激光焊對(duì)接接頭組織特點(diǎn)及硬度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊縫熔深、熔寬、背面焊縫寬度以及深寬比皆隨著脈沖寬度的增加而增大，焊縫的主要組織為奧氏體+少量鐵素體，焊縫邊緣主要為柱狀晶，焊縫中心主要為胞狀晶，焊接接頭的硬度分布呈“W”狀。

　　劉亞姣等人[13]利用1.5mm厚的SUS301L-DLT，SUS301L-HT不銹鋼冷軋板制備搭接部分熔透、無填料對(duì)接的激光焊試件，研究了焊縫結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂行為和力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試件激光焊縫的金相組織為γ奧氏體和少量δ鐵素體，試件的熱影響區(qū)很窄，301L-HT板搭接激光試件的斷裂發(fā)生在部分熔焊板加載端焊縫邊緣，呈脆性斷裂傾向，301L-DLT板搭接激光焊件為界面焊縫拉伸-剪切斷裂，焊縫的抗剪強(qiáng)度較高，母材塑性變形明顯，301L-HT板對(duì)接激光試件拉伸斷裂發(fā)生于焊縫，301L-DLT板對(duì)接激光焊件拉伸斷裂模式為母材斷裂，斷裂強(qiáng)度值大于301L-HT板對(duì)接激光試件焊縫處的值，變形均勻、塑性好。301L不銹鋼冷軋板激光焊縫金屬具有良好的抗彎和拉伸性能，其中301L-DLT冷軋板的激光焊接性能優(yōu)于301L-HT板的。

　　2種板材的焊接熱影響區(qū)硬度比母材的有所降低，但高于焊縫的硬度，尤其是高強(qiáng)度的301L-HT冷軋板，這種硬度分布有利于改善焊接接頭的疲勞性能。YAG固體激光焊接頭金相組織為γ奧氏體和少量δ鐵素體，焊縫熔深、熔寬、背面焊縫寬度以及深寬比皆隨著脈沖寬度的變化而變化，不同強(qiáng)度等級(jí)的SUS301L不銹鋼焊接性能不同，且激光焊搭接接頭斷裂方式不同，激光焊對(duì)接與搭接焊縫的硬度分布不同。

　　1.2CO2激光焊

　　CO2激光焊是利用CO2激光器發(fā)射激光對(duì)工件進(jìn)行焊接。CO2激光器由N2，He，和CO2這3種介質(zhì)組成，其中CO2是產(chǎn)生激光的氣體，N2，He作為輔助氣體，激光器通電后放電，CO2分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，實(shí)現(xiàn)粒子翻轉(zhuǎn)形成激光，照射工件實(shí)現(xiàn)焊接。王素環(huán)等人[14]對(duì)2mm厚的SUS301L-ST不銹鋼采用電弧焊和激光焊2種方法進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)激光焊焊縫熱影響區(qū)較電弧焊的小，激光焊焊縫及熱影響區(qū)主要為柱狀晶及等軸晶，電弧焊焊縫及熱影響區(qū)主要為柱狀晶，且激光焊的焊接接頭晶粒較電弧焊的細(xì)小，激光焊接頭的抗拉強(qiáng)度高于電弧焊接頭的強(qiáng)度。LongChen等人[15]研究了厚4mm和厚2mm的SUS301L不銹鋼激光焊對(duì)接接頭。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，研究了對(duì)接的間隙公差。

　　使用w(草酸鹽)10%溶液進(jìn)行電解蝕刻，以測(cè)試4mm厚的SUS301L焊接接頭的晶間腐蝕。在1×107的條件循環(huán)時(shí)間下測(cè)試2mm厚的SUS301L焊接接頭的疲勞性能。使用光學(xué)顯微鏡，還研究了4mm厚的SUS301L的焊接區(qū)域中冶金組織的變化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，4mm厚的SUS301L的激光對(duì)接焊接在對(duì)接間隙處于一定公差內(nèi)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冶金形態(tài)和高強(qiáng)度焊接接頭。該焊接接頭還具有良好的抗晶間腐蝕性，并具有310MPa的疲勞極限。高瑞全等人[16]研究了奧氏體不銹鋼2-SUS301L-ST對(duì)接接頭的外觀形貌、力學(xué)性能、顯微硬度、金相組織等，考察了激光焊典型對(duì)接接頭的焊接性能。

　　研究得出：激光焊間隙≤0.2mm時(shí)，激光焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形均勻美觀，未發(fā)現(xiàn)外觀缺陷和內(nèi)部缺欠;激光焊接頭具有較好的塑韌性，其平均抗拉強(qiáng)度為786MPa，激光焊對(duì)接接頭顯微硬度約HV250;激光焊焊縫的微觀組織均為柱狀晶奧氏體組織，熱影響區(qū)顯微組織致密、晶粒細(xì)小。CO2激光焊的焊接接頭晶粒較電弧焊細(xì)小，且激光焊接頭抗拉強(qiáng)度優(yōu)于電弧焊抗拉強(qiáng)度，激光焊對(duì)接接頭的間隙處于一定公差內(nèi)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冶金形態(tài)和高強(qiáng)度焊接接頭。

　　1.3盤式激光焊

　　盤式激光器最初由德國(guó)斯圖加特大學(xué)鋼模具研究所發(fā)明，其發(fā)光晶體采用Yb：YAG，所以盤式激光器發(fā)出的激光可用光纖傳輸。盤式激光器可輸出大功率、小光斑直徑的激光束，因此可以在保證焊接速度的基礎(chǔ)上，得到熱影響區(qū)小的窄焊縫。安少云等人[17]研究了2mm厚的SUS301L-DLT不銹鋼激光焊速度對(duì)不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響，激光焊功率相同、焊接速度較低時(shí)，焊縫金屬熔化燒損比較嚴(yán)重，焊縫及熱影響區(qū)很寬，焊縫表面橫向和縱向不平度大;隨著焊接速度的提高，焊縫的平面度偏差減小，表面狀態(tài)得以改觀;但焊接速度過高時(shí)，焊縫變窄，易呈現(xiàn)不連續(xù)的雨滴狀。

　　焊縫背面隨速度的提高，表面受熱影響逐漸減小，表面更加光潔;激光焊功率相同時(shí)，焊縫熔寬及熔深隨著焊接速度的提高而減小;激光搭接焊焊縫的組織主要為奧氏體和少量鐵素體;焊接接頭存在過熱區(qū)，該區(qū)晶粒較大，影響接頭的性能;顯微硬度分析表明，焊接接頭的顯微硬度均低于母材的顯微硬度，母材的顯微硬度最高。

　　王洪瀟等人[18]針對(duì)不銹鋼車體電阻點(diǎn)焊外觀質(zhì)量較差和密封性不良等問題，研究采用非熔透型激光搭接焊工藝進(jìn)行不銹鋼車體焊接，分析了激光接工藝參數(shù)(激光功率P，焊接速度v，離焦量F等)對(duì)搭接焊熔深和抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，得出合理的激光搭接焊工藝參數(shù)為：P=2.0kW，v=22mm/s，F(xiàn)=0mm。焊縫硬度較母材的硬度高，焊縫邊緣細(xì)小柱狀晶的硬度比焊縫中心細(xì)小等軸晶的硬度高，焊縫中心處硬度在焊縫中最低，但略高于母材硬度。激光焊接頭抗剪強(qiáng)度高于點(diǎn)焊接頭的，外墻板表面無焊接痕跡。

　　2SUS301L不銹鋼復(fù)合激光焊

　　激光復(fù)合焊于20世紀(jì)70年代末提出，主要因?yàn)楫?dāng)時(shí)激光器成本高，且功率不高，為了降低成本，又能滿足焊接深度，在此背景下，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院SteenWM教授首次提出激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)的概念，該技術(shù)充分集成了激光焊與電弧焊的優(yōu)點(diǎn)，具有焊接熔深大、工藝穩(wěn)定性高、焊接生產(chǎn)效率高、焊接縫隙橋接能力強(qiáng)、可焊材料范圍廣及焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，更適合現(xiàn)代焊接工業(yè)的發(fā)展需求[23-25]。

　　2.1激光-MAG復(fù)合焊

　　韓曉輝等人[26]以6mm厚的SUS301L-MT奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象，研究了激光-MAG(metalactivegaswelding)復(fù)合焊接頭的成形規(guī)律及接頭性能。結(jié)果表明：激光功率以及離焦量的增大能增加焊縫上表面熔寬，焊接速度的提高能使焊縫中部熔寬和下表面熔寬明顯減小;焊縫寬度比隨離焦量的增大顯著增加;焊縫組織為奧氏體+δ鐵素體;接頭縱向殘余應(yīng)力在接頭中心位置存在極大值，約為330MPa。韓曉輝等人[27]對(duì)8mm厚的SUS301L-MT不銹鋼進(jìn)行激光-MAG復(fù)合焊，研究了不同保護(hù)氣體流量對(duì)焊縫成形、顯微組織以及力學(xué)性能的影響。

　　結(jié)果表明：當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，在該條件下保護(hù)氣體流量對(duì)焊縫成形的影響較小，且焊縫區(qū)域組織相似，主要為柱狀?yuàn)W氏體樹枝晶+少量δ鐵素體。接頭顯微硬度以及沖擊韌性隨保護(hù)氣體流量變化不明顯。接頭抗拉強(qiáng)度隨保護(hù)氣體流量增加而提高，不同保護(hù)氣體流量下的斷口微觀形貌相似，斷口區(qū)域分布著大量韌窩，表現(xiàn)為韌性斷裂。

　　3展望

　　SUS301L系列奧氏體不銹鋼及系列等效產(chǎn)品由于其良好的抗晶界腐蝕性及力學(xué)性能已成為軌道車輛車體制造的主要材料，激光焊作為一種前沿焊接方法越來越多地被應(yīng)用到軌道車輛車體的焊接中，但是常用激光焊功率較低，只能焊接較薄的板材，且一般激光焊對(duì)接頭的間隙極為敏感，具有一定的局限性。

　　近年來，激光-電弧復(fù)合焊成為激光焊發(fā)展的趨勢(shì)之一，激光-電弧復(fù)合焊將激光和電弧2種熱源的優(yōu)點(diǎn)集中起來，彌補(bǔ)了單熱源焊接工藝的不足[31]。雖然激光電弧復(fù)合焊較一般激光焊復(fù)雜，但是復(fù)合焊焊縫熔深大、對(duì)接頭間隙不敏感，且通過焊絲可以改善焊縫的性能。因此，激光電弧復(fù)合焊將來一定會(huì)在軌道交通行業(yè)以及其他裝備制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，研究激光功率、焊接速度、離焦量、保護(hù)氣體流量、熱源間距等工藝參數(shù)對(duì)激光-電弧復(fù)合焊焊縫的影響規(guī)律以及如何得到最優(yōu)的參數(shù)仍是激光-電弧復(fù)合焊的研究重點(diǎn)。

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　　機(jī)械論文投稿刊物：機(jī)車車輛工藝宗旨是緊跟我國(guó)鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，以鐵路高速、重載，及城市軌道交通制造業(yè)的新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備為報(bào)道重點(diǎn);及時(shí)反映機(jī)車車輛運(yùn)用檢修中的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題。