1、概述
06Cr18Ni9不锈钢具有良好的腐蚀性，较好的力学性能和良好的可加工性，广泛应用于轨道交通车辆上[1]。轨道车辆薄壁控制柜是06Cr18Ni9应用的典型产品，有悬挂于车下的牵引变压器柜体，也有车上电气屏柜，柜体结构复杂，焊缝多而长，尺寸要求严格，外观整体要美观[2-3]，但常规的弧焊工艺的焊接变形比较大。激光焊能量密度高、线热输入量低、焊接速度快，而且对材料热损伤小，焊接结构的残余变形也较小[4]。手持激光焊由于设备结构简单、操作方便及其焊接灵活性等特点在家电、厨卫、汽车制造等行业广泛应用，近年来在轨道交通装备制造领域部分产品也得到使用，开展了相关工艺研究，但针对不同保护气体对不锈钢焊接接头性能影响未见相关报道[5-8]。本文针对轨道车辆不锈钢柜体，采用手持激光焊的方法对进行焊接，对柜体不锈钢接头的各项性能进行研究，并对柜体焊缝质量进行检测和验证，为后续手持激光焊在轨道车辆不锈钢柜体的应用推广打下基础。
2、试验材料及方法
研究通过对接标准接头的手持激光焊试验，分析不同保护气体对接头熔深和气孔的影响；同时对实物样件进行冲击振动试验，验证手持激光焊缝的可靠性。
2.1 试验材料
不锈钢柜体主体结构由柜体骨架及蒙皮组成，其材质为06Cr18Ni9，蒙皮板材料厚度常用为2mm，柜体结构见图1所示。试验用焊丝选为ER308Lsi，焊丝直径为φ1.2mm，试验采用接头为对接标准接头进行验证。
图1 不锈钢柜体结构
2.2 焊接设备
试验采用IPG LighWELDTM系列手持激光焊机，如图2所示，最大功率1500W，可对0.5～4 mm厚的板料进行焊接。
图2 手持激光焊机
2.3 标准接头焊接条件及方法
根据柜体结构形式，分别开展对接接头及角接接头的验证，焊接接头见图3、图4。使用专用打磨工具清除待焊区域附近氧化皮，然后采用手持激光焊进行焊接，一层一道，现场焊接环境温度控制5℃以上，相对湿度保持在60%以下。
先采用标准对接接头进行试验，使用相同的焊接参数，三种不同的焊接保护气体进行焊接，焊接工艺参数见表1，焊接完成后根据ISO 15614-11（金属材料焊接工艺规范和评定第十一部分：电子和激光束焊）标准要求采用RT射线检测焊接接头焊缝气孔，对接头进行外观和宏观金相分析。
表1 焊接工艺参数
3 试验结果与分析
3.1 不同气体对焊缝外观影响
如表2所示，从对接接头焊缝外观可知，三种不同保护气体焊缝成型都良好，外观检测符合ISO 13919-1:2019《电了束焊和激光焊接头 缺欠质量分级及指南 第一部分：钢、镍、钛及合金》标准要求，外观没有显著差异。
对焊缝进行射线外观检测，如表3所示，射线外观检测分析可知，三种不同保护气体对焊缝内部气孔影响较大，保护气体为99.999%Ar的焊缝存在链状气孔，保护气体为98%Ar+2%O2的焊缝存在链状和条状气孔，保护气体为99.9%N2的焊缝无气孔，效果较好，满足标准要求。
表2不锈钢对接焊缝外观
表3不锈钢RT气孔检测
3.2 焊缝外观及宏观金相
进一步对试样进行打磨和腐蚀，观察焊缝的熔合情况，分析焊缝熔合质量及内部缺陷，三种保护气体的宏观金相和微观金相见图5和图6，三种保护气体的熔深都满足要求，均无裂纹。但98%Ar+2%O2及99.999%Ar的试件金相存在气孔，其中98%Ar+2%O2试件金相截面单个气孔最大可达0.23mm，99.999%Ar试件金相截面单个气孔最大可达0.17mm，而99.9%N2试件金相效果最好，完全无气孔缺陷，与上述RT的结果相一致。
图6 三种不同保护气体微观金相图
N2的电离能适中，比Ar的高，在激光作用下电离程度一般，可以较好的减小等离子体云的形成，从而增大激光的有效利用率。氮在一定温度下可以与铝合金、碳钢发生化学反应，产生氮化物，会提高焊缝脆性，韧性降低，所以一般不采用氮气对铝合金和碳钢焊缝进行保护。而氮与不锈钢发生化学反应产生的氮化物可以提高焊缝接头的强度，有利于焊缝的力学性能提高，所以在焊接不锈钢时可以使用氮气作为保护气体。Ar的电离能相对最低，在激光作用下电离程度较高，不利于控制等离子体云的形成，会对激光的有效利用率产生一定的影响。而98%Ar+2%O2含有活性气体，其保护效果较差。
3.3 焊缝力学性能
进一步对三种不同保护气体的焊缝力学性能进行分析，如下表4所示，可知三种保护气体力学性能都满足ISO15614-11标准要求，三种保护气体的焊缝性能无显著差异。
表4不锈钢力学性能
3.4角接接头验证
根据对接接头试验结果，选用99.9%N2作为保护气体进行角接接头的验证。如下图7所示，通过试样1、2、3的宏观金相图可知，3个试样的熔深均符合ISO 13919-1:2019的要求。
图7 角接接头宏观金相图
3.5不锈钢柜体焊后变形及外观效果
不锈钢柜体焊接在采用相同工装夹具的情况下，手持激光焊接变形量都在1.5 mm左右，而传统焊接后蒙皮板呈波浪变形，变形量都在3 mm以上。对柜体进行油漆效果验证，油漆验证效果如图8所示，油漆效果良好，符合产品外观要求。
图8 不锈钢柜体焊后油漆验证效果
3.6振动冲击试验
根据产品实际使用工况，按照IEC 61373中I类B级车体安装的规定进行振动冲击试验。横向、纵向和垂向三个垂直方向各试验5 h，模拟长寿命试验和冲击试验，冲击试验分别在垂向、横向、纵向三个方向上以30 m/s2、30 m/s2、50 m/s2的脉冲加速度，脉冲时间30ms。振动冲击试验完成后对焊缝外观进行目视及渗透检测，焊缝未发现裂纹，符合产品设计规范的CT3检验要求。
4 结束语
采用手持激光焊技术，选取合适的保护气体和工艺参数，可保证不锈钢柜体产品标准接头拉伸、弯曲、及金相等满足ISO15614-11标准要求，熔深、气孔满足ISO 13919-1标准要求，同时不锈钢柜体产品也满足振动冲击试验要求。相比传统弧焊，手持激光焊在保证焊缝质量的同时可显著减少不锈钢柜体的焊接变形，适合推广应用于轨道交通装备不锈钢薄板部件。
参考文献
[1] 王向东，刘雄，唐林波,等.轨道交通装备不锈钢激光焊工艺研究及其应用[J]．轨道交通材料，2022(1):37-42.
[2] 杨旭红，冯伟，张昕.薄壁柜体焊接技术在轨道客车制造中的研究与应用[J]．焊接技术，2020(49):51-53.
[3] 张玉玲，刘鹏.不锈钢箱体焊接变形与控制浅析[C]，田心杯第三届轨道交通先进金属加工技术交流会，2019.
[4] 陈阿海，刘海涛.手持式激光焊技术在磁浮车体中的应用[J]．轨道交通装备与技术，2021(05):32-34.
[5] 徐军伟，吴广辉，冯焕钦,等.手持激光焊在城轨车辆侧墙产品中的应用[J]，电力机车与城轨车辆，2023(05):120-123.
[6] 陈阿海，陈积翠，刘海涛,等.手持式激光焊接技术在不锈钢车体中的应用展望[C]，伊萨杯先进焊接技术交流会，2021.
[7] 郑三毛,刘东甲.手持激光填丝焊接技术修复超高压输电线路金具的工艺研究[J].材料研究及应用, 2022(16):620-625.
[8] 陈祝年.焊接工程师手册[M].北京, 机械工业出版社, 2002.
作者简介：彭超，生于1988年05月09号，本科学历，国际焊接工程师，目前就职于湖南联诚轨道装备有限公司，从事工艺技术及项目管理工作。