公铁联运罐式集装箱激光焊接工艺应用.pdf

2023年 第9期 热加工75焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g公铁联运罐式集装箱激光焊接工艺应用李永军，安玲，张出蕾中车西安车辆有限公司 陕西西安 710000摘要：通过以奥氏体不锈钢和碳素钢为研究对象，采用光纤激光焊接机进行焊接试验，研究焊接参数对焊缝质量及焊接接头力学性能的影响。研究结果表明：通过优化焊接参数可使工件焊缝质量及焊接接头力学性能均达到良好效果，可将激光焊接工艺应用于公铁联运罐式集装箱制造。关键词：激光焊接；焊接参数；焊缝质量；焊接接头性能1 序言为满足轻量化的设计需求，我公司生产的20ft（1ft0.3048m）公铁联运罐式集装箱产品，罐体及附件等材质大多采用薄板奥氏体不锈钢，步道支撑、端梯等框架附件以薄板碳素钢材质为主。以往，薄板结构主要采用气体保护焊进行焊接，焊缝外观质量长期以来难以提升，且易产生焊接变形，焊接效率较低。为了从根本上解决薄板焊接质量难题，提升生产效率，开展新工艺、新方法的探索是十分必要的。激光焊接与气体保护焊接技术相比，具有焊接速度快、能量密度高、焊接变形小等优点1，因此激光焊接技术在五金、建材及工艺品等行业的薄板金属焊接，以及工程机械、船舶等行业厚板激光点焊等领域已有广泛应用。由于我公司产品结构件对焊接接头性能要求极高，因此研究激光焊接工艺对于我公司罐式集装箱产品的适用性具有十分重要的意义。2 激光焊接工艺原理激光焊接原理是利用激光器产生的高强度激光束，使其聚能到105W/cm2以上的能量密度，当其作用于工件焊缝时，工件吸收光能而转变为热能，使其金属熔化后再冷却结晶形成接头（见图1）。在激光焊接过程中，当激光束触及金属材料时，其热量通过热传导传输到工件表面及表面以下更深处。在激光热源的作用下，材料熔化、蒸发，并穿透工件的厚度方向形成狭长空洞，随着激光焊接的进行，小孔沿两工件间的接缝移动，进而形成焊缝2。激光焊接的显著特征是大熔深、窄焊道、小热影响区及高功率密度。图1激光焊接原理3 焊接工艺试验及研究3.1 试验设备激光焊接试验采用最大功率为3kW的连续光纤激光焊机，由激光器、水冷机、焊接头及枪缆等部分组成，通过自主控制系统操作，可实现焊接功能。除了焊接设备外，试验还采用了射线探伤机、拉伸试验机、弯曲试验机及金相显微镜等测试和分析设备。3.2 试验材料（1）焊接试板 材质分别是06Cr19Ni10奥氏体不锈钢和Q355D碳素钢，其主要化学成分、力学性能分别见表1、表2。焊前将各试板进行打磨清理，彻底去除焊缝及两侧的油污、氧化层、防护底漆与防护涂料等污物。2023年 第9期 热加工76焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表2焊接试板力学性能材料牌号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率（%）06Cr19Ni1025052040Q355D47035522（2）焊接材料 焊接材料分别选用ER308不锈钢焊丝和ER50-6碳素钢焊丝，直径均为1.2mm。焊丝主要化学成分与母材相当，杂质元素含量低于母材，焊丝主要化学成分见表3。（3）保护气体 试验分别采用高纯氩气（Ar）和氮气（N2）两种气体作为保护气体，气体流量为1015L/min，采用同轴吹气保护方式进行焊接试验。3.3 焊接试验与研究（1）焊接参数分析 激光焊接中最主要的焊接参数是激光功率、焊接速度、光束焦点位置。同时，保护气体种类选择、送入方式和流量控制这三方面对焊接气孔也有很大影响。本文主要探究离焦量为“0”（即激光聚焦点在工件表面）、保护气体在一定流量范围内同轴送气的条件下，激光功率、焊接速度和保护气体种类对焊缝质量的影响，并了解激光焊接接头的力学性能。针对不同材质、厚度的试板，采用不同激光功率、焊接速度、成形方式及保护气体等工艺参数进行焊接。焊接方式为不开坡口平板对接，初次试验采用的焊接参数见表4。表1焊接试板化学成分（质量分数）（%）材料牌号CSiMnPSCrNiNFe06Cr19Ni100.080.752.000.0350.01518.020.08.010.50.10余量Q355D0.200.551.600.0250.0250.300.30余量表3焊丝化学成分（质量分数）（%）焊丝型号CSiMnPSCrNiMoCuVER3080.040.080.651.02.00.030.0318.520.09.011.00.250.75ER50-60.060.150.801.151.401.850.0250.0250.150.150.150.08表4初次试验焊接参数组别材料牌号试板厚度/mm激光功率/W焊接速度/（cm/min）离焦量/mm扫描宽度/mm成形方式保护气体106Cr19Ni10310006503单面成形N2206Cr19Ni10311006503单面成形N2306Cr19Ni1049008003单面成形Ar406Cr19Ni10413506503双面成形Ar506Cr19Ni10415006503单面成形N2606Cr19Ni104170010003单面成形Ar706Cr19Ni104.513004003双面成形Ar806Cr19Ni104.515005003双面成形Ar906Cr19Ni10516006003双面成形Ar10Q355D2100010003单面成形Ar11Q355D310006003单面成形N212Q355D312006003单面成形N213Q355D415006503单面成形Ar14Q355D516006003双面成形Ar2023年 第9期 热加工77焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g通过初步试验可发现，采用不同焊接参数焊接的试板焊缝表面质量良好。经射线检测，发现除9#、14#试板焊缝内部质量良好，其余试板焊缝内部均存在不同程度的均布气孔缺陷。由此可见，研究激光焊接气孔的产生原因并找到消除该种缺陷的方法尤为重要。从激光焊接工艺原理分析可知，激光焊接产生的气孔为小孔形，主要是因该焊接方法的特殊机理而形成的。在激光焊接过程中，由于小孔的存在，高能激光束通过小孔到达熔池底部，金属表面的高温高密度等离子体，将会吸收、散射、反射激光能量，降低激光束的辐射能量和穿透能力，使可用于焊接的有效能量降低，导致匙孔不稳定。而且熔池液态金属的流动也十分强烈，在小孔内部所形成的金属蒸汽会向外喷射，这样会在小孔上表面形成蒸汽涡流，导致惰性保护气体被涡流卷入至小孔内部从而形成气孔3。由此可知，保证激光焊接过程中熔池小孔的相对稳定，可减少气孔的产生。那么，提高激光功率实质上是提高了激光的功率密度，提高了激光束的穿透能力，更有利于小孔的稳定性，从而减少气孔的存在。但提高激光功率会提高焊接热输入量，因此提高激光功率的同时需配置合理的焊接速度，从而获得内部质量良好的焊缝。经上述分析后，对焊接参数多次调整，进行焊接试验，最终试板焊缝内部质量良好，调整后的焊接参数见表5。表5调整后的焊接参数组别材料牌号试板厚度/mm焊接功率/W焊接速度/（cm/min）离焦量/mm扫描宽度/mm成形方式保护气体106Cr19Ni10312006503单面成形N2206Cr19Ni104270012003单面成形N2306Cr19Ni104.5280010003单面成形N24Q355D213508003单面成形N25Q355D314006503单面成形N26Q355D4280012003单面成形N2（2）焊缝质量检测 激光焊接的焊缝表面形貌如图2所示。由图2可知，焊缝成形良好、均匀饱满，无表面裂纹、气孔、飞溅及咬边等缺陷。不锈钢焊缝正面呈金黄色，碳素钢焊缝正面呈银灰色，气体保护效果良好，未发生氧化，背面焊缝均较正面焊缝宽度略窄，颜色呈黑灰色，这是因背面气体保护不充分而使背面焊缝金属发生氧化所致。对各试板进行射线检测，结果如图3所示。由图3可知，激光功率对焊缝内部质量有明显的影响。采用调整后的工艺参数进行焊接均能获得全焊透的焊缝。当试板厚度和焊接速度一定时，采用的激光功率较低，焊缝内部产生不同程度的均布气孔，提高激光功率后，可有效消除焊缝内部气孔，使焊缝内a）不锈钢正面b）不锈钢背面c）碳素钢正面a）不锈钢d）碳素钢背面图2焊缝表面形貌b）碳素钢图3焊缝射线检测结果2023年 第9期 热加工78焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n ga）不锈钢拉伸试样b）不锈钢弯曲试样c）碳素钢拉伸试样d）碳素钢弯曲试样图4力学性能试样部质量符合相关标准要求。经试验对比可发现，当焊接参数一定时，对于焊缝内部质量而言，采用N2作为保护气体的效果优于Ar。这是因为N2的电离能高于Ar，在激光作用下电离层程度一般，可以较好地减少等离子体云的形成，从而增大激光的有效利用率，提高熔池匙孔的稳定性，减少气孔的产生。（3）力学性能试验 对试板取样进行拉伸性能和弯曲性能试验，试样如图4所示，试验结果见表a）不锈钢 b）碳素钢图5焊缝宏观金相表6焊接接头力学性能试验结果试样编号材料牌号抗拉强度/MPa断裂位置母材抗拉强度/MPa弯曲试验180106Cr19Ni10653焊缝520无缺陷 206Cr19Ni10654焊缝无缺陷 306Cr19Ni10657焊缝无缺陷 406Cr19Ni10643焊缝无缺陷 5Q355D523母材470无缺陷 6Q355D540母材无缺陷 7Q355D525母材无缺陷 8Q355D525母材无缺陷 6。由表6可知，其焊接接头抗拉强度远高于母材抗拉强度下限值，各试样在弯曲过程中没有出现任何缺陷，结果全部满足GB/T 297102013电子束及激光焊接工艺评定试验方法及NB/T 470142011承压设备焊接工艺评定的要求。（4）宏观金相试验 激光对接焊缝截面宏观形貌如图5所示，焊缝截面呈“丁”字形，单面焊双面成形，焊缝熔合良好。从宏观上看，焊接接头可见清晰的熔合线，热影响区不明显。这主要是由于激2023年 第9期 热加工79焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g光焊接能量高且集中，受热母材范围很小，同时由于熔池金属冷却速度很快、温度梯度大，熔池金属的结晶范围很小，因此热影响区很窄4。（5）化学成分分析 为验证激光焊接工艺对于a）保温套板拼接（碳素钢）b）溢流盒角接（不锈钢）图6激光焊接应用效果奥氏体不锈钢合金元素的烧损情况，采用堆焊方式焊接试样，对焊缝进行了化学成分分析，结果见表7。通过与母材及焊丝化学成分进行对比，得知其合金元素含量均在母材标准范围内。表7化学成分分析结果（质量分数）（%）元素CSiMnPSCrNi母材0.080.752.000.0350.01518.0020.008.0010.50焊丝0.080.651.02.50.030.0319.522.09.011.0试样10.040.451.260.0310.00218.398.42试样20.030.461.260.0300.00318.468.484 激光焊接工艺的应用4.1 应用效果通过上述试验研究积累的焊接参数数据，完成碳素钢及不锈钢等材料的焊接工艺评定，并成功应用于批量生产的GL70形沥青罐车保温套板拼接、20ft公铁联运罐式集装箱溢流盒及加强板的焊接中，效果如图6所示。该工艺实现了薄板对接焊缝的单面焊双面成形，焊缝余高较低，角焊缝呈凹形圆滑过渡，改善了焊缝应力状态，焊缝成形美观，焊接变形小。放，改善作业环境，同时对操作者的技能要求较低，操作者经过短期培训和练习即可上岗作业。5 结束语激光焊接工艺的试验研究及应用表明，采用合理的焊接参数可获得符合相关标准的焊接接头。与传统焊接工艺相比，激光焊接在焊缝质量和降本增效方面均有较大优势，可在20ft公铁联运罐式集装箱产品焊接生产中广泛应用。参考文献：1 李明祥，张兵宪，张云龙，等工艺参数对304不锈钢焊接接头组织性能的影响J热加工工艺，2021（1）：53-572 王家淳激光焊接技术发展与展望J激光技术，2001，25（1）：48-543 王诗洋焊接参数对高功率光纤激光及激光-TIG复合填丝焊接气孔的影响D北京：机械科学研究总院，20154 陈俊科，石岩，刘佳，等奥氏体不锈钢激光焊接工艺研究J应用激光，2015（3）：335-338202305094.2 应用优势采用激光焊接效率明显提升，与传统气体保护焊相比，焊接速度可提高1倍以上，且激光焊接后无飞溅、成形不良等缺陷，不需打磨或清理。焊接成本方面，焊丝用量大幅下降，采用N2保护气体，成本降低。激光焊接烟尘较小，可降低有害烟尘排