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激光焊接线能量对不锈钢接头组织及性能影响的研究

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不锈钢轨道客车因其具有重量轻、安全性高、成本低、耐腐蚀等诸多优点成为

我国目前轨道车辆的首要选择。随着当代科学技术的进步,人们对轨道客车车辆的

各项品质有了更加严格的要求。电阻点焊技术已经不能满足高品质不锈钢轨道客车

生产的要求。激光焊接技术有利于明显提高轨道客车的品质。与传统焊接方法相比,

激光焊接技术有无可替代的优势,将逐渐取代电阻点焊技术在不锈钢轨道客车车体

中的应用。

本论文研究了激光焊接线能量对不锈钢搭接接头熔深、熔宽、微观组织、硬度

及拉伸性能的影响,并对接头的疲劳性能进行了研究。研究结果表明,熔深、熔宽

均随焊接线能量的增加而增加。焊接线能量≤1.0000 kJ/cm时,焊缝表面成形良好,

背面无明显的焊接痕迹。当焊接线能量变大时,焊缝区胞状晶与胞状树枝晶的方向

性增强,晶区宽度增大;热影响区的宽度增大,晶粒粗化现象加重。奥氏体不锈钢

激光焊接头的硬度分布是不均匀的。当焊接线能量增加时,接头焊缝区、热影响区

式和结合面焊缝断裂模式。不锈钢搭接激光焊接工艺带为 0.8636  kJ/cm≤E≤1.0000

kJ/cm。

选取焊接线能量为 0.8636 kJ/cm、0.9048 kJ/cm、0.9091 kJ/cm、0.9545 kJ/cm的

焊接接头进行疲劳性能试验,结果表明,在高载荷条件下疲劳裂纹在焊缝和下板中

扩展,断裂于焊缝;在中、低载荷条件下,裂纹在下板中扩展,扩展方向近似平行

于板厚的方向,断裂发生在 2mm 厚的下板。在试件所受载荷较低时,裂纹沿晶界扩

展,扩展区面积较大,瞬断区面积较小,扩展区第一阶段时间较长,疲劳条纹宽度

较大,瞬断区韧窝较深;当试件所受载荷较高时,裂纹在 PSB 内萌生,扩展区面积

较小,瞬断区面积较大,扩展区第二阶段时间较长,疲劳条纹宽度较小,瞬断区韧

窝较浅。疲劳裂纹初期的扩展方向与应力轴成 45°夹角,在下一阶段变成垂直于应力

轴。裂纹在初期的扩展速度较第二阶段慢。在其扩展的初期,断口上没有疲劳条纹。

在第二阶段,断口上有特征的疲劳条纹。

吉林大学硕士学位论文

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征和技术关键。

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,即通过组合不

锈钢外板和骨架后,再用电阻点焊方法进行组装的方式。电阻点焊技术虽然可以较

大程度地降低焊接形变,但是由于焊接时产生的焊点非常多,也会使车体外板产生形

变。对于不涂装的侧墙板,点焊变形就成为特别突出的问题。针对这种情况,为了减

小焊接变形以及增大外钢板的刚度,不锈钢城轨车设计者通常会把车体外板沿纵向

压成凸凹形,从而形成近似波纹板的结构

[10]

。然而,波纹板结构比较影响车体的美

观,同时这种结构板虽然在横向和纵向上有刚性,但其在剪切方向上的强度比较低,

需要在剪切力传递的地方加设剪切板。由此可见,在强度方面,平板结构较好,焊

接质量也容易保证。

焊技术,在焊接之后的车体外表面会留有明显的焊接痕迹,并且产生较大的变形(见

图 1.1),又因为不锈钢车体不进行涂装,因而会严重降低车体表面的美观度;(2)

电阻点焊为非连续焊缝,点焊车体的密封性差,且增加了车体重量,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。为了解决不锈

钢车体点焊结构存在的局部变形以及气密性差等问题,日本等发达国家开始将激光

焊接技术应用在不锈钢客车制造过程中。

图 1.1  侧墙外板表面的压痕和局部变形

Fig.1.1  The  indentation  and local  deformation  on the  surface  of  lateral  wall  plate

激光焊接技术因其具有能量密度高、效率高、深宽比大、焊接位置容易转换等

一系列优点,被誉为是一种绿色、节能、高效、精密的先进焊接方法。采用激光焊

接技术可以有效地解决上述焊接时产生的诸多问题

[11,12]

。为了提高不锈钢轨道客车的

生产效率和质量,日本川崎公司的兵库工厂率先将激光焊接方法取代电阻点焊应用由于城市化进程逐步推进以及城市人口快速增加,环境污染、交通阻塞以及交

通安全,已经成为交通领域当前的三大难题。世界各国都普遍认识到发展轨道交通

对解决日趋严峻的交通问题具有非常重大的意义。发展节能环保、快速高效的轨道

交通车辆是社会的潮流和趋势。其中,车体材料的选择是发展轨道客车过程中非常

关键的问题。车体材料对客车的能源消耗、运输能力、运行的检修成本以及车辆维

修量都有非常重要的影响

[1-3]

。根据车体所用材料的不同,人们将轨道客车分为不锈

钢车、普通碳钢车、铝合金车以及高耐候结构钢车四种

[4]

。通过对轨道客车车体材料

进行对比得知,不锈钢车体以其重量轻、耐腐蚀、安全性高、成本低、寿命长等诸

多优势而成为轨道客车车辆的首要选择

[5,6]

早在八十年之前,欧美等国就已经开始利用不锈钢材料来生产轨道车辆。国际

范围内重工业制造水平的提高,使得不锈钢轨道车辆的生产水平也日趋成熟。目前,

一些发达国家的不锈钢车辆已经成为主要的轻量化车体,在不锈钢轨道车辆的生产

技术方面位于世界领先地位的国家是日本

[7]

不锈钢轨道客车的车体不仅仅是把碳钢替换成不锈钢,而且在车体制造工艺以

及结构的设计上也做了很多重要的改变。不锈钢轨道车辆车体的发展大致经历了四

个阶段

[2]

全不锈钢车以及轻量化不锈钢车。近年来,一些高速发展的新焊接技术被成功应用

到不锈钢轨道客车车体的制造当中,使车体的制造工艺手段得以极大地丰富并改善。

毋庸置疑,不锈钢轨道客车车体的焊接是其制造过程当中最重要的工作程序之

一。如果不锈钢车体采用电弧熔化焊,因为不锈钢材料本身的物理性质,会造成焊

缝应力腐蚀开裂以及较大的焊接变形等缺陷,严重影响不锈钢车体的焊接质量,因

此不锈钢车体不适合采用电弧熔化焊接技术

[8]

。日本城轨车研究者在联想到不锈钢板

比较适合进行搭接焊的情况下,率先采用电阻点焊技术焊接不锈钢轨道客车车体,

焊接效果非常好,保证了各项预期使用要求,自此之后不锈钢轨道客车车体在世界

范围内得到了推广。当前世界范围内,不锈钢车辆车体多数都使用 SUS301L 系列奥

氏体不锈钢薄板材料

[9]

。奥氏体不锈钢材料的抗拉强度(~930MPa)非常高,抗冲压

性能也非常好,同时其电阻点焊工艺的性能也很不错。奥氏体不锈钢车体因为使用

的是板梁结合通体承接的全焊构造,因此要尽量使用电阻点焊技术,以减小变形并

保证钢板的强度,尤其是对于强度级别比较高的奥氏体不锈钢材料而言,更不应该

采用任何形式的电弧焊接技术。采用接触焊取代电弧焊是不锈钢车体制造的主要特到不锈钢轨道客车车体侧墙的制造过程中。实践结果表明,激光焊接技术不仅可以

使车体外表面变得更加美观,同时还可以提高车体的密封性,因其所焊焊缝是连续

的,大幅度降低了生产成本

[13]

。随后,日本其他轨道车辆生产商纷纷采用并改进激

光焊接技术,使得不锈钢轨道车辆激光焊接技术日趋成熟。欧美等发达国家也紧随

其后,美国亚特兰大轻轨车、德国西门子的磁悬浮客车等也都在车体的制造中使用

了激光焊接技术,从而使其车体性能得以显著提高。

我国于上世纪末开始组织研究人员开发不锈钢轨道车辆,由于起步比较晚,我

国在不锈钢客车生产技术上,尤其是焊接技术上,与一些发达国家还有比较大的差

距。到目前为止,我国不锈钢车辆的焊接仍然使用传统的电阻点焊技术,并且我国

的生产技术水平有待提高,很多关键技术还在依赖进口。这种情况非常不利于保证

我国轨道客车的生产质量,同时也不利于提高轨道车辆的竞争力

[14]

。作为高端制造

业之一的高铁与城市轨道交通是国家“十二五”规划的亮点。根据国家发改委宏观

研究院统计,将来五年我国将大力发展轨道交通,每年的投资金额大约为 2000 亿。

依据《中长期铁路网规划》,全国铁路车辆的需求量在未来 5 年将高达 1500 列。这

一方案的提出为城轨车的发展带来了新的契机。

由于国外轨道客车的生产技术大部分是不对外开放的,所以我们国家必须提升

自主生产研发轨道客车的能力。鉴于我国与其它发达国家在轨道客车生产技术方面

的差距比较大,同时人们对于高品质不锈钢轨道车辆的需求日益扩大,本论文开展

了对不锈钢轨道车辆车体激光焊接技术的研究,重点研究激光焊接线能量对不锈钢

接头组织及性能的影响规律,以此对不锈钢轨道客车侧墙焊接的可靠性进行评价。

本论文的研究成果对提高我国不锈钢轨道车辆的制造技术水平有非常重要的意义。