車門用異種鍍鋅鋼板激光焊接工藝及性能研究

周川川 周牧 周林柱 李金寶 姜一帆 宋思源

摘要：針對車門用0.7mm厚的St17E和FC180/340HD異種鍍鋅鋼板，開展激光焊接試驗研究。研究關(guān)鍵工藝參數(shù)（激光功率、焊接速度）對焊縫表面形貌和和橫截面的影響，分析焊接接頭的微觀組織分布特征，評估接頭的力學性能。研究結(jié)果表明，激光功率和焊接速度分別為1300 W和2.0 m/min時，焊接飛濺較少，焊縫表面光滑；隨著激光功率增加和焊接速度減小，焊縫熔深和面積增加。焊接接頭的St17E母材區(qū)的硬度最低，焊縫區(qū)硬度遠高于母材區(qū)。優(yōu)化參數(shù)條件下獲得的焊接接頭拉伸試樣在St17E母材區(qū)發(fā)生斷裂。

關(guān)鍵詞：鍍鋅板 激光焊接 工藝特征 力學性能

中圖分類號：U466；TG456.7 ??文獻標識碼：B?????DOI：?10.19710/J.cnki.1003–8817.20220393

Study on Process Characteristic and Mechanical Properties of Laser Welded Dissimilar Galvanized Steel Sheets for Doors

Zhou Chuanchuan， Zhou Mu，?Zhou Linzhu， Li Jinbao， Jiang Yifan， Song Siyuan

（Engineering Technology Department， China FAW Group Co.， Ltd.， Changchun 130000）

【Abstract】?The dissimilar galvanized steel sheets with thickness of 0.7mm St17E and FC180/340HD for car door were tested and studied for laser welding process. The effects of key process parameters （laser power and welding speed） on the weld surface morphology and weld cross section were investigated. The microstructure and mechanical properties of welded joints were analyzed and evaluated. The results indicate that when the laser power and welding speed are 1300 W and 2.0 m/min respectively， there are less welding spatters and the weld surface is smooth. As the laser power increases and the welding speed decreases， the weld penetration depth and weld area increase. For the dissimilar galvanized steel sheets welded joint， the hardness of the St17E base metal is the lowest， and the hardness of the weld zone is much higher than that of the base metal zone. The tensile specimen of the welded joint obtained with optimized parameters fractures in the St17E base metal.

Keywords： Galvanized steel sheets， Laser welding， Process characteristic， Mechanical properties

1 前言

車門是汽車車身的重要部件，是整車白車身覆蓋件，有密封、承載的作用，而且外觀要求高，客戶感受強，使用頻率高，因此車門的制造水平在很大程度上反映了企業(yè)的白車身制造水平^[1-2]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外汽車制造企業(yè)車門內(nèi)、外板連接制造工藝幾乎都采用包邊壓合技術(shù)。但是，包邊壓合的膠粘存在易老化、耐久性差等不足，因此，采用焊接方法連接車門內(nèi)外板不僅可以提高車門整體質(zhì)量，而且可以大幅度提高生產(chǎn)能力和效率^[3-4]。

車門內(nèi)外、板材料是厚度較薄的鍍鋅鋼板，而且車門三面都涉及內(nèi)、外板的連接，因此，焊接技術(shù)方法的選擇十分重要。車門內(nèi)、外板如果采用弧焊連接，由于弧焊連接熱輸入大、焊接速度較慢，會引起較大的焊接變形，影響車門的裝配和整體質(zhì)量，電阻點焊存在無法形成連續(xù)密封焊縫的問題。激光焊接由于具有能量密度高、焊接速度快、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)勢，是焊接薄板搭接結(jié)構(gòu)的最佳方式之一^[5-6]。因此，本文針對車門用異種鍍鋅鋼板，開展激光焊接試驗研究，分析焊縫表面形貌、焊縫成形、微觀組織和力學性能等開發(fā)車門內(nèi)、外板用鍍鋅鋼板的連接結(jié)構(gòu)，選擇適合的焊接方法，以滿足車門高質(zhì)量制造的需求。

2 試驗材料和方法

2.1?試驗材料

試驗材料為車門內(nèi)、外板用0.7 mm厚鍍鋅鋼板，牌號分別為St17E+Z-60/60-O5和FC180/340HD+Z-60/60-O5。試驗用試樣尺寸為150 mm×100 mm。根據(jù)車門結(jié)構(gòu)設(shè)計，2種鍍鋅鋼板組成搭接接頭，St17E板在上，F(xiàn)C180/340HD板在下。2種鍍鋅板基體的化學成分如表1所示。

2.2 試驗設(shè)備和方法

激光焊接采用Trumpf公司的TruDisk8002型激光焊接系統(tǒng)，波長為1.06 μm，最大輸出功率為8 kW，配備KUKA機器人。激光焊接過程中，采用專用的工裝夾具對搭接接頭進行夾緊和固定，保證焊接一致性?；诔醪皆囼灩に囂剿骱?，采用如表2所示的工藝參數(shù)對激光焊接特性進行研究。

焊接完成后，利用尼康C-PSN光學顯微鏡對焊縫表面進行觀察和分析。借助電火花數(shù)控切割機對焊接接頭進行切割制備金相試樣。然后對金相試樣進行鑲嵌、磨平、拋光和腐蝕，借助OLYMPUS GX71光學顯微鏡進行橫截面宏觀形態(tài)和微觀組織觀察。使用數(shù)顯硬度儀對接頭的硬度進行測試。參照GB/T2651-1989《焊接接頭拉伸試驗方法》制備拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖1所示。使用MTS-810電液伺服萬能試驗機進行拉伸性能測試。

3試驗結(jié)果及分析

3.1 焊縫成形特征

激光功率和焊接速度是決定激光焊接熱輸入和焊縫成形效果的主要工藝參數(shù)。圖2和圖3所示為2.0?m/min焊接速度時，不同激光功率獲得的典型焊縫表面形貌和橫截面形狀?？梢钥闯觯す夤β蔬^大或過小時，焊縫表面均有一定的焊接飛濺，當激光功率為1?300 W時，焊縫表面光滑，只有少量飛濺產(chǎn)生。隨著焊接功率增加，焊縫背面逐漸呈現(xiàn)熔透狀態(tài)，焊縫熔化量增加。激光焊接時，由于激光能量密度的不同，可以分為激光熱導焊和激光深熔焊。圖3表明，當激光功率由1?200 W增大到1?300 W時，由熱導焊轉(zhuǎn)變?yōu)樯钊酆附印．敿す鉄釋Ш笗r，熔深較淺，鋅蒸氣加劇了焊接熔池的不穩(wěn)定，極易導致焊接飛濺產(chǎn)生。激光深熔焊接時，雖然鋅蒸氣也會影響焊接熔池的不穩(wěn)定，但是熔池中匙孔內(nèi)部膨脹的壓力可以將熔池內(nèi)部鋅蒸氣帶出，降低鋅蒸氣對熔池的影響，減少焊接飛濺。

圖4和圖5所示為1 300 W激光功率時，不同焊接速度獲得的典型焊縫表面形貌和橫截面形狀。試驗結(jié)果表明，當激光功率為1.0?m/min時，焊接熱輸入過大，接頭的下板被熔穿，焊縫寬度較大；隨著焊接速度的增加，焊接模式由激光深熔焊轉(zhuǎn)變?yōu)榧す鉄釋Ш?，熱輸入降低，焊縫表面的寬度逐漸降低，焊接飛濺明顯增多。由圖5可知，隨焊接速度增加，焊縫背面熔寬逐漸減低，焊接速度為3.0 m/min，下板熔化量很小，形成虛連接。

3.2?接頭微觀組織特征

微觀組織是影響焊接接頭力學性能關(guān)鍵因素，熔焊接頭往往存在微觀組織分布不均勻的特征。分析不同焊接參數(shù)獲得的接頭焊縫橫截面形狀，可以看出，搭接接頭的上板和下板形成有效的焊接時，焊縫橫截面主要分為下板未熔透和下板全熔透2類情況，但是2類焊接接頭的微觀組織都是由6個區(qū)域組成，如圖6所示：區(qū)域1為焊縫區(qū)、區(qū)域2為下板熱影響粗晶區(qū)、區(qū)域3為下板熱影響細晶區(qū)、區(qū)域4為上板熱影響區(qū)（以及區(qū)域5和區(qū)域6分別為上板和下板母材區(qū)?？梢园l(fā)現(xiàn)，上板材質(zhì)對熱影響相對不敏感，而且散熱較快，所以焊接熱影響區(qū)很窄，熱影響區(qū)晶粒沒有粗晶和細晶的差異，但是，下板的熱影響較寬，而且晶粒存在明顯差異。

激光焊搭接角焊縫的各個區(qū)域的顯微組織如圖7所示。母材整體組織呈帶狀分布，分布較為均勻，主要為白色的鐵素體及黑色的碳化物組成的珠光體組織，但是內(nèi)板母材的晶粒明顯比外板晶粒粗大。焊縫組織主要是等軸狀鐵素體組織和少量板條馬氏體組織；上板熱影響區(qū)主要為粗大的鐵素體組織；下板熱影響區(qū)從熔合線附近依次為柱狀晶鐵素體組織+粗大馬氏體組織、柱狀晶鐵素體組織+細小馬氏體組織。

3.3?接頭力學性能

對焊接接頭各個區(qū)域的硬度進行測試，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，上板的硬度最低，其次是上板的影響區(qū)；焊縫區(qū)的硬度遠高于上、下板母材，這與焊接過程帶來的微觀組織變化有關(guān)，因為焊縫區(qū)和熱影響區(qū)由鐵素體和馬氏體生成，使其硬度增加。

227.5

表4所示為不同激光功率所獲得的焊接接頭的拉伸測試結(jié)果。如圖3所示，1 100 W和1 500 W時焊接接頭的有效連接尺寸較小，拉伸試樣在焊縫處斷裂，1 200～1 400 W時，拉伸試樣在強度較弱的上板母材處發(fā)生斷裂。當試樣在上板母材處斷裂時，焊縫的承載變化不大，但是焊縫區(qū)斷裂試樣的承載明顯降低。

表5所示為不同焊接速度所獲得的焊接接頭的拉伸測試結(jié)果。焊接速度為2.0?m/min和2.5 m/min時，拉伸試樣在強度較弱的上板母材處發(fā)生斷裂；焊接速度為1.0?m/min和1.5 m/min時，如圖5所示，由于焊縫成形不良，造成焊接接頭的有效連接尺寸較小，拉伸試樣也在焊縫處斷裂；焊接速度為3.0 m/min時，由于搭接接頭下板熔化量很少，同樣造成焊接接頭的有效連接尺寸較小，拉伸試樣在焊縫處斷裂。

如圖8所示，角焊縫在受拉伸力的作用時，焊接接頭的承載力主要取決于圖中的有效焊縫尺寸d₁和d₂以及母材本身的強度。由于焊縫區(qū)的硬度高于上板母材的硬度，即焊縫區(qū)強度要高于上板母材的強度，因此當焊縫區(qū)的有效尺寸大于0.7 mm時，焊縫沒有明顯缺陷時，焊接接頭均在上板母材（抗拉強度為279 MPa，單位寬度承載力為195.3 N/mm）發(fā)生斷裂。

4?結(jié)束語

車門用St17E和FC180/340HD鍍鋅鋼板厚度小，傳統(tǒng)焊接方式易產(chǎn)生變形和焊接質(zhì)量不佳，激光焊接由于具有能量密度高、焊接速度快、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)勢，是焊接St17E和FC180/340HD異種鍍鋅鋼板的搭接結(jié)構(gòu)的最佳方式之一。通過開展St17E和FC180/340HD異種鍍鋅鋼板激光焊接試驗研究，分析焊縫表面形貌、焊縫成形、微觀組織和力學性能等，得到如下結(jié)論：

a. 隨著激光功率增加和焊接速度減小，焊接模式由激光熱導焊轉(zhuǎn)變?yōu)樯钊酆?，焊縫熔深和焊縫面積明顯增加。激光功率過大和焊接速度過小，容易造成下板熔穿。合適的激光功率和焊接速度可以獲得只有少量飛濺的焊縫表面形貌。

b. 焊縫橫截面主要分為下板未熔透和下板全熔透2類情況，2類焊接接頭根據(jù)微觀組織不同可以分為6個區(qū)域。母材整體組織呈帶狀分布，分布均勻，為白色的鐵素體及黑色碳化物組成珠光體組織，上板母材晶粒明顯比下板晶粒粗大。焊縫為等軸狀鐵素體組織+少量板條馬氏體組織；上板熱影響區(qū)主要為粗大的鐵素體組織；下板熱影響區(qū)從熔合線附近依次為柱狀鐵素體+粗大馬氏體組織、柱狀鐵素體+細小馬氏體組織。

c. 上板的硬度最低，其次是上板的影響區(qū)；焊縫區(qū)的硬度遠高于上、下板母材。當焊接接頭的有效焊接尺寸不小于母材板厚時，焊接接頭拉伸試樣在上板母材發(fā)生斷裂。

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