摘要：SUS301L系列奧氏體不銹鋼及系列等效產品由于其良好的抗晶界腐蝕性及力學性能已成為軌道車輛車體制造的主要材料。激光焊作為一種前沿焊接方法，已被應用到軌道車輛車體的生產制造中。文中闡述了YAG固體激光焊、CO2激光焊、盤式固體激光焊、光纖激光焊、激光-MAG復合焊、激光-MIG復合焊等焊接方法的特點，介紹了SUS301L不銹鋼采用不同激光焊方法時的特性，對SUS301L不銹鋼激光焊以及激光電弧復合焊的發展趨勢作出展望。

　　關鍵詞：SUS301L不銹鋼;激光焊;復合焊

　　0前言

　　近年來，隨著我國經濟的快速發展以及“一帶一路”戰略的推進實施，軌道交通裝備制造已經成為助推我國經濟發展的重要引擎，軌道車輛技術發展也帶動了不同的相關技術研究領域的發展。作為軌道車輛車體的主要材料之一，不銹鋼具有良好的焊接性、耐腐蝕性、塑性、韌性以及防火安全性[1-2]，其中，SUS301L系列奧氏體不銹鋼及系列等效產品由于其良好的抗晶界腐蝕性及力學性能已成為車體制造的主要材料，目前國際上不銹鋼車輛大多采用SUS301L系列奧氏體不銹鋼薄板材料[3-5]。

　　激光焊具有熱輸入低、能量密度高、焊接變形小、焊接速度快等優點[6-9]，越來越多地被應用到軌道車輛車體的制造中。文中介紹了SUS301L不銹鋼采用不同激光焊方法時的特性，對SUS301L不銹鋼激光焊以及激光電弧復合焊的發展趨勢作出展望。

　　1SUS301L不銹鋼常見激光焊方法

　　激光焊的熱源是激光束，產生激光束的設備是激光器[10]，文中綜述了SUS301L不銹鋼常見激光焊方法以及復合焊方法。

　　1.1YAG固體激光焊

　　YAG固體激光焊的激光波長為1.06μm，其原理為：激光電源放電，使氙燈產生光波，光波經聚光腔聚焦Nd：YAG晶體上，從而激發其產生激光，再經過諧振腔作用后產生脈沖激光輸出。其利用高能量脈沖激光對工件實施焊接，易被金屬材料吸收，加工性能良好，并能通過光纖傳輸，若與機器手結合，則可實現柔性加工[11]。

　　張巖等人[12]研究了不同工藝條件下板厚0.8mm的SUS301L脈沖激光焊對接接頭組織特點及硬度，結果發現，焊縫熔深、熔寬、背面焊縫寬度以及深寬比皆隨著脈沖寬度的增加而增大，焊縫的主要組織為奧氏體+少量鐵素體，焊縫邊緣主要為柱狀晶，焊縫中心主要為胞狀晶，焊接接頭的硬度分布呈“W”狀。

　　劉亞姣等人[13]利用1.5mm厚的SUS301L-DLT，SUS301L-HT不銹鋼冷軋板制備搭接部分熔透、無填料對接的激光焊試件，研究了焊縫結構對斷裂行為和力學性能的影響。結果發現，試件激光焊縫的金相組織為γ奧氏體和少量δ鐵素體，試件的熱影響區很窄，301L-HT板搭接激光試件的斷裂發生在部分熔焊板加載端焊縫邊緣，呈脆性斷裂傾向，301L-DLT板搭接激光焊件為界面焊縫拉伸-剪切斷裂，焊縫的抗剪強度較高，母材塑性變形明顯，301L-HT板對接激光試件拉伸斷裂發生于焊縫，301L-DLT板對接激光焊件拉伸斷裂模式為母材斷裂，斷裂強度值大于301L-HT板對接激光試件焊縫處的值，變形均勻、塑性好。301L不銹鋼冷軋板激光焊縫金屬具有良好的抗彎和拉伸性能，其中301L-DLT冷軋板的激光焊接性能優于301L-HT板的。

　　2種板材的焊接熱影響區硬度比母材的有所降低，但高于焊縫的硬度，尤其是高強度的301L-HT冷軋板，這種硬度分布有利于改善焊接接頭的疲勞性能。YAG固體激光焊接頭金相組織為γ奧氏體和少量δ鐵素體，焊縫熔深、熔寬、背面焊縫寬度以及深寬比皆隨著脈沖寬度的變化而變化，不同強度等級的SUS301L不銹鋼焊接性能不同，且激光焊搭接接頭斷裂方式不同，激光焊對接與搭接焊縫的硬度分布不同。

　　1.2CO2激光焊

　　CO2激光焊是利用CO2激光器發射激光對工件進行焊接。CO2激光器由N2，He，和CO2這3種介質組成，其中CO2是產生激光的氣體，N2，He作為輔助氣體，激光器通電后放電，CO2分子從低能級躍遷到高能級，實現粒子翻轉形成激光，照射工件實現焊接。王素環等人[14]對2mm厚的SUS301L-ST不銹鋼采用電弧焊和激光焊2種方法進行焊接，發現激光焊焊縫熱影響區較電弧焊的小，激光焊焊縫及熱影響區主要為柱狀晶及等軸晶，電弧焊焊縫及熱影響區主要為柱狀晶，且激光焊的焊接接頭晶粒較電弧焊的細小，激光焊接頭的抗拉強度高于電弧焊接頭的強度。LongChen等人[15]研究了厚4mm和厚2mm的SUS301L不銹鋼激光焊對接接頭。通過優化工藝參數，研究了對接的間隙公差。

　　使用w(草酸鹽)10%溶液進行電解蝕刻，以測試4mm厚的SUS301L焊接接頭的晶間腐蝕。在1×107的條件循環時間下測試2mm厚的SUS301L焊接接頭的疲勞性能。使用光學顯微鏡，還研究了4mm厚的SUS301L的焊接區域中冶金組織的變化。已經發現，4mm厚的SUS301L的激光對接焊接在對接間隙處于一定公差內時能夠實現良好的冶金形態和高強度焊接接頭。該焊接接頭還具有良好的抗晶間腐蝕性，并具有310MPa的疲勞極限。高瑞全等人[16]研究了奧氏體不銹鋼2-SUS301L-ST對接接頭的外觀形貌、力學性能、顯微硬度、金相組織等，考察了激光焊典型對接接頭的焊接性能。

　　研究得出：激光焊間隙≤0.2mm時，激光焊接過程穩定，焊縫成形均勻美觀，未發現外觀缺陷和內部缺欠;激光焊接頭具有較好的塑韌性，其平均抗拉強度為786MPa，激光焊對接接頭顯微硬度約HV250;激光焊焊縫的微觀組織均為柱狀晶奧氏體組織，熱影響區顯微組織致密、晶粒細小。CO2激光焊的焊接接頭晶粒較電弧焊細小，且激光焊接頭抗拉強度優于電弧焊抗拉強度，激光焊對接接頭的間隙處于一定公差內時能夠實現良好的冶金形態和高強度焊接接頭。

　　1.3盤式激光焊

　　盤式激光器最初由德國斯圖加特大學鋼模具研究所發明，其發光晶體采用Yb：YAG，所以盤式激光器發出的激光可用光纖傳輸。盤式激光器可輸出大功率、小光斑直徑的激光束，因此可以在保證焊接速度的基礎上，得到熱影響區小的窄焊縫。安少云等人[17]研究了2mm厚的SUS301L-DLT不銹鋼激光焊速度對不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響，激光焊功率相同、焊接速度較低時，焊縫金屬熔化燒損比較嚴重，焊縫及熱影響區很寬，焊縫表面橫向和縱向不平度大;隨著焊接速度的提高，焊縫的平面度偏差減小，表面狀態得以改觀;但焊接速度過高時，焊縫變窄，易呈現不連續的雨滴狀。

　　焊縫背面隨速度的提高，表面受熱影響逐漸減小，表面更加光潔;激光焊功率相同時，焊縫熔寬及熔深隨著焊接速度的提高而減小;激光搭接焊焊縫的組織主要為奧氏體和少量鐵素體;焊接接頭存在過熱區，該區晶粒較大，影響接頭的性能;顯微硬度分析表明，焊接接頭的顯微硬度均低于母材的顯微硬度，母材的顯微硬度最高。

　　王洪瀟等人[18]針對不銹鋼車體電阻點焊外觀質量較差和密封性不良等問題，研究采用非熔透型激光搭接焊工藝進行不銹鋼車體焊接，分析了激光接工藝參數(激光功率P，焊接速度v，離焦量F等)對搭接焊熔深和抗剪強度的影響規律，得出合理的激光搭接焊工藝參數為：P=2.0kW，v=22mm/s，F=0mm。焊縫硬度較母材的硬度高，焊縫邊緣細小柱狀晶的硬度比焊縫中心細小等軸晶的硬度高，焊縫中心處硬度在焊縫中最低，但略高于母材硬度。激光焊接頭抗剪強度高于點焊接頭的，外墻板表面無焊接痕跡。

　　2SUS301L不銹鋼復合激光焊

　　激光復合焊于20世紀70年代末提出，主要因為當時激光器成本高，且功率不高，為了降低成本，又能滿足焊接深度，在此背景下，英國帝國理工學院SteenWM教授首次提出激光-電弧復合焊技術的概念，該技術充分集成了激光焊與電弧焊的優點，具有焊接熔深大、工藝穩定性高、焊接生產效率高、焊接縫隙橋接能力強、可焊材料范圍廣及焊接變形小等優點，更適合現代焊接工業的發展需求[23-25]。

　　2.1激光-MAG復合焊

　　韓曉輝等人[26]以6mm厚的SUS301L-MT奧氏體不銹鋼為研究對象，研究了激光-MAG(metalactivegaswelding)復合焊接頭的成形規律及接頭性能。結果表明：激光功率以及離焦量的增大能增加焊縫上表面熔寬，焊接速度的提高能使焊縫中部熔寬和下表面熔寬明顯減小;焊縫寬度比隨離焦量的增大顯著增加;焊縫組織為奧氏體+δ鐵素體;接頭縱向殘余應力在接頭中心位置存在極大值，約為330MPa。韓曉輝等人[27]對8mm厚的SUS301L-MT不銹鋼進行激光-MAG復合焊，研究了不同保護氣體流量對焊縫成形、顯微組織以及力學性能的影響。

　　結果表明：當其他參數一定時，在該條件下保護氣體流量對焊縫成形的影響較小，且焊縫區域組織相似，主要為柱狀奧氏體樹枝晶+少量δ鐵素體。接頭顯微硬度以及沖擊韌性隨保護氣體流量變化不明顯。接頭抗拉強度隨保護氣體流量增加而提高，不同保護氣體流量下的斷口微觀形貌相似，斷口區域分布著大量韌窩，表現為韌性斷裂。

　　3展望

　　SUS301L系列奧氏體不銹鋼及系列等效產品由于其良好的抗晶界腐蝕性及力學性能已成為軌道車輛車體制造的主要材料，激光焊作為一種前沿焊接方法越來越多地被應用到軌道車輛車體的焊接中，但是常用激光焊功率較低，只能焊接較薄的板材，且一般激光焊對接頭的間隙極為敏感，具有一定的局限性。

　　近年來，激光-電弧復合焊成為激光焊發展的趨勢之一，激光-電弧復合焊將激光和電弧2種熱源的優點集中起來，彌補了單熱源焊接工藝的不足[31]。雖然激光電弧復合焊較一般激光焊復雜，但是復合焊焊縫熔深大、對接頭間隙不敏感，且通過焊絲可以改善焊縫的性能。因此，激光電弧復合焊將來一定會在軌道交通行業以及其他裝備制造領域得到廣泛應用，研究激光功率、焊接速度、離焦量、保護氣體流量、熱源間距等工藝參數對激光-電弧復合焊焊縫的影響規律以及如何得到最優的參數仍是激光-電弧復合焊的研究重點。

　　參考文獻：

　　[1]陳慶雷.SUS301L奧氏體不銹鋼激光焊接頭組織與力學性能的硏究[D].吉林長春：吉林大學，2012.

　　[2]陳英杰，朱加雷，焦向東.304不銹鋼激光搭接焊接頭的組織及力學性能[J].電焊機，2017，47(2)：76-79.

　　[3]李磊.城軌客車用不銹鋼薄板激光搭接焊接頭組織與力學行為研究[D].遼寧大連：大連交通大學，2012.

　　[4]薛克仲.城市軌道車輛車體材料選擇[J].城市軌道交通研究，2003(1)：14-19.

　　[5]李剛卿，韓曉輝.不銹鋼車體的焊接工藝及發展[J].機車車輛工藝，2004(2)：1-4.

　　機械論文投稿刊物：機車車輛工藝宗旨是緊跟我國鐵路運輸事業的發展，以鐵路高速、重載，及城市軌道交通制造業的新技術、新工藝、新材料、新設備為報道重點;及時反映機車車輛運用檢修中的熱點、難點問題。