关于二氧化碳激光焊焊接车身的研究.docx

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关于二氧化碳激光焊焊接车身的研究

车身激光焊的研究

摘要：

基于车身二氧化碳激光焊接实验，分析焊接接头的显微组织和应力应变曲线。

通过用氩气和氮气做为保护气氛做对比，氩气的深冲性比氮气要高一些。

同时在通保护气氛下，焊缝中锌的百分含量能有效的被控制。

在本文中，证明了线能量和焊速对熔深和熔宽的影响。

结果指出，在激光焊焊接薄钢时，如果激光焊的焊接参数控制得适当，就不会出现如气孔、裂纹和热影响区软化的缺陷。

对于薄板来说，冲焊的深冲压操作很关键。

关键词：

激光焊接薄钢板锌的烧损

1概述

现在，安全、轻便和环保在汽车制造工业中变得越来越重要，在保护原有的功能上，和不减小抗震系数的情况下，减少成本的方法是采用新技术和新材料，高强度镀锌电镀钢很好的解决了新材料的问题，拼焊冲压成型技术解决了汽车车身焊接的新技术问题。

这项新技术能够焊接不同的厚度、不同的材料、不同的强度、不同的冲压件和不同的表面材料，因此能制造出完整的大尺寸覆盖件。

使用拼焊冲压成型技术的板，能够保证很高的强度。

近而，减轻汽车的重量和减小制造的工作量，从而降低了成本。

与电阻焊和其它气体保护焊相比，激光焊的优势在于激光束比较集中，线能量大，加热速度快，热影响区小，焊缝成型美观。

因此，激光焊接的特点满足了拼焊冲压成型技术的要求。

我们采用的是自制的连续二氧化碳激光焊（功率为1500W），对车身焊接薄板进行了大量的技术试验，并且得到了比较满意的结果。

2实验步骤

2．1激光焊设备

在本文中，我们使用自制的PHC-1500折叠半封闭型二氧化碳激光焊设备产生连续的激光，输出模式为TEM01。

除此之外，我们采用Zn-Se聚焦，激光参数如表1。

同时，我们也自己制了一个车身焊接夹具来固定工件，以便焊缝变得更光滑，焊接件之间的间隙控制在0.10～0.15mm之间。

表1激光参数

焦距（mm）

束散角（mrad）

焦点深度（mm）

焦点直径（mm）

127

1

3

28

2.2实验材料

新技术中采用了瑞典制造的1.5mm的高强镀锌钢和中国保山钢铁集团生产的普通的薄钢板（BUSD），普通薄钢板的厚度有1.0mm，1.5mm，2.0mm。

高强镀锌钢表面镀锌密度为140g/cm2，钢材的厚度、化学成份及力学性能见表2-4。

高强镀锌钢的常温组织为F（铁素体）+P（珠光体），而普通薄钢板只有P（珠光体），如图1所示，试样大小为100mm×30mm。

表2材料的治金结构

材料序号

M1

M2

M3

M4

材料类型

高强镀锌钢

普通钢

普通钢

普通钢

厚度（d/mm）

1.5

1.0

1.5

2.0

表3材料的化学成份

化学元素

C≤

Si≤

Mn≤

P≤

Cr≤

S≤

Ti≤

M1

0.18

0.5

2.0

0.025

0.8

0.015

–

M2–M3

0.01

–

0.4

0.025

–

0.02

0.2

表4材料力学性能

材料序号

屈服强度（MPa）

抗拉强度（MPa）

伸长率（%）

M1

500～650

800～900

10

M2–M4

120～210

260

44

（a）高强镀锌钢（b）普通钢

图1组织相图

2.3实验方法

图2给出焊缝结构图，焊缝采用对接的方式，考虑到锌对焊缝的影响和焊接薄板深冲压技术的要求，本实验采用了对焊和气保护的方式，这样可把锌对焊缝的影响降到最低，并能有效的抑制F（珠光体）的形成。

为了减小焊接缺陷，焊前用丙酮对焊缝进行清理，并保持干燥。

图2焊缝结构图

首先，焊接实验在高强度镀锌钢中进行。

我们用高强度厚度为1.5mm的钢板与普通钢不同厚度（1.0，1.5，2.0mm）进行焊接。

焊接焦点位于薄板的焊缝之上，从工件表面到镜头之间激光的束散角度小于5°，这样使试样能在操作台上自由移动台阶切断试样的焊接过程，经抛光和酸蚀处理过的试样。

在金相显微镜下检验焊缝。

最后用万能测试机对试样进行力学性能分析，在大量的实验中得出最佳的焊接参数。

3结果与讨论

3.1比较两种保护气体

保护气体的主要作用是防止金属表面氧化，阻止等离子体的形成，从而防止在高功率激光焊时激光能的吸收和散射，在通保护气体充分的情况下，等离子体对焊接过程影响较小。

在焊接时通入N2和Ar保护气体的比较下，我们发现了它们的熔深有些不太一样。

除了以上发现外，还发现硬度和韧性也有些不同。

实验指出，采用N2作为保护气的硬度比采用Ar要高一些。

而对于同一试样来说，采用N2作为的韧性要低于Ar作为保护气氛的韧性。

在两种保护气下，表5给出了两个Erichse编号高强镀锌钢。

我们观察到，如果采用N2做保护气，Erichse编号中碱金属大约为78%，而采用Ar时，大约是90%，这是因为N2在高温下溶入金属，发生了冶金反应。

这样，为了冲焊薄板有比较好的冲压操作。

在焊接过程中，采用Ar作为保护气是最好的选择。

表5高强镀锌钢Erichsen编号

保护气的类型

焊材的序号

滑剂的类型

Erichsen编号IE（mm）

N2

M1–M1

石墨滑脂

8.2

Ar

M1–M1

石墨滑脂

10.2

-

M1

石墨滑脂

10.5

3.2线能量与熔深，熔宽的关系

实验参数：

散焦数量：

－0.4mm

同轴吹Ar速度：

2.5m3/h

偏吹Ar速度：

1.8m3/h

偏吹角度为30°

3.2.1激光焊接高强镀锌钢

高强镀锌钢在夹具上固定，当焊速为1.0m/min时，我们得到了激光功率与熔深、熔宽曲线图，如图3。

当激光功率固定为1300W里，我们可得到焊速与熔深、熔宽图4，对比图3、4得出，在增加功率和焊速时，熔深、熔宽增大，在大功率和低焊速下，有较大的热输入。

因此，增加线能量（焊接功率与焊速之比）可明显增加熔深和熔宽。

当激光功率超过1300W后，熔宽随着功率的增加而明显增加，而熔深增加不明显。

当焊速小于0.8m/min里，熔宽增加非常明显，当焊速大于1.2m/min时，焊缝熔深随着速度增加而有所减小。

综合以上结论得出，当激光功率为1300W里，焊缝结合最佳焊速为1.0m/min。

图3激光功率与熔深、熔宽的关系

图4焊速与熔深、熔宽的关系

3.2.2激光冲焊焊接相同厚度的薄钢板

我们用夹具先固定一块1.5mm厚的高强镀锌钢板，在同一平面上固定相同厚度的普通钢板。

当焊速为1.0m/min时，焊缝激光功率与熔深、熔宽曲线如图5。

除此之外，当激光功率固定为1300W时，焊速与熔深、熔宽曲线图如图6所示，比较图5和图6得出，熔深、熔宽随着激光功率的增加或焊速的降低而增加。

激光功率超过1200W后，熔宽曲线增长很明显，但熔深增加平缓，当焊速低于1.0m/min时，熔宽增加很快，而熔深略有增长。

综上实验得出，当激光功率为1200W时，最佳焊速为0.9m/min。

图5激光功率与熔深、熔宽的关系

图6焊速与熔深、熔宽的关系

3.2.3激光冲焊焊接不同厚度的薄钢板

我们用夹具先固定一块1.5mm厚的高强镀锌钢板，在固定厚度为2.0mm的普通钢板，并且使普通钢板的底表面与高强镀锌钢板的底表面在同一个水平面上。

用同样的方法，我们固定1.5mm厚的高强镀锌钢板和厚度为1.0mm的普通钢板，激光焊要求焊接材料有高边缘性质。

因为钢板不同厚度,当定位夹具定位试样的时候,间隙和工件表面应该被确定，而且夹合误差应该控制在0.15mm内。

在焊接时，为了避免较薄钢板氧化和变形，焊缝的中心应该偏向较厚的钢板。

当焊速为1.1m/min时，我们得到激光功率与熔深、熔宽曲线图如图7。

当激光功率固定为1400W时，我们得到焊速与熔深、熔宽曲线图如图8。

比较图7和图8得出，在焊接不同厚度钢板时，熔深、熔宽的变化趋向与相同厚度钢板焊接的变化趋势相同。

图7激光功率与熔深、熔宽的关系

图8焊速与熔深、熔宽的关系

3.3检验和分析焊缝

3.3.1锌汽化效应的研究

迅速汽化的锌增加了蒸气的压强和湍流度，蒸气的搅拌作用增加了焊缝金属的熔化，而且增加在金属表面上面扩张的等离子体云的涨落。

因此，在激光焊焊接高强镀锌钢板中，锌引起了大量的飞溅和气孔。

同时，它还会扩大热影响区，降低电弧的稳定性。

冷裂纹和气孔的出现，焊缝质量变差，保护聚焦的难度增加。

在大功率激光焊接高强镀锌钢板时，我们采用吹保护气来抑制等离子体云。

从能光谱分析的结果来看，在高强镀锌钢板焊接时，锌的百分含量为0.53%；而在1.5mm高强镀锌钢板与1.0mm普通钢板焊接时，锌在焊缝隙的百分含量为1.32%，但是，在1.5mm高强镀锌钢板与2.0mm普通钢板焊接时，在焊缝隙中没有发现锌元素。

在有保护气氛下，虽然有锌的熔入，但在焊缝中没有发现锌原子和气孔。

除此之外，焊接相同进度的钢板焊缝中的锌含量要高于不同厚中度的锌含量，原因在于，不同的厚度有利于锌的蒸发。

3.3.2焊接接头的显微分析

我们采用MM-6水平金相显微镜分析焊接接头的金相。

高强度镀锌钢板的金相图如图9所示，金相的组织为上贝氏体和低碳马氏体。

拼焊钢板的显微组织结构如图10所示。

在高强度镀锌钢板中微组织结构上贝氏体+低碳马氏体+铁素体。

另一方面,普通钢的焊缝区和热影响区中的所有铁素体组织比母材要粗大得多。

还有，在一普通钢板中，焊缝区和晶粒比热影响区的晶粒细。

在焊缝中出细小的马氏体组织，焊缝很小，焊缝小的原因是激焊接的热输入小，冷却速度快。

实验得出，拼焊焊缝表面非常光滑，另一面焊缝和热影响区高低对称，焊缝成型质量非常美观。

（a）焊缝区；（b）热影响区

图9焊接接头结构图

（a）普通钢板焊缝（b）高强镀锌钢焊缝（c）普通钢板热影响区焊缝

（d）高强镀锌钢热影响区焊缝

图10冲焊焊缝结构图

图11焊缝结构普通视图

3.3.3焊接接头拉伸试验

我在WDW-100万能测试机做焊接接头拉伸试验，WDW-100万能测试机受电脑的控制。

冲焊薄板的机械性能如表6，高强度镀锌钢板焊接接头的强度与母材相同。

甚至抗拉强度σb和屈服强度σs都比普通钢板高。

拉伸试验指出，高强度镀锌钢板断裂部位为热影响区，它说明，激光焊普通钢板和高强度镀锌钢板都不会出现热影响区软化问题。

但是拼焊成型的焊件断裂都出现在普通钢板的那一边，并且断口远离焊缝。

它证明了，拼焊成型的焊件的强度比一般钢板要高。

它有以下几个原因：

焊缝的冷速大约是母材的1.5倍，并且变形小。

此外，冷速很快时，避免了由于厚度不同而引起的应力集中。

表6冲焊钢板的机械性能

冲焊板编号

σb（MPa）

σs（MPa）

A2–A1

325.7

244.3

A3–A1

322.9

246.9

A4–A1

353.2

264.7

A1–A1

927.4

667.2

3.3.4.焊接接头冲压实验

我们用BT6做冲压实验。

试件材料规格是100mm×100mm。

我们采用了端-球形的冲压销压夹紧试，然后加压，直至出现裂纹为止，按Erichsen编号测量，测量结果在表7给出。

表7焊接接头冲压实验

材料编号

对接厚度

滑剂的类型

平均Erichsen编号（IE）

A2-A1

1.0/1.5

石墨滑脂

8．2

A3-A1

1.5/1.5

石墨滑脂

7．7

A4-A1

2.0/1.5

石墨滑脂

6．8

A4

2.0

石墨滑脂

13．5

A1

1.5

石墨滑脂

10．5

表7显示出，Erichsen编号拼焊相同的钢板的收缩量为20%。

同时,Erichsen编号拼焊不同钢板的收缩量为35%，这是因为不同钢板拼焊时焊接中心线偏向了厚板的一边。

Erichsen编号厚为1.5mm高强度镀锌钢板和厚为1.0mmBUSD钢板的效果最好，深冲性最好。

焊缝的硬度高于母材，而塑性有所降低。

结果影响了冲压性能。

4结论

（1）在很多焊接汽车车身实验中得出，采用Ar做为保护气比N2做为保护气的深冲性能的要好。

（2）在这篇论文中，我们得到了激光功率和焊速与熔深和熔宽的关系。

（3）通过本文得出，在通保护气的情况下，锌的百分含量能被有效的控制，而且不会出现气孔、裂纹和热影响区软化等缺陷。

另一方面，焊缝的机械性能有所改善，焊缝及热影响区的晶粒得到细化。

同时，拼焊冲压成型的钢板比其它一般的钢板的强度要高。

这项技术已经成功运用到中国上海大众汽车公司的防盗门上。