HC340/590DP鋼板激光焊可行性分析

鄭宏良，潘海濤，張 輝

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；2.海眾科技有限公司，重慶400032）

HC340/590DP鋼板激光焊可行性分析

鄭宏良1，潘海濤1，張 輝2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；2.海眾科技有限公司，重慶400032）

HC340/590DP雙相鋼在氧化性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐蝕性能和高溫力學(xué)性能，其塑性和韌性較高，且不可淬硬，焊接性能較好。通過分析其化學(xué)成分、力學(xué)性能和焊接性，利用激光焊技術(shù)的1kW激光發(fā)生器、激光頭、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)器人、控制系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和外圍周邊集成等組成的系統(tǒng)進(jìn)行大量試驗(yàn)、檢測(cè)及焊接過程控制，確定焊接參數(shù)為：焊接速度40 mm/s、功率1 kW、光斑直徑0.6～0.8 mm，獲得的焊接接頭既能焊透又不塌陷，表面成形較好，熔寬合適，確保試件的焊接接頭性能滿足實(shí)際需要，達(dá)到生產(chǎn)化的目的。

HC340/590DP鋼；焊接性；焊接工藝分析

0 前言

材質(zhì)為HC340/590DP的冷軋雙相鋼的顯微組織為鐵素體和馬氏體，馬氏體組織以島狀彌散分布在鐵素體基體上。由于HC340/590DP鋼在焊接時(shí)易出現(xiàn)熱裂紋、焊接接頭的脆變和各種形式的腐蝕等問題，因此針對(duì)此種材料選擇焊接方法并測(cè)試工藝和性能，以便制定出合理的焊接工藝。

1 冷軋雙相鋼HC340/590DP特性

HC340/590DP雙相鋼無時(shí)效，具有較低的屈強(qiáng)比和較高的加工硬化性能，在同等屈服強(qiáng)度水平下，較低合金高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度更高，是結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件、防撞件等零件的首選材料之一。HC340/590DP在氧化性介質(zhì)中耐蝕性能和高溫力學(xué)性能良好，塑性和韌性較高，且不可淬硬，具有較好的焊接性能[1]。

1.1 HC340/590DP鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能

HC340/590DP鋼的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能（Q/BQB418-2009）分別如表1、表2所示。

表1 HC340/590DP的化學(xué)成分%

表2 HC340/590DP鋼的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能

1.2 HC340/590DP鋼的焊接性

HC340/590DP是鐵素體和馬氏體的冷軋雙相鋼，它熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大，在局部加熱和冷卻條件時(shí)，焊縫和近焊縫區(qū)將產(chǎn)生較大的焊接撓曲變形并存在裂紋風(fēng)險(xiǎn)。在持續(xù)加熱過程中，HC340/590DP鋼的焊接接頭也會(huì)發(fā)生脆變，800～850℃溫度下脆硬相析出的敏感性最大。故應(yīng)選擇小的熱輸入、不預(yù)熱，控制層溫不過高，以減少高溫停留時(shí)間的焊接方式[2-3]。

2 HC340/590DP鋼的焊接實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試件材質(zhì)為HC340/590DP鋼，規(guī)格為200 mm×100 mm×1 mm；焊接接頭形式為搭接，搭接長(zhǎng)度和連接位置尺寸如圖1所示。

2.2 焊接方法選擇

HC340/590DP鋼導(dǎo)熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)較大，在自由狀態(tài)下焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的焊接變形，因此應(yīng)選用能量集中的焊接方法。同時(shí)由于其對(duì)過熱較為敏感，只能采用低熱輸入快速進(jìn)行焊接。激光焊應(yīng)是首選的焊接方法，其焊接速度大于電阻點(diǎn)焊且接頭是連續(xù)的，不存在漏水的問題，因此可以省去涂密封膠的工藝。激光焊接頭的變形小，有利于減小金屬覆蓋件之間的段差，提高車身精度，同時(shí)也有利于不同強(qiáng)度鋼板的拼接。激光焊接的飛濺很少，改善了工人的作業(yè)環(huán)境。激光焊能量密度高、適合于高速焊接；焊接時(shí)間短、材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，有利于提高接頭力學(xué)性能；能搭載到機(jī)器人裝置上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。故本研究采用了1 kW的激光發(fā)生器系統(tǒng)，它包含1kW激光發(fā)生器、激光頭、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)器人、控制系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和外圍周邊集成[4-5]。

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

拉伸試驗(yàn)設(shè)備為WDW-100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)；顯微試驗(yàn)設(shè)備為Vert.A1研究級(jí)倒置數(shù)字材料顯微鏡。

3 焊接接頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過大量的焊接工藝參數(shù)測(cè)試，確定基本工藝參數(shù)為焊接速度40 mm/s、功率1 kW、光斑直徑0.6～0.8 mm。

3.1 焊縫外觀檢查

焊縫與母材過渡圓滑，焊縫成形良好；焊縫及熱影響區(qū)無裂紋、未熔合、夾渣、弧坑和氣孔等缺陷。

3.2 離焦量對(duì)熔寬的影響

激光焊接通常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有正離焦與負(fù)離焦兩種。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)的平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱50～200 μs材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)部分汽化形成蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時(shí)，高濃度蒸汽使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)采用負(fù)離焦，焊接薄材料時(shí)宜用正離焦。在此采用不同的正離焦量來觀察搭接處的熔寬，結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 離焦量18 mm，熔寬574.77 μm

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著正離焦量的增加，搭接處的熔寬增大。

3.3 機(jī)械性能試驗(yàn)

（1）板厚為1.0 mm的激光搭接焊縫（單道焊縫）拉伸試驗(yàn)實(shí)物及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5、圖6和表3所示。

拉伸試驗(yàn)3件，1#件斷口位置在母材，2#、3#件斷口位置在焊縫，平均拉力3.934 kN。

（2）板厚為1.0mm的激光搭接焊縫（雙道焊縫）拉伸試驗(yàn)實(shí)物及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7、圖8和表4所示。

圖3 離焦量19 mm，熔寬639.37 μm

圖4 離焦量20 mm，熔寬660.96 μm

圖5 搭接焊縫實(shí)物

圖6 拉伸實(shí)驗(yàn)

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 搭接焊縫實(shí)物

圖8 拉伸實(shí)驗(yàn)

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

拉伸試驗(yàn)3件，斷口位置均在母材，平均拉力4 kN。比單道焊縫的平均拉力大0.07 kN。結(jié)果顯示焊接接頭的抗剪力大于母材，符合實(shí)際應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

采用激光焊方法控制HC340/590DP冷軋雙相鋼的焊接性試驗(yàn)、檢測(cè)及焊接過程，可知焊接參數(shù)為焊接速度40 mm/s、功率1 kW、光斑直徑0.6～0.8 mm時(shí)，焊接接頭既能焊透又不塌陷，表面成形較好，熔寬合適，接頭性能滿足生產(chǎn)需要。

[1]張文鉞.焊接冶金學(xué)（基本原理）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第2卷）-材料的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]曾東建.汽車制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4]游德勇，高向東.激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].焊接技術(shù)，2008，37（4）：5-9.

[5]鄒僖.焊接方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

Feasibility analysis of laser welding for HC340/590DP steel sheet

ZHENG Hongliang1，PAN Haitao1，ZHANG Hui2
（1.SGMW，Liuzhou 545007，China；2.Chongqing Haizhong Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400032，China）

HC340/590DP dual-phase steel is one of the preferred materials for parts of structure,reinforcement and anti-collision.With high plasticity，toughness and un-hardenable property，it has good welding properties.Based on the analysis of the chemical components，mechanical properties and welding properties of HC340/590DP cold rolled dual-phase steel，a large number of tests，inspections and welding process controls are made by applying laser welding technology with 1 kW laser generator，laser head，optical system，robot，control system，fixture system and peripheral integrated system to confirm the welding parameters：welding speed 40 mm/s，power 1 kW，spot diameter 0.6～0.8 mm.The welded joints obtained under this parameters can be completely penetrated without collapse，and have good surface appearance and appropriate weld width，which ensures the welded joints properties of test specimen to meet the practical requirements and achieve the production purpose.

HC340/590DP steel；welding properties；analysis of welding procedure

TG456.7

B

1001－2303（2017）11－0125-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.26

本文參考文獻(xiàn)引用格式：鄭宏良，潘海濤，張輝.HC340/590DP鋼板激光焊可行性分析[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：125-127.

2017-05-26；

2017-11-09

鄭宏良（1979—），男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事汽車車身的制造工作。E-mail：shiqianglai@sina.com。