零件修邊精度對鋁合金車門搭接角接頭激光焊接焊縫成形及性能的影響

摘要：采用激光偏移的方式來模擬鋁合金車門零件修邊精度的偏差，以激光焦點(diǎn)在搭接邊緣的焊縫作為參考，探究不同偏移距離，即零件修邊偏差對焊縫成形及性能的影響。結(jié)果表明，不同的零件修邊偏差下，焊縫表面成形和橫截面形貌存在一定變化。在焊縫成形方面，當(dāng)零件修邊偏差由-1.0 mm逐漸增大至+1.0 mm時(shí)（定義零件修邊遠(yuǎn)離激光光斑，且使搭接接頭下板暴露在激光下的方向?yàn)樨?fù)，反之為正），焊縫的表面逐漸變得飽滿。在焊縫力學(xué)性能方面，當(dāng)零件的修邊偏差在-0.5～+1.0 mm范圍的時(shí)，修邊偏差的變化對焊縫力學(xué)性能影響不大，而當(dāng)修邊偏差為-1.0 mm時(shí)，焊縫接頭的抗拉強(qiáng)度明顯降低。因此，為保證鋁合金車門內(nèi)板和加強(qiáng)板焊后焊縫的成形和力學(xué)性能，在試制過程中，應(yīng)保證加強(qiáng)板零件的修邊偏差在-0.5～+1.0 mm范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：鋁合金車門 修邊精度 表面成形 橫截面形貌 力學(xué)性能

中圖分類號：U465.2; U466" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240147

Effect of Parts Trimming Accuracy on the Weld Seam Forming

and Properties of Lap Joint Laser Welding of Aluminum

Alloy Automobile Door

Guo Tao， Song Hao， Yi Guangpeng， Zheng Shenghu， Zhao Weilong， Yang Yawei

（Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

Abstract： The method of laser offset is used to simulate the deviation of edge trimming precision of aluminum alloy door parts. Taking the laser focus on the lap joint edge as a reference， the effect of the different offset distance， namely trimming deviation of parts on weld forming and properties is investigated. The results show that the weld seam surface forming and cross section morphology change with different trimming deviations. In term of weld seam forming， when the trimming deviation of the part gradually increases from -1.0 mm to +1.0 mm （the direction in which the trimming of the part is away from the laser spot and exposes the lower plate of the lap joint to the laser is defined as negative， and the opposite direction is defined as positive）， the surface of the weld seam gradually becomes full. In term of weld seam mechanical properties， when the trimming deviation of the part is within the range of -0.5 mm to +1.0 mm， the change of the trimming deviation has little effect on the mechanical properties of the weld seam， and when the trimming deviation is -1.0 mm， the tensile strength of the weld joint is significantly reduced. Therefore， in order to ensure the forming and mechanical properties of the welding seam on the aluminum alloy door， the trimming deviation of parts should be ensured in the range of -0.5 mm to +1.0 mm during the trial production process.

Key words： Aluminum alloy automobile door， Edge trimming precision， Surface forming， Cross section morphology， Mechanical properties

1 前言

近年，越來越多的新能源車型配備全鋁車門。全鋁車門不僅能滿足車身輕量化的要求，提高續(xù)駛能力，而且有利于提高車門整體的抗腐蝕性。在全鋁車門中，車門內(nèi)板和窗框加強(qiáng)板間的連接常采用激光焊接，由于激光焊接對被焊零件精度要求高，小批量試制階段，車門內(nèi)板和加強(qiáng)板的零件精度往往達(dá)不到量產(chǎn)精度要求，經(jīng)常出現(xiàn)零件精度偏差導(dǎo)致焊縫成形差的問題，使焊后總成無法滿足整車試驗(yàn)要求。為此，本文針對零件修邊精度對焊縫成形和力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，對零件的精度進(jìn)行控制，以期解決試制過程中鋁合金激光焊接焊縫成形不良的問題，降低焊接廢品率。

2 鋁合金車門內(nèi)板總成焊接工藝

2.1 鋁合金車門內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)

汽車車門內(nèi)板可以分為分體式車門內(nèi)板和整體式門內(nèi)板[1]。整體式車門內(nèi)板和外板均為一體成形，受造型和結(jié)構(gòu)的影響，輕量化難度較大[2]。分體式車門內(nèi)板由沖壓車門內(nèi)板和窗框加強(qiáng)板組成，車門的內(nèi)板為鋼板或鋁合金板沖壓結(jié)構(gòu)，為了提高車門內(nèi)板窗框處的強(qiáng)度和剛度，常采用與內(nèi)板相同或不同材質(zhì)的加強(qiáng)板零件對窗框處進(jìn)行局部加強(qiáng)，二者疊加在一起，通過激光焊接相連。鋁合金車門內(nèi)板常采用分體式結(jié)構(gòu)。

2.2 鋁合金車門激光焊接工藝

汽車車門內(nèi)板與加強(qiáng)板的連接采用激光焊工藝。為了提升焊接生產(chǎn)效率，在量產(chǎn)或小批量試制過程中，通常采用激光飛行焊方法對車門內(nèi)板和加強(qiáng)板進(jìn)行焊接。激光飛行焊屬于激光焊接的一種，由高速掃描的激光振鏡設(shè)備實(shí)現(xiàn)，焊接路徑規(guī)劃由光學(xué)鏡組內(nèi)的反射鏡進(jìn)行，不需要其他的輔助耗材。其工作時(shí)激光掃描頭移動，同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光的掃描焊接，工藝的特點(diǎn)是高精度、高效率、高速度、高靈活性[3]。

由于鋁合金本身的特性，鋁合金車門等薄板類型零件在激光焊接時(shí)極易產(chǎn)生氣孔、咬邊及表面成形不良等缺陷。同時(shí)，鋁合金作為典型的低熔點(diǎn)共晶合金，在激光焊接過程中，熔池冷卻速度快，焊接接頭的熱裂紋敏感性較高[4-5]，易產(chǎn)生熱裂紋缺陷。為解決這些問題，鋁合金車門在激光焊接過程中常利用設(shè)備增加激光的擺動功能，即激光束沿著焊縫路徑快速掃描，以增大熱源作用面積和增強(qiáng)對熔池的攪拌作用，提高焊縫成形性，抑制焊縫氣孔和熱裂紋等缺陷的產(chǎn)生。目前，主流的激光振鏡設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的擺動路徑包括正弦擺動路徑、圓形擺動路徑、8字形擺動路徑及∞形擺動路徑等[6]。

3 內(nèi)板及加強(qiáng)板零件修邊精度對焊縫的影響

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用車門內(nèi)板和加強(qiáng)板焊接試片板厚分別為1.5 mm和 1.7 mm。2種材料的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。根據(jù)車門產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本次試驗(yàn)的試板尺寸為100 mm×30 mm×1.5 mm和100 mm×30 mm×1.7 mm，采用平板搭接角焊縫的形式，焊縫長度20 mm。搭接形式為1.5 mm試板在上，1.7 mm試板在下，搭接量15 mm。試樣采用長度方向搭接，以便開展力學(xué)性能試驗(yàn)，如圖1所示。

采用最大功率6 kW的光纖激光器YLS-6000進(jìn)行鋁合金車門的激光焊接試驗(yàn)，選擇HIGHYAG公司的RLSK型號的3D振鏡掃描焊接頭、KUKA公司KR C4六軸工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)具體的焊接過程。RLSK型3D振鏡掃描焊接頭自帶焊接擺動功能，可選擇不同的擺動軌跡，如正弦曲線（Sinus）、環(huán)狀曲線（Circle）、螺旋曲線（Helix）等。本文選擇如圖2所示的環(huán)狀曲線（Circle）作為鋁合金激光擺動焊接的軌跡，環(huán)狀曲線參數(shù)如下：總長度為20 mm，振幅為2.0 mm，周期為1.0 mm。

由于鋁合金車門焊縫的特殊形式（搭接角焊縫），焊接時(shí)必須保證激光焦點(diǎn)在搭接邊的邊緣，才能形成成形良好的焊縫。因此在不調(diào)整焊接軌跡的情況下，如果車門內(nèi)板零件的修邊尺寸出現(xiàn)偏差，會對焊接效果造成影響。試驗(yàn)采用激光偏移的方式來模擬零件修邊偏差，以激光焦點(diǎn)在搭接邊緣的焊縫作為參考，探究不同偏移距離對焊縫成形及性能的影響。如圖1所示，定義遠(yuǎn)離1.5 mm厚上板方向?yàn)樨?fù)，分別選擇4組偏移量-1.0 mm、-0.5 mm、+0.5 mm、+1.0 mm作為試驗(yàn)變量，等效代替5種零件修邊精度的偏差-1.0 mm、-0.5mm、+0.5 mm、+1.0 mm。每組試驗(yàn)取3個(gè)試樣，與偏移量為0 mm（修邊偏差為0）的焊縫進(jìn)行對比。

試驗(yàn)前用砂輪機(jī)或砂紙打磨試板表面以及邊緣的氧化膜，打磨后用乙醇擦拭表面，除去表面雜質(zhì)與油污。焊接工藝選擇激光功率為 3.2 kW，焊接速度為9 m/min，離焦量為+5 mm。焊后將焊縫表面擦拭干凈，觀察不同偏移量下焊縫的表面成形情況。用金相切割機(jī)從焊縫中取樣，打磨拋光后用腐蝕液進(jìn)行腐蝕，觀察不同偏移量下焊縫截面形貌和熔深的變化。在焊好的試片上取拉伸試樣，試樣尺寸如圖3所示，采用型號為ZTW-100D電子式萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2.0 mm/min。

3.2 修邊精度對焊縫成形的影響

圖4所示為不同修邊偏差下焊縫表面的形貌，對比發(fā)現(xiàn)不同的修邊偏差下焊縫的飽滿程度不同，由于車門的激光焊接工藝為非填絲焊接，焊后焊縫金屬由被焊材料熔化形成，當(dāng)修邊偏差為-1.0 mm時(shí)，激光螺旋線焊接軌跡的邊緣剛好與上板焊接處的邊緣接觸，即激光遠(yuǎn)離了上板，此時(shí)上板邊緣處輕微熔化，焊縫金屬量較少，焊縫表面呈下凹狀態(tài)。隨著修邊偏差的減小，激光照射在上板的能量增加，上板金屬熔化量增多，焊縫表面逐漸飽滿。當(dāng)修邊偏差為+1.0 mm時(shí)，焊縫在上板一側(cè)出現(xiàn)了明顯的咬邊現(xiàn)象。

圖5所示為不同修邊偏差下焊縫的橫截面形貌，圖6所示為不同修邊偏差下焊縫熔深變化趨勢。從橫截面形貌也能清晰地看出，當(dāng)零件的修邊偏差由-1.0 mm逐漸變化到+1.0 mm時(shí)，焊縫成形逐漸飽滿，當(dāng)修邊偏差增大到+0.5 mm和+1.0 mm時(shí)，焊縫出現(xiàn)余高。由圖5、圖6可得，當(dāng)修邊偏差為0時(shí)，在當(dāng)前工藝參數(shù)下，焊縫下板處的熔深為1.14 mm。當(dāng)激光向上板方向偏移時(shí)，即修邊偏差為+0.5 mm和+1.0 mm時(shí)，焊縫下板處的熔深明顯減小，分別為0.82 mm和0.33 mm。當(dāng)激光向下板方向偏移時(shí)，隨著修邊偏差的增大，熔深變化較小，分別為1.11 mm （修邊偏差為-0.5 mm）和0.96 mm（修邊偏差為-1.0 mm）。這是由于當(dāng)修邊偏差為正時(shí)，隨著偏差量的增大，上板吸收的激光能量逐漸增多，導(dǎo)致上板熔化的金屬量增加，在激光能量不變的情況下到達(dá)下板處的激光能量減少，進(jìn)而影響下板處的熔深，導(dǎo)致熔深減小。而當(dāng)修邊偏差為負(fù)時(shí)，激光向下板方向偏移過程中，上板熔化所占據(jù)的激光能量明顯減小，此時(shí)大部分激光能量用于熔化下板金屬，修邊偏差對到達(dá)下板的激光能量的變化影響較小，因此，焊縫熔深更趨近于修邊偏差為0時(shí)的焊縫。

3.3 修邊精度對焊縫力學(xué)性能的影響

拉伸試樣如圖7所示。采用相同的激光工藝參數(shù)，設(shè)置5組零件修邊精度的偏差-1.0 mm、-0.5 mm、0 mm、+0.5 mm、+1.0 mm，每組取3個(gè)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸后取3個(gè)抗拉強(qiáng)度的平均值進(jìn)行評價(jià)，如表3所示。根據(jù)所得的抗拉強(qiáng)度，對比不同修邊偏差，得到焊縫力學(xué)性能如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)零件修邊偏差在-0.5～+0.5 mm范圍內(nèi)時(shí)，焊縫的最大抗拉強(qiáng)度無明顯變化，均在59 MPa以上；當(dāng)零件修邊偏差為±1.0 mm時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度有所降低，尤其是偏差為-1.0 mm時(shí)，焊縫強(qiáng)度最低，為35.3 MPa。

圖9所示為不同零件修邊偏差下焊縫斷裂位置，對比圖5焊縫橫截面形貌分析可知，當(dāng)前的5種偏差下，焊縫的斷裂角度均為45°，這是典型的塑性材料拉伸斷裂的特征。不同的是，當(dāng)修邊偏差為-1.0 mm時(shí)，雖然激光能量大部分用于下板的熔化，導(dǎo)致焊縫熔深增加，但上板熔化金屬較少，焊縫下凹明顯，斷裂時(shí)斷口尺寸明顯減小，導(dǎo)致拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度明顯減小，如圖9a所示。當(dāng)修邊偏差為-0.5 mm、0 mm時(shí)，雖然焊縫橫截面形貌有所不同，但斷裂時(shí)斷口尺寸均在1 mm以上，因此拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度無明顯的波動。

4 結(jié)束語

鋁合金車門加強(qiáng)板零件的修邊精度對車門的激光焊搭接角焊縫成形及性能有如下影響：

a.不同的零件修邊偏差下，焊縫表面成形和橫截面形貌存在一定變化。當(dāng)零件修邊偏差由-1.0 mm逐漸增大至+1.0 mm時(shí)，焊縫的表面逐漸變得飽滿，這是由于隨著修邊偏差由負(fù)值逐漸變?yōu)檎禃r(shí)，相對于工件本身，激光向搭接的2個(gè)板的上板方向移動，使上板吸收激光能量而熔化產(chǎn)生的焊縫金屬較多，因此，焊縫逐漸變得飽滿。

b.當(dāng)零件的修邊偏差在-0.5～+1.0 mm范圍內(nèi)時(shí)，修邊偏差的變化對焊縫力學(xué)性能影響不大，而當(dāng)修邊偏差為-1.0 mm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度最低，結(jié)合斷裂的焊縫橫截面形貌可知，當(dāng)修邊偏差為-1.0 mm時(shí)，焊縫表面下凹明顯，此時(shí)焊縫能夠承受外力的有效寬度較小，因此，力學(xué)性能明顯降低。

c.為保證鋁合金車門內(nèi)板和加強(qiáng)板焊后焊縫的成形和力學(xué)性能，在試制過程中，應(yīng)保證加強(qiáng)板零件的修邊偏差在-0.5～+1.0 mm。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫婷. 汽車車門鈑金設(shè)計(jì)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件， 2020（22）： 110-111.

[2] 陸彬. 汽車車門輕量化技術(shù)研究[J]. 大眾科技， 2020（6）： 59-62.

[3] 趙建姣， 陳沖， 漢俊梅， 等. 白車身車門激光飛行焊接技術(shù)及工藝調(diào)試[J]. 汽車工藝與材料， 2022（6）： 33-37.

[4] CICAL? E， DUFFET G， ANDRZEJEWSKI H， et al. Hot Cracking in Al-Mg-Si Alloy Laser Welding-Operating Parameters and Their Effects[J]. Materials Science and Engineering： A， 2005， 395（1/2）： 1-9.

[5] WANG X， LU F， WANG H P， et al. Micro-Scale Model Based Study of Solidification Cracking Formation Mechanism in Al Fiber Laser Welds[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2016， 231： 18-26.

[6] 陳琳. 鋁合金薄板激光擺動搭接焊縫成形機(jī)理及其熔池行為研究[D]. 武漢： 華中科技大學(xué)， 2022.