激光焊接線能量對蛇皮穿線管組織及性能影響的研究
2016-3-1 20:50:56點擊：
不銹鋼軌道客車因其具有重量輕、安全性高、成本低、耐腐蝕等諸多優(yōu)點成為
我國目前軌道車輛的首要選擇。隨著當代科學(xué)技術(shù)的進步，人們對軌道客車車輛的
各項品質(zhì)有了更加嚴格的要求。電阻點焊技術(shù)已經(jīng)不能滿足高品質(zhì)不銹鋼軌道客車
生產(chǎn)的要求。激光焊接技術(shù)有利于明顯提高軌道客車的品質(zhì)。與傳統(tǒng)焊接方法相比，
激光焊接技術(shù)有無可替代的優(yōu)勢，將逐漸取代電阻點焊技術(shù)在不銹鋼軌道客車車體
中的應(yīng)用。
本論文研究了激光焊接線能量對不銹鋼搭接接頭熔深、熔寬、微觀組織、硬度
及拉伸性能的影響，并對接頭的疲勞性能進行了研究。研究結(jié)果表明，熔深、熔寬
均隨焊接線能量的增加而增加。焊接線能量≤1.0000 kJ/cm時，焊縫表面成形良好，
背面無明顯的焊接痕跡。當焊接線能量變大時，焊縫區(qū)胞狀晶與胞狀樹枝晶的方向
性增強，晶區(qū)寬度增大；熱影響區(qū)的寬度增大，晶粒粗化現(xiàn)象加重。奧氏體不銹鋼
激光焊接頭的硬度分布是不均勻的。當焊接線能量增加時，接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)
的硬度值降低，接頭抗拉剪能力增強。接頭斷裂模式主要有兩種：熱影響區(qū)斷裂模
式和結(jié)合面焊縫斷裂模式。不銹鋼搭接激光焊接工藝帶為 0.8636 kJ/cm≤E≤1.0000
kJ/cm。
選取焊接線能量為 0.8636 kJ/cm、0.9048 kJ/cm、0.9091 kJ/cm、0.9545 kJ/cm的
焊接接頭進行疲勞性能試驗，結(jié)果表明，在高載荷條件下疲勞裂紋在焊縫和下板中
擴展，斷裂于焊縫；在中、低載荷條件下，裂紋在下板中擴展，擴展方向近似平行
于板厚的方向，斷裂發(fā)生在 2mm 厚的下板。在試件所受載荷較低時，裂紋沿晶界擴
展，擴展區(qū)面積較大，瞬斷區(qū)面積較小，擴展區(qū)第一階段時間較長，疲勞條紋寬度
較大，瞬斷區(qū)韌窩較深；當試件所受載荷較高時，裂紋在 PSB 內(nèi)萌生，擴展區(qū)面積
較小，瞬斷區(qū)面積較大，擴展區(qū)第二階段時間較長，疲勞條紋寬度較小，瞬斷區(qū)韌
窩較淺。疲勞裂紋初期的擴展方向與應(yīng)力軸成 45°夾角，在下一階段變成垂直于應(yīng)力
軸。裂紋在初期的擴展速度較第二階段慢。在其擴展的初期，斷口上沒有疲勞條紋。
在第二階段，斷口上有特征的疲勞條紋。
關(guān)鍵詞：不銹鋼車體；激光焊；焊接線能量；接頭疲勞性能
我國目前軌道車輛的首要選擇。隨著當代科學(xué)技術(shù)的進步，人們對軌道客車車輛的
各項品質(zhì)有了更加嚴格的要求。電阻點焊技術(shù)已經(jīng)不能滿足高品質(zhì)不銹鋼軌道客車
生產(chǎn)的要求。激光焊接技術(shù)有利于明顯提高軌道客車的品質(zhì)。與傳統(tǒng)焊接方法相比，
激光焊接技術(shù)有無可替代的優(yōu)勢，將逐漸取代電阻點焊技術(shù)在不銹鋼軌道客車車體
中的應(yīng)用。
本論文研究了激光焊接線能量對不銹鋼搭接接頭熔深、熔寬、微觀組織、硬度
及拉伸性能的影響，并對接頭的疲勞性能進行了研究。研究結(jié)果表明，熔深、熔寬
均隨焊接線能量的增加而增加。焊接線能量≤1.0000 kJ/cm時，焊縫表面成形良好，
背面無明顯的焊接痕跡。當焊接線能量變大時，焊縫區(qū)胞狀晶與胞狀樹枝晶的方向
性增強，晶區(qū)寬度增大；熱影響區(qū)的寬度增大，晶粒粗化現(xiàn)象加重。奧氏體不銹鋼
激光焊接頭的硬度分布是不均勻的。當焊接線能量增加時，接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)
的硬度值降低，接頭抗拉剪能力增強。接頭斷裂模式主要有兩種：熱影響區(qū)斷裂模
式和結(jié)合面焊縫斷裂模式。不銹鋼搭接激光焊接工藝帶為 0.8636 kJ/cm≤E≤1.0000
kJ/cm。
選取焊接線能量為 0.8636 kJ/cm、0.9048 kJ/cm、0.9091 kJ/cm、0.9545 kJ/cm的
焊接接頭進行疲勞性能試驗，結(jié)果表明，在高載荷條件下疲勞裂紋在焊縫和下板中
擴展，斷裂于焊縫；在中、低載荷條件下，裂紋在下板中擴展，擴展方向近似平行
于板厚的方向，斷裂發(fā)生在 2mm 厚的下板。在試件所受載荷較低時，裂紋沿晶界擴
展，擴展區(qū)面積較大，瞬斷區(qū)面積較小，擴展區(qū)第一階段時間較長，疲勞條紋寬度
較大，瞬斷區(qū)韌窩較深；當試件所受載荷較高時，裂紋在 PSB 內(nèi)萌生，擴展區(qū)面積
較小，瞬斷區(qū)面積較大，擴展區(qū)第二階段時間較長，疲勞條紋寬度較小，瞬斷區(qū)韌
窩較淺。疲勞裂紋初期的擴展方向與應(yīng)力軸成 45°夾角，在下一階段變成垂直于應(yīng)力
軸。裂紋在初期的擴展速度較第二階段慢。在其擴展的初期，斷口上沒有疲勞條紋。
在第二階段，斷口上有特征的疲勞條紋。
關(guān)鍵詞：不銹鋼車體；激光焊；焊接線能量；接頭疲勞性能
吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文
2
征和技術(shù)關(guān)鍵。
目前，不銹鋼軌道客車車體焊裝主要采用傳統(tǒng)的電阻點焊技術(shù)，即通過組合不
銹鋼外板和骨架后，再用電阻點焊方法進行組裝的方式。電阻點焊技術(shù)雖然可以較
大程度地降低焊接形變，但是由于焊接時產(chǎn)生的焊點非常多,也會使車體外板產(chǎn)生形
變。對于不涂裝的側(cè)墻板,點焊變形就成為特別突出的問題。針對這種情況，為了減
小焊接變形以及增大外鋼板的剛度，不銹鋼城軌車設(shè)計者通常會把車體外板沿縱向
壓成凸凹形，從而形成近似波紋板的結(jié)構(gòu)
[10]
。然而，波紋板結(jié)構(gòu)比較影響車體的美
觀，同時這種結(jié)構(gòu)板雖然在橫向和縱向上有剛性，但其在剪切方向上的強度比較低，
需要在剪切力傳遞的地方加設(shè)剪切板。由此可見，在強度方面，平板結(jié)構(gòu)較好，焊
接質(zhì)量也容易保證。
盡管如此，點焊結(jié)構(gòu)還是不可避免地存在以下問題：（1）如果車體采用電阻點
焊技術(shù)，在焊接之后的車體外表面會留有明顯的焊接痕跡，并且產(chǎn)生較大的變形（見
圖 1.1），又因為不銹鋼車體不進行涂裝，因而會嚴重降低車體表面的美觀度；（2）
電阻點焊為非連續(xù)焊縫，點焊車體的密封性差，且增加了車體重量，不適用于高速
動車組產(chǎn)品；（3）車體結(jié)構(gòu)受點焊工藝限制，生產(chǎn)成本高、效率低。為了解決不銹
鋼車體點焊結(jié)構(gòu)存在的局部變形以及氣密性差等問題，日本等發(fā)達國家開始將激光
焊接技術(shù)應(yīng)用在不銹鋼客車制造過程中。
圖 1.1 側(cè)墻外板表面的壓痕和局部變形
Fig.1.1 The indentation and local deformation on the surface of lateral wall plate
激光焊接技術(shù)因其具有能量密度高、效率高、深寬比大、焊接位置容易轉(zhuǎn)換等
一系列優(yōu)點，被譽為是一種綠色、節(jié)能、高效、精密的先進焊接方法。采用激光焊
接技術(shù)可以有效地解決上述焊接時產(chǎn)生的諸多問題
[11,12]
。為了提高不銹鋼軌道客車的
生產(chǎn)效率和質(zhì)量，日本川崎公司的兵庫工廠率先將激光焊接方法取代電阻點焊應(yīng)用由于城市化進程逐步推進以及城市人口快速增加，環(huán)境污染、交通阻塞以及交
通安全，已經(jīng)成為交通領(lǐng)域當前的三大難題。世界各國都普遍認識到發(fā)展軌道交通
對解決日趨嚴峻的交通問題具有非常重大的意義。發(fā)展節(jié)能環(huán)保、快速高效的軌道
交通車輛是社會的潮流和趨勢。其中，車體材料的選擇是發(fā)展軌道客車過程中非常
關(guān)鍵的問題。車體材料對客車的能源消耗、運輸能力、運行的檢修成本以及車輛維
修量都有非常重要的影響
[1-3]
。根據(jù)車體所用材料的不同，人們將軌道客車分為不銹
鋼車、普通碳鋼車、鋁合金車以及高耐候結(jié)構(gòu)鋼車四種
[4]
。通過對軌道客車車體材料
進行對比得知，不銹鋼車體以其重量輕、耐腐蝕、安全性高、成本低、壽命長等諸
多優(yōu)勢而成為軌道客車車輛的首要選擇
[5,6]
。
早在八十年之前，歐美等國就已經(jīng)開始利用不銹鋼材料來生產(chǎn)軌道車輛。國際
范圍內(nèi)重工業(yè)制造水平的提高，使得不銹鋼軌道車輛的生產(chǎn)水平也日趨成熟。目前，
一些發(fā)達國家的不銹鋼車輛已經(jīng)成為主要的輕量化車體，在不銹鋼軌道車輛的生產(chǎn)
技術(shù)方面位于世界領(lǐng)先地位的國家是日本
[7]
。
不銹鋼軌道客車的車體不僅僅是把碳鋼替換成不銹鋼,而且在車體制造工藝以
及結(jié)構(gòu)的設(shè)計上也做了很多重要的改變。不銹鋼軌道車輛車體的發(fā)展大致經(jīng)歷了四
個階段
[2]
：以碳鋼材料做底架的半不銹鋼車、以不銹鋼材料做外墻板的外板不銹鋼車、
全不銹鋼車以及輕量化不銹鋼車。近年來，一些高速發(fā)展的新焊接技術(shù)被成功應(yīng)用
到不銹鋼軌道客車車體的制造當中，使車體的制造工藝手段得以極大地豐富并改善。
毋庸置疑，不銹鋼軌道客車車體的焊接是其制造過程當中最重要的工作程序之
一。如果不銹鋼車體采用電弧熔化焊，因為不銹鋼材料本身的物理性質(zhì)，會造成焊
縫應(yīng)力腐蝕開裂以及較大的焊接變形等缺陷，嚴重影響不銹鋼車體的焊接質(zhì)量，因
此不銹鋼車體不適合采用電弧熔化焊接技術(shù)
[8]
。日本城軌車研究者在聯(lián)想到不銹鋼板
比較適合進行搭接焊的情況下，率先采用電阻點焊技術(shù)焊接不銹鋼軌道客車車體，
焊接效果非常好，保證了各項預(yù)期使用要求，自此之后不銹鋼軌道客車車體在世界
范圍內(nèi)得到了推廣。當前世界范圍內(nèi)，不銹鋼車輛車體多數(shù)都使用 SUS301L 系列奧
氏體不銹鋼薄板材料
[9]
。奧氏體不銹鋼材料的抗拉強度(～930MPa)非常高，抗沖壓
性能也非常好，同時其電阻點焊工藝的性能也很不錯。奧氏體不銹鋼車體因為使用
的是板梁結(jié)合通體承接的全焊構(gòu)造，因此要盡量使用電阻點焊技術(shù)，以減小變形并
保證鋼板的強度，尤其是對于強度級別比較高的奧氏體不銹鋼材料而言，更不應(yīng)該
采用任何形式的電弧焊接技術(shù)。采用接觸焊取代電弧焊是不銹鋼車體制造的主要特到不銹鋼軌道客車車體側(cè)墻的制造過程中。實踐結(jié)果表明，激光焊接技術(shù)不僅可以
使車體外表面變得更加美觀，同時還可以提高車體的密封性，因其所焊焊縫是連續(xù)
的，大幅度降低了生產(chǎn)成本
[13]
。隨后，日本其他軌道車輛生產(chǎn)商紛紛采用并改進激
光焊接技術(shù)，使得不銹鋼軌道車輛激光焊接技術(shù)日趨成熟。歐美等發(fā)達國家也緊隨
其后，美國亞特蘭大輕軌車、德國西門子的磁懸浮客車等也都在車體的制造中使用
了激光焊接技術(shù)，從而使其車體性能得以顯著提高。
我國于上世紀末開始組織研究人員開發(fā)不銹鋼軌道車輛，由于起步比較晚，我
國在不銹鋼客車生產(chǎn)技術(shù)上，尤其是焊接技術(shù)上，與一些發(fā)達國家還有比較大的差
距。到目前為止，我國不銹鋼車輛的焊接仍然使用傳統(tǒng)的電阻點焊技術(shù)，并且我國
的生產(chǎn)技術(shù)水平有待提高，很多關(guān)鍵技術(shù)還在依賴進口。這種情況非常不利于保證
我國軌道客車的生產(chǎn)質(zhì)量，同時也不利于提高軌道車輛的競爭力
[14]
。作為高端制造
業(yè)之一的高鐵與城市軌道交通是國家“十二五”規(guī)劃的亮點。根據(jù)國家發(fā)改委宏觀
研究院統(tǒng)計，將來五年我國將大力發(fā)展軌道交通，每年的投資金額大約為 2000 億。
依據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，全國鐵路車輛的需求量在未來 5 年將高達 1500 列。這
一方案的提出為城軌車的發(fā)展帶來了新的契機。
由于國外軌道客車的生產(chǎn)技術(shù)大部分是不對外開放的，所以我們國家必須提升
自主生產(chǎn)研發(fā)軌道客車的能力。鑒于我國與其它發(fā)達國家在軌道客車生產(chǎn)技術(shù)方面
的差距比較大，同時人們對于高品質(zhì)不銹鋼軌道車輛的需求日益擴大，本論文開展
了對不銹鋼軌道車輛車體激光焊接技術(shù)的研究，重點研究激光焊接線能量對不銹鋼
接頭組織及性能的影響規(guī)律，以此對不銹鋼軌道客車側(cè)墻焊接的可靠性進行評價。
本論文的研究成果對提高我國不銹鋼軌道車輛的制造技術(shù)水平有非常重要的意義。
2
征和技術(shù)關(guān)鍵。
目前，不銹鋼軌道客車車體焊裝主要采用傳統(tǒng)的電阻點焊技術(shù)，即通過組合不
銹鋼外板和骨架后，再用電阻點焊方法進行組裝的方式。電阻點焊技術(shù)雖然可以較
大程度地降低焊接形變，但是由于焊接時產(chǎn)生的焊點非常多,也會使車體外板產(chǎn)生形
變。對于不涂裝的側(cè)墻板,點焊變形就成為特別突出的問題。針對這種情況，為了減
小焊接變形以及增大外鋼板的剛度，不銹鋼城軌車設(shè)計者通常會把車體外板沿縱向
壓成凸凹形，從而形成近似波紋板的結(jié)構(gòu)
[10]
。然而，波紋板結(jié)構(gòu)比較影響車體的美
觀，同時這種結(jié)構(gòu)板雖然在橫向和縱向上有剛性，但其在剪切方向上的強度比較低，
需要在剪切力傳遞的地方加設(shè)剪切板。由此可見，在強度方面，平板結(jié)構(gòu)較好，焊
接質(zhì)量也容易保證。
盡管如此，點焊結(jié)構(gòu)還是不可避免地存在以下問題：（1）如果車體采用電阻點
焊技術(shù)，在焊接之后的車體外表面會留有明顯的焊接痕跡，并且產(chǎn)生較大的變形（見
圖 1.1），又因為不銹鋼車體不進行涂裝，因而會嚴重降低車體表面的美觀度；（2）
電阻點焊為非連續(xù)焊縫，點焊車體的密封性差，且增加了車體重量，不適用于高速
動車組產(chǎn)品；（3）車體結(jié)構(gòu)受點焊工藝限制，生產(chǎn)成本高、效率低。為了解決不銹
鋼車體點焊結(jié)構(gòu)存在的局部變形以及氣密性差等問題，日本等發(fā)達國家開始將激光
焊接技術(shù)應(yīng)用在不銹鋼客車制造過程中。
圖 1.1 側(cè)墻外板表面的壓痕和局部變形
Fig.1.1 The indentation and local deformation on the surface of lateral wall plate
激光焊接技術(shù)因其具有能量密度高、效率高、深寬比大、焊接位置容易轉(zhuǎn)換等
一系列優(yōu)點，被譽為是一種綠色、節(jié)能、高效、精密的先進焊接方法。采用激光焊
接技術(shù)可以有效地解決上述焊接時產(chǎn)生的諸多問題
[11,12]
。為了提高不銹鋼軌道客車的
生產(chǎn)效率和質(zhì)量，日本川崎公司的兵庫工廠率先將激光焊接方法取代電阻點焊應(yīng)用由于城市化進程逐步推進以及城市人口快速增加，環(huán)境污染、交通阻塞以及交
通安全，已經(jīng)成為交通領(lǐng)域當前的三大難題。世界各國都普遍認識到發(fā)展軌道交通
對解決日趨嚴峻的交通問題具有非常重大的意義。發(fā)展節(jié)能環(huán)保、快速高效的軌道
交通車輛是社會的潮流和趨勢。其中，車體材料的選擇是發(fā)展軌道客車過程中非常
關(guān)鍵的問題。車體材料對客車的能源消耗、運輸能力、運行的檢修成本以及車輛維
修量都有非常重要的影響
[1-3]
。根據(jù)車體所用材料的不同，人們將軌道客車分為不銹
鋼車、普通碳鋼車、鋁合金車以及高耐候結(jié)構(gòu)鋼車四種
[4]
。通過對軌道客車車體材料
進行對比得知，不銹鋼車體以其重量輕、耐腐蝕、安全性高、成本低、壽命長等諸
多優(yōu)勢而成為軌道客車車輛的首要選擇
[5,6]
。
早在八十年之前，歐美等國就已經(jīng)開始利用不銹鋼材料來生產(chǎn)軌道車輛。國際
范圍內(nèi)重工業(yè)制造水平的提高，使得不銹鋼軌道車輛的生產(chǎn)水平也日趨成熟。目前，
一些發(fā)達國家的不銹鋼車輛已經(jīng)成為主要的輕量化車體，在不銹鋼軌道車輛的生產(chǎn)
技術(shù)方面位于世界領(lǐng)先地位的國家是日本
[7]
。
不銹鋼軌道客車的車體不僅僅是把碳鋼替換成不銹鋼,而且在車體制造工藝以
及結(jié)構(gòu)的設(shè)計上也做了很多重要的改變。不銹鋼軌道車輛車體的發(fā)展大致經(jīng)歷了四
個階段
[2]
：以碳鋼材料做底架的半不銹鋼車、以不銹鋼材料做外墻板的外板不銹鋼車、
全不銹鋼車以及輕量化不銹鋼車。近年來，一些高速發(fā)展的新焊接技術(shù)被成功應(yīng)用
到不銹鋼軌道客車車體的制造當中，使車體的制造工藝手段得以極大地豐富并改善。
毋庸置疑，不銹鋼軌道客車車體的焊接是其制造過程當中最重要的工作程序之
一。如果不銹鋼車體采用電弧熔化焊，因為不銹鋼材料本身的物理性質(zhì)，會造成焊
縫應(yīng)力腐蝕開裂以及較大的焊接變形等缺陷，嚴重影響不銹鋼車體的焊接質(zhì)量，因
此不銹鋼車體不適合采用電弧熔化焊接技術(shù)
[8]
。日本城軌車研究者在聯(lián)想到不銹鋼板
比較適合進行搭接焊的情況下，率先采用電阻點焊技術(shù)焊接不銹鋼軌道客車車體，
焊接效果非常好，保證了各項預(yù)期使用要求，自此之后不銹鋼軌道客車車體在世界
范圍內(nèi)得到了推廣。當前世界范圍內(nèi)，不銹鋼車輛車體多數(shù)都使用 SUS301L 系列奧
氏體不銹鋼薄板材料
[9]
。奧氏體不銹鋼材料的抗拉強度(～930MPa)非常高，抗沖壓
性能也非常好，同時其電阻點焊工藝的性能也很不錯。奧氏體不銹鋼車體因為使用
的是板梁結(jié)合通體承接的全焊構(gòu)造，因此要盡量使用電阻點焊技術(shù)，以減小變形并
保證鋼板的強度，尤其是對于強度級別比較高的奧氏體不銹鋼材料而言，更不應(yīng)該
采用任何形式的電弧焊接技術(shù)。采用接觸焊取代電弧焊是不銹鋼車體制造的主要特到不銹鋼軌道客車車體側(cè)墻的制造過程中。實踐結(jié)果表明，激光焊接技術(shù)不僅可以
使車體外表面變得更加美觀，同時還可以提高車體的密封性，因其所焊焊縫是連續(xù)
的，大幅度降低了生產(chǎn)成本
[13]
。隨后，日本其他軌道車輛生產(chǎn)商紛紛采用并改進激
光焊接技術(shù)，使得不銹鋼軌道車輛激光焊接技術(shù)日趨成熟。歐美等發(fā)達國家也緊隨
其后，美國亞特蘭大輕軌車、德國西門子的磁懸浮客車等也都在車體的制造中使用
了激光焊接技術(shù)，從而使其車體性能得以顯著提高。
我國于上世紀末開始組織研究人員開發(fā)不銹鋼軌道車輛，由于起步比較晚，我
國在不銹鋼客車生產(chǎn)技術(shù)上，尤其是焊接技術(shù)上，與一些發(fā)達國家還有比較大的差
距。到目前為止，我國不銹鋼車輛的焊接仍然使用傳統(tǒng)的電阻點焊技術(shù)，并且我國
的生產(chǎn)技術(shù)水平有待提高，很多關(guān)鍵技術(shù)還在依賴進口。這種情況非常不利于保證
我國軌道客車的生產(chǎn)質(zhì)量，同時也不利于提高軌道車輛的競爭力
[14]
。作為高端制造
業(yè)之一的高鐵與城市軌道交通是國家“十二五”規(guī)劃的亮點。根據(jù)國家發(fā)改委宏觀
研究院統(tǒng)計，將來五年我國將大力發(fā)展軌道交通，每年的投資金額大約為 2000 億。
依據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，全國鐵路車輛的需求量在未來 5 年將高達 1500 列。這
一方案的提出為城軌車的發(fā)展帶來了新的契機。
由于國外軌道客車的生產(chǎn)技術(shù)大部分是不對外開放的，所以我們國家必須提升
自主生產(chǎn)研發(fā)軌道客車的能力。鑒于我國與其它發(fā)達國家在軌道客車生產(chǎn)技術(shù)方面
的差距比較大，同時人們對于高品質(zhì)不銹鋼軌道車輛的需求日益擴大，本論文開展
了對不銹鋼軌道車輛車體激光焊接技術(shù)的研究，重點研究激光焊接線能量對不銹鋼
接頭組織及性能的影響規(guī)律，以此對不銹鋼軌道客車側(cè)墻焊接的可靠性進行評價。
本論文的研究成果對提高我國不銹鋼軌道車輛的制造技術(shù)水平有非常重要的意義。
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