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      耐候鋼疊焊接頭激光焊接工藝及性能

      2018-12-13 05:45:36郭麗娟王喜君
      電焊機(jī) 2018年11期
      關(guān)鍵詞:焦量熔深貝氏體

      田 慧,郭麗娟,王喜君,李 洋

      (中車唐山機(jī)車車輛有限公司,河北唐山063035)

      0 前言

      目前軌道客車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分豐富,形成了適合不同速度等級(jí)、不同檔次、不同牽引方式、能夠滿足各層次用戶需求的多樣化、梯次化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),涵蓋了普通鐵路客車、城鐵車和新一代高速動(dòng)車組[1]。焊接是軌道交通車體制造的關(guān)鍵工藝[2]。與傳統(tǒng)的焊接方式相比,激光焊接效率高,可自動(dòng)化操作,大大節(jié)省了生產(chǎn)成本。激光焊接無(wú)需其他填充物質(zhì),焊縫美觀干凈,在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)符合大眾的審美觀點(diǎn),為企業(yè)提供了強(qiáng)有力的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3-4]。

      本研究基于碳鋼車體及軌道交通關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件對(duì)激光焊接技術(shù)的需求,針對(duì)3mm厚Q345NQR2鋼和2.5 mm厚Q310NQL2鋼的疊焊接頭系統(tǒng)開展激光焊接工藝研究,為后續(xù)碳鋼車體相關(guān)結(jié)構(gòu)件及類似結(jié)構(gòu)的激光焊工藝生產(chǎn)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

      1 試驗(yàn)材料和方法

      1.1 試驗(yàn)材料

      試驗(yàn)?zāi)覆臑楹?.5 mm的Q310NQL2鋼和3 mm的Q345NQR2鋼[5],化學(xué)成分見(jiàn)表1,力學(xué)性能見(jiàn)表2。

      1.2 接頭形式

      工藝試驗(yàn)針對(duì)3 mm厚Q345NQR2+2.5 mm厚Q310NQL2疊焊接頭,3 mm板在上,2.5 mm板在下,采用單道焊且不焊透的工藝,并且控制變形。接頭形式如圖1所示,焊接時(shí)激光光束與焊接方向成110°夾角,激光與試板成80°夾角,如圖2所示。

      表1 母材化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of base metal %

      表2 母材力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of base metal

      圖1 坡口形式Fig.1 Groove form

      圖2 激光與試板相對(duì)位置Fig.2 Relative position of lase and test plate

      2 焊接工藝試驗(yàn)

      2.1 堆焊工藝試驗(yàn)

      針對(duì)3mm厚Q345NQR2+2.5mm厚Q310NQL2疊焊接頭,選擇在6mm平板上進(jìn)行激光焊堆焊試驗(yàn),研究離焦量、焊接速度和激光功率等焊接參數(shù)對(duì)焊縫熔深(H1)和熔寬(B1)的影響。H1和 B1示意見(jiàn)圖3。焊接試驗(yàn)選取的焊接參數(shù)及其波動(dòng)范圍見(jiàn)表3。

      表3 焊接試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Parameters of welding test

      圖 3 焊縫 B1、H1示意Fig.3 Schematic for B1,H1

      激光功率分別為5 kW和6 kW時(shí),不同焊接速度和離焦量的焊縫橫截面成形照片如圖4、圖5所示。由圖可知,增加離焦量是增加底板熔寬最有效的因素。同時(shí)隨著離焦量的增加,焊縫熔深逐漸減少,要保證有效的焊接,即在底板上形成有效熔深(H1≥3 mm)、熔寬(B1),一定離焦量下就需要增加功率或減慢焊接速度。離焦量越小,焊縫的深寬比越大。而試驗(yàn)所用母材為車輛用的耐候鋼,化學(xué)成分中含有較高的P,若焊縫的深寬比較大,則易在焊縫中心產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

      堆焊試驗(yàn)焊縫的B1和H1測(cè)量值見(jiàn)表4。熔深試驗(yàn)點(diǎn)選取如圖6所示,試驗(yàn)選取底板熔寬為1.0 mm以上的熔深點(diǎn),用于研究不同熔寬B1(B1≥1 mm)與接頭抗剪切力的關(guān)系。熔寬試驗(yàn)點(diǎn)選取如圖7所示,熔深為0.6~0.8 mm,有較多能滿足試驗(yàn)要求點(diǎn)來(lái)進(jìn)行熔寬與剪切力關(guān)系試驗(yàn)。

      2.2 不同熔深、熔寬對(duì)接頭抗剪力的影響

      不同熔深、熔寬對(duì)接頭抗剪力影響的試驗(yàn)是在3mm 厚Q345NQR2(上板)+2.5mm 厚 Q310NQL2(底板)的疊焊接頭上進(jìn)行。由于接頭與堆焊試驗(yàn)有一定的差異性,熔深與接頭抗剪切力關(guān)系試驗(yàn)選取的定熔寬B1為0.7~0.9 mm。一定熔寬B1(0.7~0.9 mm)下,不同焊縫熔深對(duì)應(yīng)的接頭抗剪切力如表5所示,焊縫的宏觀金相照片如圖8所示,熔深H1與疊焊接頭抗剪力關(guān)系的擬合曲線如圖9所示。由圖9可知,隨著熔深H1的增加,抗剪力開始時(shí)不斷增加,但當(dāng)熔深H1增加到一定值(1.5 mm)后,抗剪力也達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值14 kN。但由表5可知,當(dāng)熔深大于1 mm,抗剪力基本在14 kN水平上下波動(dòng)。由上所述,熔深大于一定值后,一定的熔寬對(duì)應(yīng)的抗剪力基本不變。

      一定熔深H1下(H1≥1 mm),不同焊縫熔深值對(duì)應(yīng)接頭抗剪切力如表6所示,焊縫宏觀金相照片如圖10所示,熔深B1與疊焊接頭抗剪力關(guān)系的擬合曲線如圖11所示。從曲線來(lái)看,隨著熔深B1的增加,抗剪力不斷增加,而且呈線性增加,通過(guò)擬合,抗剪力與熔寬的關(guān)系符合式(1):

      圖4 當(dāng)激光功率為5 kW時(shí),不同離焦量和焊接速度下的焊縫成形Fig.4 When the laser power is 5 kW,the weld formation under different defocus amount and welding speed

      圖5 當(dāng)激光功率為6 kW時(shí),不同離焦量和焊接速度下的焊縫成形Fig.5 When the laser power is 6 kW,the weld formation under different defocus amount and welding speed

      表4 試驗(yàn)焊縫參數(shù)Table 4 Weld parameters for welding test

      圖6 熔深試驗(yàn)點(diǎn)選取Fig.6 Selection of weld penetration test points

      圖7 熔寬試驗(yàn)點(diǎn)的選取Fig.7 Selection of weld width test points

      圖8 熔深試驗(yàn)接頭宏觀金相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

      圖9 熔深H1與疊焊接頭抗剪力關(guān)系Fig.9 Relationship between weld penetration H1and shear resistance

      表6 不同熔寬的抗剪力Table 6 Shear resistance of different weld width

      圖10 熔寬試驗(yàn)接頭宏觀金相Fig.10 Macro metallographic for weld penetration

      2.3 最優(yōu)工藝參數(shù)

      表7 焊接工藝參數(shù)Table 7 Welding process parameters

      通過(guò)以上試驗(yàn)得到優(yōu)化的激光填絲焊工藝參數(shù)如表7所示。采用最佳工藝參數(shù)所焊接的試板照片如圖12所示,焊縫成形美觀、整齊、光滑。焊縫X射線探傷照片如圖13所示[6]。焊縫經(jīng)X射線探傷檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜及裂紋等缺陷。

      圖11 熔寬B1與疊焊接頭抗剪力關(guān)系Fig.11 Relationship between weld width B1 and shear resistance

      圖12 焊縫照片F(xiàn)ig.12 Weld appearance

      圖13 焊縫的X射線探傷照片F(xiàn)ig.13 X-ray inspection of weld

      3 力學(xué)性能結(jié)果及分析

      3.1 拉伸試驗(yàn)

      采用最優(yōu)化參數(shù)的焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。接頭抗剪切力分別為25 kN和26 kN,兩個(gè)數(shù)據(jù)之間波動(dòng)不超過(guò)4%,說(shuō)明整個(gè)接頭力學(xué)性能較為均勻,該激光焊工藝穩(wěn)定性好。拉伸試樣照片如圖14所示,拉伸試樣均斷于焊縫,主要原因是該接頭形式為疊焊接頭和剪切受力形式所致。由圖14可知,斷口周圍母材發(fā)生了較大的彎曲變形,說(shuō)明焊縫有一定的承載能力,同時(shí)有較好的塑性。

      表8 拉伸性能Table 8 Tensile properties

      3.2 金相試驗(yàn)

      焊接接頭的宏觀金相如圖15所示,未見(jiàn)裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。

      圖14 拉伸試樣Fig.14 Tensile specimen

      圖15 焊接接頭宏觀金相照片F(xiàn)ig.15 Macro metallographic of welded joint

      接頭各區(qū)金相組織如圖16所示。焊縫區(qū)為貝氏體+馬氏體,呈典型的柱狀晶特性。上板過(guò)熱區(qū)為貝氏體+馬氏體,下板過(guò)熱區(qū)為貝氏體,呈等軸晶;上板正火區(qū)為貝氏體+馬氏體+鐵素體,呈細(xì)等軸晶,下板正火區(qū)為貝氏體+鐵素體+少量碳化物;上板不完全正火區(qū)為鐵素體+貝氏體+馬氏體,下板不完全正火區(qū)為鐵素體+貝氏體,同時(shí)在晶間彌散分布有大量碳化物相。

      3.3 硬度試驗(yàn)

      焊接接頭硬度試驗(yàn)用于考核接頭的硬化和軟化情況。試驗(yàn)采用維氏顯微硬度試驗(yàn)方法,試驗(yàn)結(jié)果分析曲線如圖17所示。焊縫、熱影響區(qū)的硬度值均高于母材的硬度值,存在一定的硬化傾向[5]。

      4 結(jié)論

      (1)在一定的焊縫熔寬范圍內(nèi),當(dāng)焊縫熔深大于1 mm后繼續(xù)增加,剪切力基本保持不變;當(dāng)焊縫熔深固定在1 mm以上時(shí),調(diào)整焊縫熔寬,剪切力達(dá)到的最大值26 kN。

      (2)接頭抗剪切力分別為25 kN和26 kN,兩個(gè)數(shù)據(jù)之間波動(dòng)不超過(guò)4%,整個(gè)接頭力學(xué)性能較為均勻,說(shuō)明該激光焊工藝穩(wěn)定性好。

      (3)焊接接頭的宏觀金相中未見(jiàn)裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等焊接缺陷。

      (4)焊縫和熱影響區(qū)的硬度值均高于母材,存在一定的硬化傾向。

      圖16 接頭各區(qū)金相組織Fig.16 Metallographic structure of joints

      圖17 焊接接頭硬度曲線Fig.17 Hardness curve of welded joint

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