CO2激光焊接汽車車身安全件的研究
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CO2激光焊接汽車車身安全件的研究
摘要：利用CO2激光對汽車車身用高強度鍍鋅鋼板安全件進行了大量的焊接試驗，對焊縫組織進行了顯微組織的分析和相關的力學性能試驗。在同軸和側吹保護氣體的條件下，通過工藝參數優化，激光深熔焊接可以有效地避免高強度鍍鋅鋼熱影響區（HAZ） 的軟化現象，以及焊縫氣孔的有效控制。試驗結果表明，用氮氣作為保護氣體，用CO2激光可以對車身材料進行焊接，并能得到滿意的焊接質量。
關鍵詞：激光深熔焊接 車身用高強度鍍鋅鋼 鋅行為 HAZ 軟化
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
汽車“車身輕量化”和“安全性”作為汽車產業的重要問題越來越受到重視，作為車身“安全件”用鋼板的質量要求也日益提高[1]。目前，高強度鍍鋅鋼是汽車車身“安全件”的首選用材。
激光焊接是利用高功率密度的激光束使材料瞬時加熱到氣化溫度而實現的熔化—凝固過程。由于激光光束能夠聚焦成很小尺寸的光斑，焦斑功率密度高，可進行深熔焊接。基于激光焊接的特點，本文采用自制的1500W連續CO2激光器對車身用高強度鍍鋅鋼板進行了深熔焊接工藝試驗，獲得了較好的焊接效果。
1 試驗條件及方法
采用圖1 所示的試驗布置進行試驗。試驗所用的激光器為湖南大學自主創新的PHC—1500 折疊式準封離型CO2激光器，輸出激光模式為TEM01，連續輸出模式，波長為10.6μm，其光束發散角（半角）α 為1mrad，焦深z為3mm，聚焦元件的焦距f為127 mm的硒化鋅透鏡，聚焦前的光束直徑為28mm，焦斑直徑約為0.42mm。焊接材料是瑞典生產的高強度鍍鋅鋼（DOGAL 800DP），原始顯微組織如圖2 所示，金相組織是鐵素體＋珠光體。試驗用工件尺寸為100mm×30mm×1.5mm，焊接接頭采用對接方式。要求工件完全焊透，焊接質量高。
2 分析與討論
2.1 焊接工藝
激光深熔焊接的能量轉換是通過“小孔”效應機制來完成的。在已知被焊材料及其厚度、接頭方式、聚焦光斑直徑的條件下，影響焊接質量的主要參數是激光功率、焦點位置，保護氣體及焊接速度。
試驗時，實測焦斑直徑約為0.42mm。當激光功率大于1.2kW時，焦斑功率密度可以達到8.7×105W/cm2以上，可以實現有小孔效應的深熔焊接。試驗發現，氣孔數與激光功率也密切相關，隨著激光功率降低，氣孔數減少。當焦點位于工件表面時，熔深較淺，不宜作深熔焊接。當焦點位于工件表面以下時，工件內部功率密度比表面高，宜形成較大熔深。使用N2作為輔助氣體，氣體通過一個內徑為6mm，與焊接平面的夾角α 在30°左右布置的圓管供應，氣流方向與焊接速度方向相反。與光軸同軸的保護氣體主要是保護聚焦透鏡免受焊接時產生的煙塵、飛濺等的污染，并對其起一定的散熱作用，同時保護熔池不受空氣污染等。經過試驗，確定同軸氣流量為2.5m3/h，側吹氣流量為1.8m3/h。在其他參數不變的條件下，焊接速度對焊縫的深寬比也有影響。試驗時，選取激光功率為1300W，離焦量為?0.4mm，焊接速度在0.8～1.1m/min之間時，焊縫的綜合質量好。
2.2 焊縫組織的力學性能試驗
在輔助氣體的保護下，焊接過程雖然在空氣中進行。但由于激光焊接熱作用時間極短，當離焦量較小、焊接速度較快時，接頭表面并無氧化現象。此時拉伸試驗發現斷裂發生在熱影響區，主要原因是激光焊接冷卻速度快，熔池組織結構細小。熱影響區的金相組織是上貝氏體+低碳馬氏體+鐵素體；熔池區的金相組織是上貝氏體+低碳馬氏體，如圖3所示。
圖4 是在WDW—100 微機控制電子萬能試驗機上，對母材及焊接件所作的應力-應變曲線圖。從圖4 可以看出，焊縫的強度和母材的強度大體相當，沒有出現焊縫的軟化現象。
2.3 鋅對激光焊接的影響
激光焊接速度快，熔池固化速度快，焊縫斷面深寬比大，氣體不易釋出，鍍鋅鋼板在焊接過程中因鋅的揮發而易于產生氣孔[2]，如圖5 所示。
試驗中，采用對焊縫側吹保護氣以抑制焊接中鋅的等離子體形成，同時也在一定程度上抑制了鐵的等離子體形成。對板厚1.5mm、鍍鋅層厚度約10～20μm、鋅質量分數約1%左右的高強度鍍鋅鋼板，采用對激光焊接側吹保護氣的方法后，鋅對激光焊接的影響已降低到很弱的程度。圖5 是在MM—6 臥式金相顯微鏡下放大500 倍時，焊接接頭的微觀組織。可以看出，氣孔得到了明顯的控制。
作者簡介：伍 強（1967 年11 月—），男，湖南大學機械與汽車工程學院博士研究生，主要從事激光加工方向研究。
全文下載地址： http://www.meeting.edu.cn/webmedia/jingpin/ifwt2006/lunwen/3.pdf
摘要：利用CO2激光對汽車車身用高強度鍍鋅鋼板安全件進行了大量的焊接試驗，對焊縫組織進行了顯微組織的分析和相關的力學性能試驗。在同軸和側吹保護氣體的條件下，通過工藝參數優化，激光深熔焊接可以有效地避免高強度鍍鋅鋼熱影響區（HAZ） 的軟化現象，以及焊縫氣孔的有效控制。試驗結果表明，用氮氣作為保護氣體，用CO2激光可以對車身材料進行焊接，并能得到滿意的焊接質量。
關鍵詞：激光深熔焊接 車身用高強度鍍鋅鋼 鋅行為 HAZ 軟化
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
汽車“車身輕量化”和“安全性”作為汽車產業的重要問題越來越受到重視，作為車身“安全件”用鋼板的質量要求也日益提高[1]。目前，高強度鍍鋅鋼是汽車車身“安全件”的首選用材。
激光焊接是利用高功率密度的激光束使材料瞬時加熱到氣化溫度而實現的熔化—凝固過程。由于激光光束能夠聚焦成很小尺寸的光斑，焦斑功率密度高，可進行深熔焊接。基于激光焊接的特點，本文采用自制的1500W連續CO2激光器對車身用高強度鍍鋅鋼板進行了深熔焊接工藝試驗，獲得了較好的焊接效果。
1 試驗條件及方法
采用圖1 所示的試驗布置進行試驗。試驗所用的激光器為湖南大學自主創新的PHC—1500 折疊式準封離型CO2激光器，輸出激光模式為TEM01，連續輸出模式，波長為10.6μm，其光束發散角（半角）α 為1mrad，焦深z為3mm，聚焦元件的焦距f為127 mm的硒化鋅透鏡，聚焦前的光束直徑為28mm，焦斑直徑約為0.42mm。焊接材料是瑞典生產的高強度鍍鋅鋼（DOGAL 800DP），原始顯微組織如圖2 所示，金相組織是鐵素體＋珠光體。試驗用工件尺寸為100mm×30mm×1.5mm，焊接接頭采用對接方式。要求工件完全焊透，焊接質量高。
2 分析與討論
2.1 焊接工藝
激光深熔焊接的能量轉換是通過“小孔”效應機制來完成的。在已知被焊材料及其厚度、接頭方式、聚焦光斑直徑的條件下，影響焊接質量的主要參數是激光功率、焦點位置，保護氣體及焊接速度。
試驗時，實測焦斑直徑約為0.42mm。當激光功率大于1.2kW時，焦斑功率密度可以達到8.7×105W/cm2以上，可以實現有小孔效應的深熔焊接。試驗發現，氣孔數與激光功率也密切相關，隨著激光功率降低，氣孔數減少。當焦點位于工件表面時，熔深較淺，不宜作深熔焊接。當焦點位于工件表面以下時，工件內部功率密度比表面高，宜形成較大熔深。使用N2作為輔助氣體，氣體通過一個內徑為6mm，與焊接平面的夾角α 在30°左右布置的圓管供應，氣流方向與焊接速度方向相反。與光軸同軸的保護氣體主要是保護聚焦透鏡免受焊接時產生的煙塵、飛濺等的污染，并對其起一定的散熱作用，同時保護熔池不受空氣污染等。經過試驗，確定同軸氣流量為2.5m3/h，側吹氣流量為1.8m3/h。在其他參數不變的條件下，焊接速度對焊縫的深寬比也有影響。試驗時，選取激光功率為1300W，離焦量為?0.4mm，焊接速度在0.8～1.1m/min之間時，焊縫的綜合質量好。
2.2 焊縫組織的力學性能試驗
在輔助氣體的保護下，焊接過程雖然在空氣中進行。但由于激光焊接熱作用時間極短，當離焦量較小、焊接速度較快時，接頭表面并無氧化現象。此時拉伸試驗發現斷裂發生在熱影響區，主要原因是激光焊接冷卻速度快，熔池組織結構細小。熱影響區的金相組織是上貝氏體+低碳馬氏體+鐵素體；熔池區的金相組織是上貝氏體+低碳馬氏體，如圖3所示。
圖4 是在WDW—100 微機控制電子萬能試驗機上，對母材及焊接件所作的應力-應變曲線圖。從圖4 可以看出，焊縫的強度和母材的強度大體相當，沒有出現焊縫的軟化現象。
2.3 鋅對激光焊接的影響
激光焊接速度快，熔池固化速度快，焊縫斷面深寬比大，氣體不易釋出，鍍鋅鋼板在焊接過程中因鋅的揮發而易于產生氣孔[2]，如圖5 所示。
試驗中，采用對焊縫側吹保護氣以抑制焊接中鋅的等離子體形成，同時也在一定程度上抑制了鐵的等離子體形成。對板厚1.5mm、鍍鋅層厚度約10～20μm、鋅質量分數約1%左右的高強度鍍鋅鋼板，采用對激光焊接側吹保護氣的方法后，鋅對激光焊接的影響已降低到很弱的程度。圖5 是在MM—6 臥式金相顯微鏡下放大500 倍時，焊接接頭的微觀組織。可以看出，氣孔得到了明顯的控制。
作者簡介：伍 強（1967 年11 月—），男，湖南大學機械與汽車工程學院博士研究生，主要從事激光加工方向研究。
全文下載地址： http://www.meeting.edu.cn/webmedia/jingpin/ifwt2006/lunwen/3.pdf
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