CO2激光焊接汽车车身安全件的研究
CO2激光焊接汽车车身安全件的研究
摘要：利用CO2激光对汽车车身用高强度镀锌钢板安全件进行了大量的焊接试验，对焊缝组织进行了显微组织的分析和相关的力学性能试验。在同轴和侧吹保护气体的条件下，通过工艺参数优化，激光深熔焊接可以有效地避免高强度镀锌钢热影响区（HAZ） 的软化现象，以及焊缝气孔的有效控制。试验结果表明，用氮气作为保护气体，用CO2激光可以对车身材料进行焊接，并能得到满意的焊接质量。
关键词：激光深熔焊接 车身用高强度镀锌钢 锌行为 HAZ 软化
Abstract：Based on many experiments of CO2 laser welding of zinc coated high strength steel to vehicle body. Joint microstructure and stress－strain curve of specimen are acquired. Through optimizing technology parameter， adopting coaxial and side blown protective gas， deep penetration laser welding can effectively avoid softening HAZ of welding of zinc coated high strength steel and can control the gas hole. The experimental result indicates that the content welding quality can be
gained on the condition of using N2 as protective gas; CO2 laser can weld the material of vehicle body.
Key words：Deep penetration laser welding，Zinc coated high strength steel to vehicle body，Effects of zinc vaporization，Softening of HAZ
0 前言
汽车“车身轻量化”和“安全性”作为汽车产业的重要问题越来越受到重视，作为车身“安全件”用钢板的质量要求也日益提高[1]。目前，高强度镀锌钢是汽车车身“安全件”的首选用材。
激光焊接是利用高功率密度的激光束使材料瞬时加热到气化温度而实现的熔化—凝固过程。由于激光光束能够聚焦成很小尺寸的光斑，焦斑功率密度高，可进行深熔焊接。基于激光焊接的特点，本文采用自制的1500W连续CO2激光器对车身用高强度镀锌钢板进行了深熔焊接工艺试验，获得了较好的焊接效果。
1 试验条件及方法
采用图1 所示的试验布置进行试验。试验所用的激光器为湖南大学自主创新的PHC—1500 折叠式准封离型CO2激光器，输出激光模式为TEM01，连续输出模式，波长为10.6μm，其光束发散角（半角）α 为1mrad，焦深z为3mm，聚焦元件的焦距f为127 mm的硒化锌透镜，聚焦前的光束直径为28mm，焦斑直径约为0.42mm。焊接材料是瑞典生产的高强度镀锌钢（DOGAL 800DP），原始显微组织如图2 所示，金相组织是铁素体＋珠光体。试验用工件尺寸为100mm×30mm×1.5mm，焊接接头采用对接方式。要求工件完全焊透，焊接质量高。
2 分析与讨论
2.1 焊接工艺
激光深熔焊接的能量转换是通过“小孔”效应机制来完成的。在已知被焊材料及其厚度、接头方式、聚焦光斑直径的条件下，影响焊接质量的主要参数是激光功率、焦点位置，保护气体及焊接速度。
试验时，实测焦斑直径约为0.42mm。当激光功率大于1.2kW时，焦斑功率密度可以达到8.7×105W/cm2以上，可以实现有小孔效应的深熔焊接。试验发现，气孔数与激光功率也密切相关，随着激光功率降低，气孔数减少。当焦点位于工件表面时，熔深较浅，不宜作深熔焊接。当焦点位于工件表面以下时，工件内部功率密度比表面高，宜形成较大熔深。使用N2作为辅助气体，气体通过一个内径为6mm，与焊接平面的夹角α 在30°左右布置的圆管供应，气流方向与焊接速度方向相反。与光轴同轴的保护气体主要是保护聚焦透镜免受焊接时产生的烟尘、飞溅等的污染，并对其起一定的散热作用，同时保护熔池不受空气污染等。经过试验，确定同轴气流量为2.5m3/h，侧吹气流量为1.8m3/h。在其他参数不变的条件下，焊接速度对焊缝的深宽比也有影响。试验时，选取激光功率为1300W，离焦量为?0.4mm，焊接速度在0.8～1.1m/min之间时，焊缝的综合质量好。
2.2 焊缝组织的力学性能试验
在辅助气体的保护下，焊接过程虽然在空气中进行。但由于激光焊接热作用时间极短，当离焦量较小、焊接速度较快时，接头表面并无氧化现象。此时拉伸试验发现断裂发生在热影响区，主要原因是激光焊接冷却速度快，熔池组织结构细小。热影响区的金相组织是上贝氏体+低碳马氏体+铁素体；熔池区的金相组织是上贝氏体+低碳马氏体，如图3所示。
图4 是在WDW—100 微机控制电子万能试验机上，对母材及焊接件所作的应力-应变曲线图。从图4 可以看出，焊缝的强度和母材的强度大体相当，没有出现焊缝的软化现象。
2.3 锌对激光焊接的影响
激光焊接速度快，熔池固化速度快，焊缝断面深宽比大，气体不易释出，镀锌钢板在焊接过程中因锌的挥发而易于产生气孔[2]，如图5 所示。
试验中，采用对焊缝侧吹保护气以抑制焊接中锌的等离子体形成，同时也在一定程度上抑制了铁的等离子体形成。对板厚1.5mm、镀锌层厚度约10～20μm、锌质量分数约1%左右的高强度镀锌钢板，采用对激光焊接侧吹保护气的方法后，锌对激光焊接的影响已降低到很弱的程度。图5 是在MM—6 卧式金相显微镜下放大500 倍时，焊接接头的微观组织。可以看出，气孔得到了明显的控制。
作者简介：伍 强（1967 年11 月—），男，湖南大学机械与汽车工程学院博士研究生，主要从事激光加工方向研究。
全文下载地址： http://www.meeting.edu.cn/webmedia/jingpin/ifwt2006/lunwen/3.pdf
摘要：利用CO2激光对汽车车身用高强度镀锌钢板安全件进行了大量的焊接试验，对焊缝组织进行了显微组织的分析和相关的力学性能试验。在同轴和侧吹保护气体的条件下，通过工艺参数优化，激光深熔焊接可以有效地避免高强度镀锌钢热影响区（HAZ） 的软化现象，以及焊缝气孔的有效控制。试验结果表明，用氮气作为保护气体，用CO2激光可以对车身材料进行焊接，并能得到满意的焊接质量。
关键词：激光深熔焊接 车身用高强度镀锌钢 锌行为 HAZ 软化
Abstract：Based on many experiments of CO2 laser welding of zinc coated high strength steel to vehicle body. Joint microstructure and stress－strain curve of specimen are acquired. Through optimizing technology parameter， adopting coaxial and side blown protective gas， deep penetration laser welding can effectively avoid softening HAZ of welding of zinc coated high strength steel and can control the gas hole. The experimental result indicates that the content welding quality can be
gained on the condition of using N2 as protective gas; CO2 laser can weld the material of vehicle body.
Key words：Deep penetration laser welding，Zinc coated high strength steel to vehicle body，Effects of zinc vaporization，Softening of HAZ
0 前言
汽车“车身轻量化”和“安全性”作为汽车产业的重要问题越来越受到重视，作为车身“安全件”用钢板的质量要求也日益提高[1]。目前，高强度镀锌钢是汽车车身“安全件”的首选用材。
激光焊接是利用高功率密度的激光束使材料瞬时加热到气化温度而实现的熔化—凝固过程。由于激光光束能够聚焦成很小尺寸的光斑，焦斑功率密度高，可进行深熔焊接。基于激光焊接的特点，本文采用自制的1500W连续CO2激光器对车身用高强度镀锌钢板进行了深熔焊接工艺试验，获得了较好的焊接效果。
1 试验条件及方法
采用图1 所示的试验布置进行试验。试验所用的激光器为湖南大学自主创新的PHC—1500 折叠式准封离型CO2激光器，输出激光模式为TEM01，连续输出模式，波长为10.6μm，其光束发散角（半角）α 为1mrad，焦深z为3mm，聚焦元件的焦距f为127 mm的硒化锌透镜，聚焦前的光束直径为28mm，焦斑直径约为0.42mm。焊接材料是瑞典生产的高强度镀锌钢（DOGAL 800DP），原始显微组织如图2 所示，金相组织是铁素体＋珠光体。试验用工件尺寸为100mm×30mm×1.5mm，焊接接头采用对接方式。要求工件完全焊透，焊接质量高。
2 分析与讨论
2.1 焊接工艺
激光深熔焊接的能量转换是通过“小孔”效应机制来完成的。在已知被焊材料及其厚度、接头方式、聚焦光斑直径的条件下，影响焊接质量的主要参数是激光功率、焦点位置，保护气体及焊接速度。
试验时，实测焦斑直径约为0.42mm。当激光功率大于1.2kW时，焦斑功率密度可以达到8.7×105W/cm2以上，可以实现有小孔效应的深熔焊接。试验发现，气孔数与激光功率也密切相关，随着激光功率降低，气孔数减少。当焦点位于工件表面时，熔深较浅，不宜作深熔焊接。当焦点位于工件表面以下时，工件内部功率密度比表面高，宜形成较大熔深。使用N2作为辅助气体，气体通过一个内径为6mm，与焊接平面的夹角α 在30°左右布置的圆管供应，气流方向与焊接速度方向相反。与光轴同轴的保护气体主要是保护聚焦透镜免受焊接时产生的烟尘、飞溅等的污染，并对其起一定的散热作用，同时保护熔池不受空气污染等。经过试验，确定同轴气流量为2.5m3/h，侧吹气流量为1.8m3/h。在其他参数不变的条件下，焊接速度对焊缝的深宽比也有影响。试验时，选取激光功率为1300W，离焦量为?0.4mm，焊接速度在0.8～1.1m/min之间时，焊缝的综合质量好。
2.2 焊缝组织的力学性能试验
在辅助气体的保护下，焊接过程虽然在空气中进行。但由于激光焊接热作用时间极短，当离焦量较小、焊接速度较快时，接头表面并无氧化现象。此时拉伸试验发现断裂发生在热影响区，主要原因是激光焊接冷却速度快，熔池组织结构细小。热影响区的金相组织是上贝氏体+低碳马氏体+铁素体；熔池区的金相组织是上贝氏体+低碳马氏体，如图3所示。
图4 是在WDW—100 微机控制电子万能试验机上，对母材及焊接件所作的应力-应变曲线图。从图4 可以看出，焊缝的强度和母材的强度大体相当，没有出现焊缝的软化现象。
2.3 锌对激光焊接的影响
激光焊接速度快，熔池固化速度快，焊缝断面深宽比大，气体不易释出，镀锌钢板在焊接过程中因锌的挥发而易于产生气孔[2]，如图5 所示。
试验中，采用对焊缝侧吹保护气以抑制焊接中锌的等离子体形成，同时也在一定程度上抑制了铁的等离子体形成。对板厚1.5mm、镀锌层厚度约10～20μm、锌质量分数约1%左右的高强度镀锌钢板，采用对激光焊接侧吹保护气的方法后，锌对激光焊接的影响已降低到很弱的程度。图5 是在MM—6 卧式金相显微镜下放大500 倍时，焊接接头的微观组织。可以看出，气孔得到了明显的控制。
作者简介：伍 强（1967 年11 月—），男，湖南大学机械与汽车工程学院博士研究生，主要从事激光加工方向研究。
全文下载地址： http://www.meeting.edu.cn/webmedia/jingpin/ifwt2006/lunwen/3.pdf
默认 最新
当前暂无评论，小编等你评论哦！点赞 评论 收藏
关注
