高強(qiáng)鍍鋅鋼激光填粉焊接工藝試驗研究

徐 磊，劉西霞，李慶福，胡光蓉，張 屹*

高強(qiáng)鍍鋅鋼激光填粉焊接工藝試驗研究

徐 磊1，劉西霞1，李慶福1，胡光蓉2，張 屹1*

（1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室長沙410082；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都610092）

為了研究高強(qiáng)鍍鋅鋼激光填粉焊接工藝，采用正交實驗法優(yōu)化了激光功率、焊接速度、離焦量等焊接工藝參量。結(jié)果表明，激光填粉焊接速率過低時，焊縫易于產(chǎn)生熔質(zhì)堆積和焊接孔洞；增大離焦量可實現(xiàn)粉末的有效利用；裝配間隙為0.25mm（母材厚度的31%）時，高強(qiáng)鍍鋅鋼激光填粉焊接的最佳工藝參量為激光功率1500W，焊接速率30mm／s，離焦量12mm，此時，焊縫表面成形良好，其拉伸試驗斷裂產(chǎn)生在母材。

激光技術(shù)；工藝優(yōu)化；正交實驗；添加粉末

引 言

鍍鋅鋼由于其良好的抗腐蝕性在汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛利用［1-2］。隨著激光技術(shù)的高速發(fā)展和車身的輕量化趨勢，激光焊接因其焊接速度快、熱影響區(qū)小、加工柔性好、易于自動化等優(yōu)點［3-4］越來越多地應(yīng)用于汽車制造。同時，激光對接焊接替代傳統(tǒng)的搭接焊將有效地降低車身重量，提高白車身的強(qiáng)度和剛度［5-7］。然而，激光對接焊接要求工件的裝配精度高［8-9］，通常小于板厚的15%。激光填粉焊接通過在焊接過程中實時金屬粉末能有效降低焊接裝配間隙，提高工件間隙裕度。相較于填絲焊接相比，填粉焊接能有效克服填充焊絲時諸如頂絲、對送絲機(jī)構(gòu)精度要求高等一些局限，便于改善和控制焊縫的組織成分，具有更高的適應(yīng)性［10］。作者采用光纖激光器對高強(qiáng)鍍鋅鋼板進(jìn)行了填粉對接焊實驗，研究了激光功率、焊接速度及離焦量等工藝參量對焊接質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

1.1試驗材料

試驗用試樣尺寸為100mm×40mm×0.8mm的HC300／500DPD+Z高強(qiáng)鍍鋅鋼板材。試驗前試樣表面采用化學(xué)處理方法去除表面氧化膜。因為銅元素可以與鍍鋅層鋅元素發(fā)生固溶生成銅鋅固溶體合金，減少鍍鋅鋼激光焊接時中間鋅層的蒸發(fā)和鋅等離子體的形成。因此選擇銅粉為添加元素，粉末純度不大于99.5%，粉末顆粒尺寸為75μm。母材的材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為碳0.0018，硅0.008，錳0.022，磷0.00035，硫0.0003，其余成分為鐵元素。

1.2實驗設(shè)備及方法

試驗裝置圖如圖1所示，試驗采用YLR-4000-C-WA光纖激光器及其光導(dǎo)和水冷系統(tǒng)、YW50焊接頭。光纖激光器最大輸出功率為4.0kW，連續(xù)輸出，波長為1.07μm，模式為TEM00。采用芯徑為300μm的光纖進(jìn)行光束傳輸，與焊接頭上的QBH型標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行光束耦合。焊接頭準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)由焦距為150mm準(zhǔn)直鏡和焦距為200mm的聚焦鏡組成。送粉器為刮吸式雙筒送粉器。自行開發(fā)的側(cè)向送粉噴嘴采用同軸雙層設(shè)計，內(nèi)層送粉，外層送氣，氣體既起到保護(hù)焊縫的作用，同時也有助于粉末束匯聚。金屬粉末的載氣、及匯聚保護(hù)氣均采用氦氣。

焊接工件的拉伸實驗在instron 5984電子萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為2mm／min，拉伸試樣尺寸按照GB／T228-2002進(jìn)行制備。

Fig.1 Schematic diagram of the laser welding device with powder filling

2 實驗結(jié)果及分析

選擇不同的激光功率、焊接速度、離焦量及其它已優(yōu)化工藝參量進(jìn)行16次焊接試驗，實際情況中，焊縫質(zhì)量的主要評價標(biāo)準(zhǔn)包括焊縫的力學(xué)性能、焊縫表面形貌及焊縫微觀組織等。其中，焊縫的力學(xué)性能主要包括焊縫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率。焊縫表面形貌則包括焊縫熔寬及表面成形性。因此，本文中主要通過以上評價指標(biāo)分析各工藝參量對焊縫性能的影響。

Table 1 Orthogonal test table and the test results of high strength galvanized steel in laser welding with powder filling

試驗中采用的其它工藝參量如下：側(cè)向保護(hù)匯聚氣流量vb＝15L／min，送粉噴嘴與焊接工作平臺夾角為θ，焊接間隙t＝0.25mm、送粉速率vf＝3.78g／min。激光功率P、焊接速率vh、離焦量f則根據(jù)光纖激光器對0.8mm厚的高強(qiáng)鍍鋅鋼板焊接試驗情況實際選取，如表1所示。試驗設(shè)計中考慮了各因素的交互效應(yīng)，因此采用正交試驗法。試驗選擇的是3因素4水平的實驗，如果進(jìn)行各因素在所有水平范圍內(nèi)的焊接實驗，則需要進(jìn)行43＝64次試驗，而采用正交試驗設(shè)計方法則只需進(jìn)行16次試驗即可。實驗的工藝參量見表1。由表1可見，第2次、第6次、第10次和第14次試驗的焊接速率均為20mm／s，其它工藝參量均勻變化。根據(jù)正交試驗的數(shù)據(jù)處理方法，各工藝參量的每一水平結(jié)果都是4次試驗的平均值。那么，這4次試驗結(jié)果的平均值表示焊接速率為20mm／s水平時對試驗結(jié)果的影響。依次類推，可以求得各因素每一水平對試驗結(jié)果的影響。在正交試驗中由于有時會遇到各因素水平數(shù)不等的情況，根據(jù)正交實驗的分析方法，用試驗結(jié)果的平均值大小來反映同一因素的各個不同水平對試驗結(jié)果的影響的大小，用同一因素各水平下平均試驗結(jié)果的極差R（極差＝平均試驗結(jié)果的最大值－平均試驗結(jié)果的最小值）來反映各因素的水平變動對試驗結(jié)果影響的大小。極差大就表示該因素的水平變動對試驗結(jié)果的影響大，極差小就表示該因素的水平變動對試驗結(jié)果的影響小。

其中3號、8號、9號、10號、12號和13號試件拉伸試驗時均斷裂在母材上，試驗結(jié)果波動的原因為材料不均勻，并不能說明焊縫本身的實際強(qiáng)度變化。因此，在分析焊接工藝參量對焊接質(zhì)量的影響時，為避免因母材本身材料差異而導(dǎo)致的試驗結(jié)果波動，將母材拉伸試驗結(jié)果的平均值作為該6次試驗的拉伸試驗值。

2.1激光功率對焊縫拉伸性能及熔寬影響

焊縫的拉伸性能是評價焊縫質(zhì)量的主要因素之一。激光功率對焊縫拉伸性能的影響如圖2所示。由圖中可知，隨著激光功率的增加，焊縫的抗拉強(qiáng)度、延伸率及屈服強(qiáng)度的波動變化不大也就是極差不大，且功率越大焊縫的拉伸強(qiáng)度有降低的趨勢。實驗結(jié)果表明，在填粉焊接時，焊縫拉伸性能對激光功率并不敏感，激光功率對抗拉強(qiáng)度影響不大。

Fig.2 The influence of laser power on the tensile properties of weld bead

焊縫熔寬則是焊縫質(zhì)量的另一評價指標(biāo)。由圖3可知，隨著激光功率的增加，焊縫上表面熔寬極差較大，下表面熔寬變化則不明顯，激光功率為1600W時，下表面熔寬顯著降低，且處在最低點，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因為激光能量輸入不足，使能量無法有效傳遞到焊縫母材下層。結(jié)合圖2中激光功率對焊縫拉伸性能的影響，實驗結(jié)果說明，激光功率在1300W～1600W這個范圍內(nèi)焊縫質(zhì)量對功率變化不敏感，且功率為1600W時的拉伸強(qiáng)度降低原因為激光能量輸入不足。

Fig.3 The influence of laser power on the weld width

2.2焊接速率對焊縫拉伸性能及熔寬影響

圖4所示為焊接速率對焊縫拉伸性能的影響。由圖中可知，焊接速率對焊縫拉伸性能各指標(biāo)的影響趨勢基本一致。焊接速率對焊縫拉伸性能影響很大，在焊接速率從15mm／s到25mm／s時，焊縫抗拉強(qiáng)度線性降低。

Fig.4 The influence of weld speed on the tensile properties of weld bead

Fig.5 The influence ofweld speed on the weld width

焊接速率對焊縫熔寬也有很大影響。由圖5可知，在焊接速率處于較低水平時，由于單位時間內(nèi)熱輸入量較大，焊縫上表面熔寬處在較高水平。當(dāng)焊接速率升高到25mm／s時，焊縫上表面熔寬產(chǎn)生陡降。焊接速率對焊縫下表面熔寬的影響則更為明顯。隨著焊接速率的增加，焊縫下表面熔寬呈現(xiàn)線性下降的趨勢。

2.3離焦量對焊縫拉伸性能及熔寬影響

離焦量也是影響焊縫質(zhì)量的主要因素之一。如圖6所示，離焦量的焊縫的拉伸性能影響明顯，在6mm～8mm范圍內(nèi)，隨著離焦量的增加，焊縫抗拉強(qiáng)度線性增加。當(dāng)離焦量增加到12mm時焊縫抗拉強(qiáng)度變化趨于平緩。

Fig.6 The influence of defocusing distance on the tensile properties of weld bead

與焊縫抗拉強(qiáng)度變化趨勢相對應(yīng)，焊縫上表面熔寬隨著離焦量的增加也呈現(xiàn)線性增加的趨勢。而離焦量增大到12mm時，焊縫熔寬沒有繼續(xù)增加的原因則是焊縫熱輸入不足，需要增加激光功率。離焦量的變化則對焊縫下表面熔寬影響不明顯，離焦量的增加反而逐漸降低了焊縫下表面熔寬。這進(jìn)一步說明焊縫的熱輸入不足，離焦量的增加降低了能量輸入密度，導(dǎo)致焊縫下層能量輸入進(jìn)一步降低。如圖7所示，實驗結(jié)果表明，在有足夠能量輸入的情況下，離焦量增加有利于焊縫拉伸強(qiáng)度的提高。

Fig.7 The influence of defocusing distance on the weld width

3 焊縫形貌分析

3.1焊接速度對焊縫形貌的影響

由第2節(jié)中的分析可知，在1300W～1600W變動范圍內(nèi)，激光功率對焊縫拉伸性能影響并不大。因此，本文中著重分析焊接速率對焊縫質(zhì)量的影響。選取離焦量為最佳值也就是f＝10mm時的試驗組進(jìn)行對比。由表1可知，離焦量為f＝10mm的試驗組分別為9組、14組、3組、8組，其焊接速率vh分別為15mm／s，20mm／s，25mm／s，30mm／s。根據(jù)圖4可知，在焊接速率為15mm／s及30mm／s時焊縫的拉伸性能相對較好，進(jìn)一步對比分析焊接速率為15mm／s及30mm／s時的焊縫表面形貌。由圖8a和圖8c可知，焊接速率vh＝15mm／s時，焊縫上表面產(chǎn)生較高堆積，且焊縫中不間斷的產(chǎn)生孔洞。因此，在焊接速率為15mm／s時，焊縫強(qiáng)度較高的主要原因是低焊接速度下焊縫中部分焊縫段熔質(zhì)集中，焊縫強(qiáng)度得以提高。實際焊接過程中焊縫質(zhì)量較差。而當(dāng)焊接速率為30mm／s時，由圖8b和圖8d可知，焊縫上下均表面成形良好，且焊縫熔寬較焊接速率為15mm／s時顯著降低。因此，焊接速率為30mm／s時焊縫性能最好。

Fig.8 Influence of weld speed on the weld surface morphology a，c—P＝1500W，vh＝15mm／s，f＝10mm b，d—P＝1400W，vh＝30mm／s，f＝10mm

3.2離焦量對焊縫形貌的影響

選擇焊接速率為30mm／s時，對另一重要影響工藝參量（離焦量）進(jìn)行分析。由表1可知，焊接速率為30mm／s時，第16組、第12組、第8組、第4組試驗的離焦量f分別為6mm，8mm，10mm，12mm。根據(jù)圖6可知，焊縫的拉伸性能在離焦量f＝10mm時達(dá)到最佳。離焦量為10mm時焊縫表面成形如圖8b和圖8d所示。為研究離焦量對焊縫成形的影響，分析了離焦量f在6mm和12mm時的焊縫表面形貌。如圖9a和圖9c所示，離焦量f＝6mm時，因裝配間隙的較大，激光光斑無法有效照射在試驗工件表面。焊縫上無法形成熔池，所填粉末無法有效輸送到焊縫熔池中，試驗工件無法被焊合。而離焦量f＝12mm時，焊縫無明顯缺陷，焊縫表面成形良好，如圖9b和圖9d所示。

Fig.9 The influence of defocusing distance on the weld surface morphology

結(jié)合第2.3節(jié)中離焦量對焊縫拉伸性能的影響分析，離焦量的增加能提高焊縫強(qiáng)度，在離焦量為12mm時的焊縫拉伸性能降低是由于激光功率密度過低導(dǎo)致的能量輸入不足。若適當(dāng)提高激光功率，則在離焦量為12mm時的焊縫質(zhì)量也能得到有效提高。因此選擇激光功率P＝1500W、焊接速率vh＝30mm／s、離焦量f＝12mm為激光填粉焊接時的最佳工藝參量。焊縫拉伸強(qiáng)度達(dá)到或者超過母材強(qiáng)度，焊縫表面成形良好，如圖10所示。

Fig.10 The welding quality of optimization on process parameter（P＝1500W，vh＝30mm／s，f＝12mm）

4 結(jié) 論

高強(qiáng)鍍鋅鋼填粉激光焊接時，焊接速率和離焦量對焊縫質(zhì)量影響大。

（1）焊接速率過低時，焊縫上會產(chǎn)生熔質(zhì)堆積和焊接孔洞，填粉將增加熔質(zhì)堆積現(xiàn)象。

（2）隨著離焦量的增加，焊縫拉伸性能逐漸增加。在裝配間隙為0.25mm時，離焦量過小將導(dǎo)致焊縫中無法形成熔池，所填粉末無法有效利用。當(dāng)離焦量達(dá)到12mm時，激光功率應(yīng)同步增加以增加激光功率密度，保證焊縫熱輸入。

（3）激光功率為1500W、焊接速率為30mm／s、離焦量為12mm時，激光填粉焊接能實現(xiàn)裝配間隙為0.25mm（母材厚度的31%）的試件的焊接，且焊縫表面平順，焊縫拉伸性能良好，拉伸斷裂產(chǎn)生在母材上。

［1］ ZHAOY，ZHANG Y，HU W，et al.Optimization of laser welding thin-gage galvanized steel via response surface methodology［J］.Optics and Lasers in Engineering，2012，50（9）：1267-1273.

［2］ CHENGY，CAIX，TAN L P，et al.Effect of align deviation value on fiber laser welding property of automotive galvanized steel［J］.Laser Technology，2012，36（5）：577-581（in Chinese）.

［3］ CUIL，ZHANG Y Ch，HE D Y，et al.Research progress of high power fiber laser welding［J］.Laser Technology，2012，36（2）：154-159（in Chinese）.

［4］ DONG Q F，YAN C，LIAO X Y.Experimental investigation on laser welding dissimilar materials between galvanized steel and carbon steel plates［J］.Laser Technology，2012，36（5）：665-669（in Chinese）.

［5］ RIBOLLA A，DAMOULIS G L，BATALHA G F.The use of Nd∶YAG laser weld for large scale volume assembly of automotive body in white［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，164／165：1120-1127.

［6］ MEIL，CHEN G，JIN X，et al.Research on laser welding of high-strength galvanized automobile steel sheets［J］.Optics and Lasers in Engineering，2009，47（11）：1117-1124.

［7］ WU Q，GONG J，CHEN G，et al.Research on laser welding of vehicle body［J］.Optics＆Laser Technology，2008，40（2）：420-426.

［8］ CHEN Y Q，GAO X D，HUANG JY，et al.Detection of weld seam position based on infrared image during high power fiber laser welding［J］.Advanced Materials Research，2012，549：1007-1011.

［9］ KAWAHITO Y，KITO M，KATAYAMA S.In-process monitoring and adaptive control for gap in micro butt welding with pulsed YAG laser［J］.Journal of Physics，2007，D40（9）：2972.

［10］ ZHANG Sh H，CHEN K，XIAO R Sh，et al.Influence of metal powder on high power CO2laser welding of aluminum［J］.Chinese Journal of Lasers，2005，32（6）：860-863（in Chinese）.

Process study on laser welding of high strength galvanized steel with powder filling

XU Lei1，LIU Xixia1，LI Qingfu1，HU Guangrong2，ZHANG Yi
（1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China；2.Chengdu Aircraft Industrial（Group）Co.Ltd.，Aviation Iindustry Corporation of China，Chengdu 610092，China）

In order to optimize the process parameters in laser welding of high-strength galvanized steel with powder filling，orthogonal experimental tests were used to analyze such process parameters as laser power，welding speed and the defocusing distance.The test results show that the accumulation of the molten mass and the welding holes might occur at low welding speed；the defocusing distance should be increased to achieve the effective addition of the powder.The optimization process parameters for laser welding of high-strength galvanized steel with powder filling were 1500W laser power，30mm／s welding speed and 12mm defocusing distance.Under these welding conditions，good weld performance was obtained and the base material was broken in tensile fracture tests.

laser technique；process optimization；orthogonal experiment；powder filling

TG456.7

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.001

1001-3806（2014）01-0001-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51175162）；湖南省自然科學(xué)基金重點資助項目（12JJ2032）

徐 磊（1989-），男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事汽車車身激光焊接的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：zy＠hnu.edu.cn

2013-04-01；

2013-04-19