C型激光焊縫靜力性能與工藝關(guān)鍵因素研究

古志皓

(上海航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司,上海 201906)

0 引言

遠(yuǎn)程激光焊接作為一種高效精密的焊接方式，與傳統(tǒng)鋼點(diǎn)焊相比，在精度、效率、用戶(hù)感知、可達(dá)性等方面有諸多優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用遠(yuǎn)程激光焊，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化和提升第二表面外觀品質(zhì)的目的。目前，已被廣泛應(yīng)用于白車(chē)身鈑金零件設(shè)計(jì)領(lǐng)域：如凱迪拉克CT5應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)艙水箱橫梁區(qū)域，代替燒焊以提高外觀質(zhì)量；福特在A柱區(qū)域使用激光焊接，實(shí)現(xiàn)了液壓成型零件與車(chē)身的連接，等等[1]。

與傳統(tǒng)點(diǎn)焊不同的是，激光焊接的焊縫質(zhì)量對(duì)鍍鋅鈑金間隙十分敏感。這是因?yàn)榧す夂附渝冧\鋼板時(shí)，由于鋅的沸點(diǎn)(906 ℃)低于鋼的熔點(diǎn)(1 530 ℃)，鋅急劇蒸發(fā)。如果不留間隙，鋅蒸汽在兩層板中間會(huì)通過(guò)小孔排出，排擠熔化金屬，導(dǎo)致熔化金屬液流動(dòng)不穩(wěn)定，容易飛濺，同時(shí)激光穿透能力也降低。但若間隙過(guò)大，焊接時(shí)熔化的金屬過(guò)多參與間隙填充，焊縫表面凹陷較大。特別是對(duì)于薄板焊接，當(dāng)間隙大于0.3 mm時(shí)，凹陷嚴(yán)重[2-5]。因此，研究鈑金間隙對(duì)激光焊接的影響就顯得尤為重要。

激光焊縫可實(shí)現(xiàn)多種形狀，以往研究表明，相比于I型、S型以及O型焊縫，C型焊縫最大拉剪力相對(duì)更優(yōu)。因此，本文作者重點(diǎn)研究C型焊縫。通過(guò)大量料片試驗(yàn)，獲得了不同開(kāi)口方向、不同圓弧直徑大小以及不同間隙的C型激光焊縫外觀質(zhì)量以及力學(xué)性能表現(xiàn)，確定了開(kāi)口方向、最佳圓弧直徑以及從薄板到厚板焊接時(shí)鈑金間隙的最佳值。

1 試驗(yàn)料片選取及試驗(yàn)方法

料片材料選取車(chē)身鈑金常用的CR3與CR340組合，料厚選取常用的0.8 mm與2.1 mm以及突破點(diǎn)焊1∶3料厚比限制的0.65 mm與2.6 mm組合，鍍鋅層均為HD60G60G，如表1所示。通過(guò)激光搭接焊接方式獲得C型焊縫試樣。分析焊縫外觀形貌以及金相組織，研究搭接間隙對(duì)焊縫質(zhì)量的影響；進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)，研究激光搭接焊的力學(xué)性能。圖1為焊接樣件示意圖。

表1 不同料片組合

圖1 焊接樣件示意

2 C型焊縫開(kāi)口方向和圓弧直徑研究

為確定C型焊縫開(kāi)口方向?qū)す夂附恿W(xué)性能影響，選擇上板為薄板、下板為厚板進(jìn)行研究。以?xún)砂逯g焊縫受到上板力的方向做區(qū)分，焊縫示意圖如圖2所示，虛線(xiàn)表示兩板之間焊縫受到上板力的方向，圖2(a)和圖2(b)分別為指向C型焊縫中心方向和遠(yuǎn)離焊縫中心方向。

圖2 C型焊縫不同開(kāi)口方向(俯視圖)

圖3為不同開(kāi)口方向下剪切力的載荷-位移曲線(xiàn)。

圖3 不同開(kāi)口方向C型焊縫剪切方向載荷-位移曲線(xiàn)

由圖可知，彈性變形階段，起始斜率較小，隨后載荷迅速上升；到達(dá)屈服階段時(shí)，上升緩慢，屈服階段載荷略微有波動(dòng)；當(dāng)達(dá)到屈服極限時(shí)發(fā)生斷裂時(shí)，載荷最大，隨后急劇下降。兩種開(kāi)口方向焊縫可承受的最大剪切力分別為4.64 kN和4.79 kN，數(shù)值比較接近，僅相差3%?？梢?jiàn)，C型焊縫開(kāi)口方向?qū)缚p力學(xué)性能影響不明顯，即C型焊縫不同開(kāi)口方向?qū)ψ畲蠹羟辛χ禌](méi)有表現(xiàn)出明顯的各向異性，可以認(rèn)為是各向同性。由此，在實(shí)際應(yīng)用中，不必過(guò)多考慮C型激光焊縫的開(kāi)口方向。

以往研究表明，長(zhǎng)度為22.5 mm的激光焊縫強(qiáng)度可等效于一個(gè)點(diǎn)焊強(qiáng)度。為確定C型激光焊縫圓弧直徑對(duì)力學(xué)性能影響，保持焊縫總長(zhǎng)22.5 mm不變，分別選擇焊縫圓弧段直徑為5.5、6.0 mm進(jìn)行試驗(yàn)。圖4為兩種焊縫的載荷-位移曲線(xiàn)，兩種焊縫可承受最大剪切力分別為4.79、4.25 kN，圓弧直徑為5.5 mm的力值高12.7%，二者發(fā)生屈服時(shí)的位移分別為3.0 mm和3.05 mm，幾乎完全一致。對(duì)比可知，保持長(zhǎng)度22.5 mm不變，從薄板到厚板焊接的C型激光焊縫，圓弧直徑為5.5 mm的力學(xué)性能優(yōu)于6.0 mm。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中，為控制變量，統(tǒng)一C型焊縫方向與圖2(b)相同，即焊縫受上板力方向?yàn)檫h(yuǎn)離焊縫中心方向，圓弧直徑5.5 mm。

圖4 不同圓弧直徑C型焊縫剪切方向載荷-位移曲線(xiàn)

3 不同間隙激光焊縫力學(xué)性能研究

為研究鈑金間隙對(duì)激光焊接性能的影響，需要確定焊縫不焊穿時(shí)的最大間隙。通過(guò)測(cè)試兩種料片組合發(fā)現(xiàn)，由薄板向厚板焊接，在0.65 mm+2.6 mm組合間隙大于0.3 mm或0.8 mm+2.1 mm組合間隙大于0.4 mm時(shí)，焊縫收弧處會(huì)有連接不上的情況發(fā)生。因此，確定由薄板向厚板焊接兩種料厚組合的最大間隙分別為0.3、0.4 mm。

表2給出了9組不同間隙的料片組合的失效模式和平均最大拉剪力，其中每組包含9個(gè)樣件。表中可以看出，無(wú)論哪種材料組合，從薄板到厚板焊接，間隙為0.15 mm時(shí)剪切力均比其他間隙要大，且外觀質(zhì)量最好；從厚板到薄板焊接時(shí)，0.65 mm+2.6 mm組合下0.3 mm間隙和0.8 mm+2.1 mm組合下0.4 mm間隙與各自0.15 mm間隙時(shí)的平均最大拉剪力相差不大。

表2 不同間隙料片組合失效模式和平均最大拉剪力

圖5為每組樣件斷裂位置照片。圖5(a)顯示，間隙為0時(shí)，焊縫斷裂。主要是因?yàn)殚g隙為0時(shí)飛濺很大，焊縫缺陷嚴(yán)重，拉伸時(shí)不是斷裂在熱影響區(qū)，而是斷裂在焊縫上。對(duì)于其他間隙，當(dāng)從薄板到厚板焊接時(shí)，如圖5(b)、5(c)、5(f)、5(g)所示，斷裂位置均為薄板焊縫熱影響區(qū)；從厚板到薄板焊接時(shí)，如圖5(d)、 5(e)、 5(h)、 5(i)所示，斷裂位置均為薄板焊縫起止點(diǎn)間的母材。這是因?yàn)樵囼?yàn)采用的料厚組合為0.65 mm+2.6 mm和0.8 mm+2.1 dmm，厚板到薄板焊接，雖然厚板焊縫處凹陷嚴(yán)重，但是厚板發(fā)生凹陷處的料厚仍然超過(guò)原料厚的2/3，仍然大于薄板料厚，因此斷裂均在薄板上。

圖5 不同板料間隙斷裂位置

圖6為每組樣件最大剪切力測(cè)量值。圖6(a)中，間隙為0時(shí)的剪切力均比其他間隙時(shí)偏小，且波動(dòng)較大，因此力學(xué)性能最差。

圖6 不同間隙、不同焊接方向下最大剪切力

圖6(a)和(c)中，從薄板向厚板焊接，間隙為0.15 mm時(shí)剪切力最大，也最穩(wěn)定。間隙為0.3 mm或0.4 mm時(shí)剪切力相對(duì)較小，主要原因是間隙變大，焊縫表面凹陷變大，且收弧處出現(xiàn)未焊接上的現(xiàn)象，造成剪切力小于0.15 mm間隙時(shí)的剪切力。

圖6(b)和(d)中，從厚板向薄板焊接，間隙為0.15 mm時(shí)剪切力波動(dòng)較大。但其力學(xué)性能變化不大，是因?yàn)楸“逄幒缚p較飽滿(mǎn)，缺陷大部分集中在厚板部分，拉伸時(shí)薄板焊縫起止點(diǎn)間母材斷裂，所以對(duì)其力學(xué)性能沒(méi)有太大影響。間隙為0.3 mm或0.4 mm時(shí)，剪切力上下浮動(dòng)范圍較小，說(shuō)明從厚板向薄板焊接，間隙相對(duì)較大時(shí)更穩(wěn)定，其力學(xué)性能也與從薄板到厚板焊接最佳間隙0.15 mm時(shí)的力學(xué)性能差不多。但是這種從厚板向薄板焊接的方式所需激光功率高，焊接速度慢。

通過(guò)以上研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)從薄板到厚板激光焊接時(shí)，最佳間隙為0.15 mm，力學(xué)性能最好；

(2)從厚板到薄板激光焊接時(shí)，相對(duì)于同樣料厚組合從薄板到厚板焊接，達(dá)到相同的力學(xué)性能，所需激光的功率高，焊接速度慢。

4 不等間隙激光焊縫力學(xué)性能研究

在實(shí)際生產(chǎn)制造中，考慮生產(chǎn)變動(dòng)的容差性，由于零件變形、加工精度等原因，零件之間間隙不可能保證完全一致。為了在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，研究不等間隙焊縫是否可與等間隙焊縫的力學(xué)性能等效，就顯得很有必要。

文中選取兩種材料組合分別為0～0.3 mm和0～0.4 mm過(guò)渡間隙進(jìn)行研究，料片示意圖如圖7所示。表3及圖8表明，兩種組合變間隙C型焊縫剪切力分別在 5.2和8.1 kN左右，與各自對(duì)應(yīng)的材料組合在最佳間隙0.15 mm時(shí)的剪切力數(shù)值相當(dāng)，焊縫成形也差不多，說(shuō)明不等間隙中間值與最佳間隙0.15 mm差別不大時(shí)，不等間隙的C型焊縫可以代替最佳間隙的C型焊縫。其主要原因是0～0.3 mm變間隙時(shí)中心處的間隙為0.15 mm，0～0.4 mm變間隙時(shí)中心處的間隙為0.2 mm，與最佳間隙0.15 mm相同或差別不大，且C型焊縫平行于板寬方向的長(zhǎng)度較小，焊縫相對(duì)集中在C型曲線(xiàn)中心相對(duì)較近位置。

圖7 不等間隙料片示意

表3 不等間隙的C型焊縫最大剪切力

圖8 不等間隙的C型焊縫剪切方向載荷-位移曲線(xiàn)

由此試驗(yàn)可知，零件之間間隙在最佳間隙附近有微小變化時(shí)，對(duì)焊縫性能影響不大。因此遠(yuǎn)程激光焊接可以在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用。

5 結(jié)論

文中通過(guò)料片試驗(yàn)，綜合研究了C型激光焊縫的開(kāi)口方向、圓弧半徑以及板料間隙對(duì)外觀質(zhì)量以及力學(xué)性能的影響，可以得到如下結(jié)論：

(1)開(kāi)口方向?qū)缚p力學(xué)性能影響不大，焊縫基本表現(xiàn)為各向同性；

(2)保持焊縫長(zhǎng)度22.5 mm不變，從薄板到厚板焊接，圓弧直徑為5.5 mm的力學(xué)性能優(yōu)于6.0 mm；

(3)從薄板到厚板激光焊接，最佳間隙為0.15 mm，外觀質(zhì)量和力學(xué)性能均較好；

(4)從厚板到薄板激光焊接，相對(duì)于同樣料厚組合從薄板到厚板焊接，達(dá)到相同的力學(xué)性能，所需激光的功率高，焊接速度慢;

(5)零件之間間隙在最佳間隙附近有微小變化時(shí)，不等間隙的C型焊縫可以與最佳間隙的C型焊縫等效。