車門用異種鍍鋅鋼板激光焊接新工藝與接頭性能研究

中圖分類號(hào)：U466；TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240401

Research on NewLaser WeldingProcessand JointProperties ofDissimilar Galvanized Steel Sheets for Car Doors

Zhou Mu， Zhou Chuanchuan， Li Jinbao， Jiang Yifan， Liu Baofeng， He Tengxiang （Engineering Technology Department，China FAW Co.，Ltd.， Changchun 130000）

Abstract：For the car door dissimilar galvanized steel，this paper explores in theconditions without the use of prefabricated protruding point，byadjusting the laser welding power，welding speed，welding pendulum amplitude，to developasinusoidal pendulum basednew laserwelding process，toachieve first-stage weldingof the disimilar galvanized steel shet.Meanwhile，the paper alsoexplores theruleof influenceof different process parameters on weld morphologyand mechanical propertiesof welded joints intheprocessofoscilating laser welding，toprovide theoretical basis and technical support for the development and application of new automotive laser welding process and cost optimization of production line scheme planning.

Keywords：Laserwelding，Dissimilargalvanized steel，Oscilating welding，Welded joint，Mechanical properties

1前言

激光焊接工藝具有能量密度高、焊接速度快、焊接應(yīng)力變形小、柔性好等優(yōu)勢(shì)1，因而廣泛應(yīng)用于乘用車白車身的焊接[2-3]

在傳統(tǒng)的鍍鋅鋼制車門激光焊接時(shí)，鍍鋅鋼板焊接受熱迅速汽化產(chǎn)生鋅蒸氣，僅通過一次激光焊接無法使鋅蒸氣完全逸出，這將導(dǎo)致焊縫處出現(xiàn)縮孔等缺陷[4-5]。針對(duì)這一問題，行業(yè)通用的方法是首先使用激光點(diǎn)蝕工藝，在上層鍍鋅鋼板下表面形成高度約為 0.1～0.2mm 的凸點(diǎn)，使兩層鍍鋅鋼板之間形成一定的縫隙，從而使激光焊接過程中產(chǎn)生的鋅蒸氣逸出。隨后進(jìn)行激光飛行焊接，實(shí)現(xiàn)2層鍍鋅鋼板的連接，這種方法有利于形成表面狀態(tài)良好的焊縫[7-8]。但該激光焊接工藝在線體建設(shè)先期投入時(shí)，1條激光焊線體需要采購(gòu)2套激光焊設(shè)備以滿足使用需求，投資成本較高，為降低生產(chǎn)成本，有必要探究異種鍍鋅鋼板的激光焊接新工藝。

本文擬開發(fā)一種基于正弦擺動(dòng)的兩次擺動(dòng)焊接工藝。在首次擺動(dòng)焊接時(shí)，先擊穿上層鍍鋅鋼板正反兩面的鍍鋅層，同時(shí)對(duì)下層鍍鋅鋼板搭接面的油污進(jìn)行燒蝕清潔。二次擺動(dòng)焊接時(shí)，熔穿上、下兩板實(shí)現(xiàn)焊核成形。這種2次擺動(dòng)焊接的方式使得上、下鍍鋅鋼板的鍍鋅層蒸氣能夠分2次從熔池上方逸出，而不是傳統(tǒng)工藝中從板件之間的間隙逸出，改變鋅蒸氣的逸出路徑，并在第1次擺動(dòng)焊接時(shí)有效清潔板材，以提高焊縫的成形質(zhì)量。

2試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料分別為車門內(nèi)板用 0.7mm 厚鍍鋅鋼板、窗框用 0.9mm 厚鍍鋅鋼板，牌號(hào)分別為St04D+Z-50/50 和 St07D+ZM-35/35 。2種鍍鋅鋼板基體的化學(xué)成分如表1所示。

試驗(yàn)用鍍鋅鋼板尺寸為 100mm×40mm 。根據(jù)車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2種不同牌號(hào)的鍍鋅鋼板通過搭接方式進(jìn)行激光焊接，其中牌號(hào)為 St04D+Z-50/50 的鍍鋅鋼板在上，牌號(hào)為 St07D+ZM-35/35 的鍍鋅鋼板在下。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

激光焊接設(shè)備主要包括Trumpf公司的通快TruDisk6001的激光器系統(tǒng)和普雷茨特YW52150D400ST的激光頭，如圖1所示。其中最大輸出功率為6kW，配備KUKA機(jī)器人。

激光焊接時(shí)，采用專用的工裝夾具對(duì)2塊鍍鋅鋼板進(jìn)行夾緊和固定，以確保板材之間的零貼合。機(jī)器人根據(jù) 50mm 的焊接軌跡進(jìn)行調(diào)試，完成軌跡程序設(shè)置后，分別對(duì)激光一次擺動(dòng)和二次擺動(dòng)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，探究焊接工藝參數(shù)對(duì)一次擺動(dòng)和二次擺動(dòng)焊縫成形的影響規(guī)律。

異種鍍鋅鋼板激光2次擺動(dòng)焊接完成后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行形貌觀察分析與力學(xué)性能檢測(cè)。采用電火花數(shù)控切割機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行切割，使用型號(hào)為OLYMPUSGX71的光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭橫截面進(jìn)行形貌觀察。采用數(shù)顯硬度儀對(duì)焊接接頭的硬度進(jìn)行測(cè)試，采用型號(hào)為MTS-810的電液伺服方能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接接頭拉伸性能測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1一次擺動(dòng)焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響

激光功率、焊接速度、擺幅是決定激光焊接熱輸入和焊縫成形的主要工藝參數(shù)[9-10]。在焊縫成形試驗(yàn)中，擺動(dòng)頻率設(shè)為 100Hz 、離焦量設(shè)為0mm ，這2個(gè)參數(shù)均為固定值。

3.1.1一次擺動(dòng)焊接功率對(duì)焊縫成形的影響

在兩次擺動(dòng)焊接時(shí)，首先對(duì)一次擺動(dòng)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行確定，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)定焊接速度為60mm/s 、擺幅為 1.5mm ，再探究不同激光功率對(duì)上層鍍鋅鋼板焊縫成形的影響。

如圖2所示為不同焊接功率下上層鍍鋅鋼板正面與背面的焊縫形貌。由圖2可以看出：當(dāng)焊接功率為 時(shí)，焊縫正面形貌較好，焊接飛濺較小，但背面無印痕，說明熱輸入不足；當(dāng)焊接功率為 1800‰ 時(shí)，正面和背面的焊縫成形較好，焊接飛濺較??；當(dāng)焊接功率進(jìn)一步增大時(shí)，上層鍍鋅鋼板出現(xiàn)過熔化現(xiàn)象，焊縫被擊穿，焊縫連續(xù)性較差，焊接飛濺增加。因此，在焊接速度為 60mm/s 、擺幅為 1.5mm 的工況下，一次焊接功率為 1800W 時(shí)焊縫成形最好。

3.1.2一次擺動(dòng)焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

焊接功率 1800‰ 、焊接擺幅 1.5mm 工況下，不同焊接速度下上層鍍鋅鋼板正面與背面焊縫形貌如圖3所示。當(dāng)焊接速度為 50mm/s 時(shí)，焊接線能量較大，上層鍍鋅鋼板正面焊縫形貌較好，但背面鍍鋅層出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，焊接飛濺較大；隨著焊接速度的減小，由于熱輸入量增大，使得上板出現(xiàn)明顯的擊穿問題；但焊接速度增大又會(huì)導(dǎo)致熱輸人量減少，使得背面鍍鋅層無法擊穿。在焊接功率為 1800‰ 、擺幅為 1.5mm 的工況下，一次焊接速度為 60mm/s 時(shí)上層鍍鋅鋼板表面焊縫形貌較好，背面焊縫連續(xù)且鍍鋅層被擊穿，焊縫整體成形最好。

在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)要求焊接后焊道寬度為 1mm ，為避免二次焊接時(shí)上層鍍鋅鋼板仍有鋅蒸氣逸出，因此一次焊接完成后上層鍍鋅鋼板背面的鍍鋅層擊穿寬度均需大于 1mm 。焊接功率 1800‰ /焊接速度 60mm/s 工況下，不同焊接擺幅下上層鍍鋅鋼板正面與背面焊縫形貌如圖4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)擺幅在 1.5mm 附近時(shí)，正面和背面鍍鋅層擊穿寬度相近且均大于 1mm 。當(dāng)擺幅減小時(shí)，焊縫正面和背面鍍鋅層的擊穿寬度隨之減小，不滿足二次激光擺動(dòng)焊接前上層鍍鋅鋼板鍍鋅層被擊穿寬度的要求；當(dāng)擺幅增大時(shí)，焊縫正面和背面鍍鋅層的擊穿寬度增大，易出現(xiàn)熔池凹陷。因此，在焊接功率為 1800‰ 、焊接速度 60mm/s 工況下，當(dāng)一次焊接擺幅為 1.5mm 時(shí)焊縫成形最好。

3.1.4一次擺動(dòng)焊接正交試驗(yàn)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，焊縫成形受多因素影響，為探究影響一次擺動(dòng)焊接焊縫成形的主要因素，針對(duì)一次擺動(dòng)焊接的3個(gè)工藝參數(shù)開展三因素三水平正交試驗(yàn)，共計(jì)9組，具體如表2所示。

正交試驗(yàn)結(jié)果如圖5和表3所示，可以看出第2組和第4組焊接參數(shù)下背面的鍍鋅層最小擊穿寬度均大于 1mm ，合格焊縫長(zhǎng)度比率均為 100% 其中，合格焊縫長(zhǎng)度比率是指背面鍍鋅層擊穿寬度不小于 1mm 的長(zhǎng)度與焊縫全長(zhǎng)的比值。由表4合格焊縫長(zhǎng)度比率極差可知，當(dāng)一次擺動(dòng)焊接時(shí)，對(duì)合格焊縫長(zhǎng)度比率影響程度最大的是焊接擺幅，其次是焊接功率和速度。其中， K 為每因子每水平條件下合格焊縫長(zhǎng)度比率的和， K_avg 為每因子每水平條件下合格焊縫長(zhǎng)度比率的平均值， R 為 K_avg 的極差。

3.2二次擺動(dòng)焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響

由一次焊接正交試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)一次焊接功率為 1800‰ 、焊接速度為 60mm/s 、擺幅為1.5mm 時(shí)，上層鍍鋅鋼板正面和背面可得到成形較好的焊縫，后續(xù)在進(jìn)行二次焊接時(shí)，一次焊接采用此工藝參數(shù)。

3.2.1二次擺動(dòng)焊接功率對(duì)焊縫成形的影響

參考實(shí)際生產(chǎn)設(shè)定焊接速度為 80mm/s 、擺幅為 0.3mm ，探究不同焊接功率對(duì)焊縫成形的影響，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)焊接功率為 1200W 時(shí)，焊接能量密度不足，熔深相對(duì)較淺，鋅蒸氣逸出過程加劇了熔池的不穩(wěn)定性，容易造成飛濺、背透不連續(xù)、焊縫假焊等問題；當(dāng)焊接功率增大時(shí)，由于焊接能量較大，熔池內(nèi)部壓力可以將鋅蒸氣帶出，減小鋅蒸氣對(duì)焊縫成形的影響，但焊接功率過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊接飛濺和擊穿問題。當(dāng)焊接功率在 1800‰ 附近時(shí)，下層鍍鋅鋼板背面背透明顯，易獲得焊接效果較好的焊縫。因此在二次焊接速度為 80mm/s 、擺幅為 0.3mm 工況下，二次焊接功率在1800W附近時(shí)焊縫成形較好。

3.2.2二次擺動(dòng)焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

接下來設(shè)定焊接功率為 1 800W 、擺幅為0.3mm ，探究不同焊接速度對(duì)焊縫成形的影響，結(jié)果如圖7所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焊接速度約為80mm/s 時(shí)，上層鍍鋅鋼板表面焊縫形貌較好，下層鍍鋅鋼板背面背透明顯，可獲得較好焊的焊縫；

焊接速度減小時(shí)，焊接線能量較大，焊縫處易出現(xiàn)凹陷和縮孔類缺陷；焊接速度增大時(shí)，焊接線能量較小，下層鍍鋅鋼板背面焊縫出現(xiàn)縮孔且背透印痕較淺，無法保證上、下鍍鋅鋼板焊接完整性。因此，二次焊接功率為 1800‰ 、擺幅為0.3mm 工況下，二次焊接速度約為 80mm/s 時(shí)焊縫較好。

最后設(shè)定焊接功率為 1800‰ 、焊接速度為80mm/s ，探究不同焊接擺幅對(duì)焊縫成形的影響，結(jié)果如圖8所示。當(dāng)二次焊接擺幅為 0.3mm 時(shí)，易獲得焊接效果較好的焊縫。隨著擺幅的減小，焊道出現(xiàn)縮孔缺陷，擺幅增大時(shí)導(dǎo)致焊縫無背透，且成形質(zhì)量較差。因此在二次焊接功率為 1800‰ 、焊接速度為 80mm/s 的工況下，二次焊接速度在0.3mm 附近時(shí)焊縫較好。

3.2.4二次擺動(dòng)焊接正交試驗(yàn)

針對(duì)二次焊接3個(gè)工藝參數(shù)開展三因素三水平正交試驗(yàn)，共計(jì)9組，具體參數(shù)如表5所示。由圖9和表6中的正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，第6組和第9組焊接參數(shù)條件下背面的鍍鋅層最小擊穿寬度均大于 1mm ，合格焊縫長(zhǎng)度比率均為 100% ，有效背透比率為 100% ，其中有效背透比率是指背面背透總長(zhǎng)與焊縫全長(zhǎng)的比值。

表7和表8分別為合格焊縫長(zhǎng)度比率極差和有效背透比率極差，可以看出二次擺動(dòng)焊接時(shí)，對(duì)合格焊縫長(zhǎng)度比率影響程度最大的是焊接速度，對(duì)有效背透比率影響程度最大的是焊接功率。

綜上所述，當(dāng)一次擺動(dòng)焊接功率為 1800‰ ！焊接速度為 60mm/s 擺幅為 1.5mm ，二次擺動(dòng)焊接功率為 1800‰ 、焊接速度為 90mm/s 、擺幅為0.2mm 時(shí)，可獲得成形較為良好的焊縫。

3.3焊接接頭形貌特征及接頭力學(xué)性能

對(duì)最終確定的一次、二次擺動(dòng)焊接參數(shù)下的焊接接頭進(jìn)行微觀形貌觀察，如圖10所示?？梢钥闯?，上、下鍍鋅鋼板之間形成了符合標(biāo)準(zhǔn)的熔核。上、下鍍鋅鋼板熔融接頭的熔深為 1.05mm ，工件間隙為 0.14mm 。通過對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，焊縫中心線上側(cè)的平均硬度為94HV0.2，下側(cè)的平均硬度為 92HV0.2 ，焊縫中心線的平均硬度為 154HV0.2 。

對(duì)焊接后的鍍鋅鋼板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)按照GB/T228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，其中試樣尺寸如圖11所示。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，可以看出試樣斷裂位置均在上層鍍鋅鋼板處，未發(fā)生在焊縫連接處，說明焊縫區(qū)強(qiáng)度高于上層鍍鋅鋼板的強(qiáng)度。當(dāng)焊縫區(qū)熔深足夠，且焊縫沒有明顯缺陷時(shí)，焊接接頭均在上層鍍鋅鋼板處發(fā)生斷裂。

表9所示為拉伸斷裂的試樣接頭峰值失效載荷，可知焊縫熔接接頭峰值失效載荷最高為2.377kN ，最高單位寬度承載力為 198.1N/mm 。

4結(jié)束語

本文對(duì)車門用 St04D+Z-50/50 和 St07D+ZM- 35/35鍍鋅鋼板進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)研究，分析了焊縫的表面形貌、焊縫成形和焊接接頭力學(xué)性能，得到如下結(jié)論：

a.通過對(duì)一次、二次擺動(dòng)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)可知，一次擺動(dòng)焊接時(shí)影響合格焊縫長(zhǎng)度比率的主要因素是焊接擺幅，次要因素是焊接功率；二次擺動(dòng)焊接時(shí)影響合格焊縫長(zhǎng)度比率的主要因素是焊接速度，影響有效背透比率的主要因素是焊接功率。

b.當(dāng)一次擺動(dòng)焊接功率為 1800‰ 、焊接速度為 60mm/s 、擺幅為 1.5mm ，二次擺動(dòng)焊接功率為1800‰ 焊接速度為 90mm/s 、擺幅為 0.2mm 時(shí)，可獲得成形較為良好的焊縫。

c.通過本次試驗(yàn)，可得到一種異種鍍鋅鋼板焊接新工藝，且焊縫形貌良好滿足生產(chǎn)，該方法無需新增激光點(diǎn)蝕焊接設(shè)備，達(dá)成了降低投資成本的需求。

由于試驗(yàn)資源有限，激光正弦兩次擺動(dòng)焊接方法的工藝參數(shù)范圍與生產(chǎn)穩(wěn)定性仍具有進(jìn)一步研究的潛力。

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