工藝參數(shù)對(duì)激光掃描焊接接頭形貌及性能的影響

李路雨 ， 羅子藝， 易耀勇， 胡永俊， 郝佳慧

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) ，廣州 511436；2. 廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣州 510650)

0 前言

目前，鍍鋅板的焊接方法主要有電阻點(diǎn)焊、電弧焊、激光焊等。但都有著各自的不足之處，如采用電阻焊時(shí)，鋅的電阻率較低、鋅層的熔化會(huì)導(dǎo)致電流密度的減小[1]；采用電弧焊或激光焊時(shí)，由于鋅與鋼的沸點(diǎn)相差較大，導(dǎo)致焊接過程中易出現(xiàn)氣孔、飛濺等缺陷[2]。

基于此，需開發(fā)更為先進(jìn)、優(yōu)化的焊接工藝來獲得高質(zhì)量焊縫，如采用預(yù)掃描焊接[3]、激光填絲釬焊[4]、激光掃描焊接[5]等。其中激光掃描焊接是一種新型高效的激光焊接技術(shù)，相比于傳統(tǒng)激光焊接，激光掃描焊接技術(shù)具有工作距離長(zhǎng)、掃描范圍廣、靈活性高、可有效抑制氣孔缺陷等特點(diǎn)[6-7]，因此該焊接技術(shù)更適合用于鍍鋅板的焊接。關(guān)于鍍鋅板的掃描焊接工藝國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，在抑制焊縫缺陷和改善焊縫宏觀形貌方面取得重要突破[8-12]，如劉源等人[8]在掃描焊接鍍鋅板開始階段增加一段功率緩升曲線，在疊焊末端增加功率緩降曲線，從而改善焊縫余高過高、裂紋、凹坑等問題；Xiong等人[9]采用螺旋形掃描焊接方法研究焊接工藝參數(shù)對(duì)氣孔的抑制作用；Yang等人[10]研究了激光掃描焊接工藝在鍍鋅板搭接焊中的應(yīng)用，研究表明，掃描焊接可以穩(wěn)定熔池，抑制氣孔產(chǎn)生。此外，對(duì)焊接飛濺的數(shù)值模擬及熔池小孔的動(dòng)態(tài)行為研究也開始涌現(xiàn)[11-13],以便更好地控制焊接參數(shù)。但對(duì)于激光掃描焊接鍍鋅板接頭顯微組織的研究尚少。

文中以1.5 mm厚DP 780鍍鋅板為試驗(yàn)材料，采用激光掃描焊接方法，研究掃描焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形、顯微組織及拉伸性能的影響，并獲得最佳工藝參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑镈P 780鍍鋅板，尺寸為200 mm× 100 mm×1.5 mm,其主要化學(xué)成分如見表1。試驗(yàn)采用搭接焊方式，搭接部分尺寸30 mm，焊接示意圖如圖1所示。

表1 DP780鍍鋅板主要化學(xué)成分

圖1 激光掃描焊接示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

焊接系統(tǒng)采用碟片激光掃描焊接系統(tǒng)，激光器型號(hào)為Trumpf Trudisk 10002,波長(zhǎng)1 020 nm,最大連續(xù)輸出功率10 kW，掃描光學(xué)系統(tǒng)型號(hào)為Trumpf PFO 3D，聚焦焦距450 mm。焊接過程中，通過KUKA KR 60 機(jī)械手移動(dòng)掃描振鏡，將激光束聚焦在工件表面，在焊接過程中保持焦距不變，掃描軌跡為直線“1” 形。焊接裝置如圖2所示。

圖2 激光掃描焊接系統(tǒng)

掃描焊接工藝參數(shù)見表2，焊接前用酒精擦拭焊件表面。焊接接頭經(jīng)外觀檢查和X射線無損檢測(cè)后，在焊后試件上取樣做成20 mm×10 mm金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，并在金相顯微鏡下觀察焊縫橫截面組織形貌。按照GB/T 2651—2008設(shè)計(jì)力學(xué)性能測(cè)試件的尺寸規(guī)格，采用GB-TS 2000M拉伸機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣尺寸如圖3所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各組無損檢測(cè)結(jié)果顯示，焊接接頭均未發(fā)現(xiàn)氣孔存在。表明試驗(yàn)試板焊接裝配間隙合適，為鋅蒸汽的逸出提供足夠的空間[14]。

2.1 激光功率對(duì)焊縫成形影響

采用表2中1～4組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得不同激光功率下的焊接接頭，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由3號(hào)試樣可以看到，激光功率2.0 kW時(shí)，搭接處接近焊透，焊縫表面出現(xiàn)輕微咬邊現(xiàn)象；激光功率2.5 kW時(shí)，1號(hào)試樣完全焊透，咬邊顯著減少但部分焊縫表面燒損，出現(xiàn)內(nèi)凹現(xiàn)象；激光功率3.0 kW時(shí)，2號(hào)試樣咬邊消失但部分焊縫表面內(nèi)凹嚴(yán)重。由此看出，隨焊接功率增大，焊縫熔深增大，咬邊現(xiàn)象得到抑制；全熔透焊接時(shí)，焊縫表面部?jī)?nèi)凹量隨激光功率增加而增大。

圖4 不同激光功率下試驗(yàn)結(jié)果

分析認(rèn)為，激光功率在2.5 kW以下時(shí)，焊接熱輸入小，熔融金屬較少，且焊接過程中凝固收縮快，金屬液來不及向兩側(cè)補(bǔ)充，因此出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象。隨焊接功率增大，熔融金屬增多，從而抑制焊縫咬邊直至消除。激光功率大于2.5 kW焊時(shí)，因焊速過小且熔寬增大，導(dǎo)致焊縫表面金屬過燒，金屬液向兩側(cè)流動(dòng)增強(qiáng)造成中間內(nèi)凹現(xiàn)象出現(xiàn)[15]。因此，適當(dāng)增加激光功率有利于咬邊現(xiàn)象的消失，但同時(shí)也要注意焊接速度的調(diào)控，避免焊縫表面塌陷和內(nèi)凹現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 焊接速度對(duì)焊縫成形影響

采用表2中5～9組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)不同焊接速度下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖5所示。焊接速度在35 mm/s時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)輕微咬邊,內(nèi)凹程度顯著減??；焊接速度45～55 mm/s時(shí)，表面內(nèi)凹逐漸消失，但在焊接速度55 mm/s時(shí)，咬邊現(xiàn)象更為明顯；繼續(xù)增大焊接速度至65～75 mm/s時(shí)，搭接處未焊透。由此可以看出，全熔透焊接速度范圍內(nèi)，焊縫表面咬邊程度隨焊接速度的增加而增大，表面內(nèi)凹程度隨焊速增大而減小直至消失。

圖5 不同焊接速度的試驗(yàn)結(jié)果

分析認(rèn)為，隨焊接速度增加，焊接熱輸入減小，焊縫燒損減少，內(nèi)凹現(xiàn)象逐漸減弱直至消失。咬邊現(xiàn)象的發(fā)生主要是因?yàn)殡S焊接速度的增大，熔融金屬液的體積減少及焊接冷卻速度增加導(dǎo)致熔池金屬液流動(dòng)性降低來不及向兩側(cè)鋪展補(bǔ)充。在相同的焊接功率下，焊接速度為45 mm/s時(shí)，焊接接頭成形較好。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭顯微組織影響

2.3.1激光功率對(duì)顯微組織影響

圖6為不同功率下焊縫中心區(qū)顯微組織，主要由板條狀馬氏體和馬氏體群組成，鐵素體含量極少?？梢钥吹剑S激光功率增大，馬氏體群含量增加、尺寸增大，在功率3.0 kW并伴有針狀馬氏體生成。分析認(rèn)為，隨激光功率增大，焊接熱輸入增加，焊接接頭溫度升高且高溫停留時(shí)間也越長(zhǎng)，大量鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體并處于過熱狀態(tài)，冷卻后得到的馬氏體和鐵素體組織也越粗大。

圖6 激光功率對(duì)焊縫區(qū)顯微組織影響

圖7為不同功率下焊接接頭細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)顯微組織。粗晶區(qū)靠近焊縫中心，焊接時(shí)該區(qū)加熱到Ac3溫度以上，高溫奧氏體晶粒會(huì)發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大，在快冷后生成粗大的馬氏體和鐵素體組織。細(xì)晶區(qū)所處的溫度較低且靠近母材冷卻速度較快，焊后形成細(xì)小的板條狀馬氏體和鐵素體組織。分析對(duì)比可知，隨激光功率增加，細(xì)晶區(qū)等軸晶尺寸增加，鐵素體含量逐漸減少，馬氏體板條束略微變長(zhǎng)，但尺寸變化并不明顯；粗晶區(qū)內(nèi)馬氏體尺寸隨激光功率增大發(fā)生明顯增大，鐵素體含量極少。主要是因?yàn)楣β试龃螅瑹嵊绊憛^(qū)內(nèi)熱輸入會(huì)增加，高溫下轉(zhuǎn)變的奧氏體晶粒尺寸粗大，所以形成的板條馬氏體隨功率增加而增大。

圖7 激光功率對(duì)細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)影響

2.3.2焊接速度對(duì)顯微組織的影響

圖8是不同焊接速度下各試樣焊縫中心顯微組織。由圖8a、圖 8b可以看到,在低速焊接時(shí)，焊縫中出現(xiàn)大量細(xì)長(zhǎng)的針狀馬氏體；在焊接速度45～55 mm/s時(shí)，針狀馬氏體幾乎消失，焊縫主要由板條馬氏體及少量貝氏體組成。繼續(xù)增大焊接速度，如圖8e、圖8f所示，此時(shí)板條馬氏體尺寸較小，其含量也隨焊接速度增大而降低、鐵素體含量增加。分析認(rèn)為，隨焊接速度增大，焊接熱輸入減小，在一定速度范圍內(nèi)，可獲得含有大量馬氏體的焊縫組織。超過這個(gè)范圍，焊速過大，焊接過程熱循環(huán)溫度較小，高溫下轉(zhuǎn)變成的奧氏體也較少，凝固形成的馬氏體含量也越低。

圖8 焊接速度對(duì)焊縫顯微組織影響

圖9和圖10為焊接速度對(duì)焊接接頭熱影響區(qū)組織的影響。焊接速度從25 mm/s增大至75 mm/s過程中，細(xì)晶區(qū)馬氏體組織隨焊接速度增大變小，但變化幅度不是很明顯。由圖10a、圖10b可以看到，焊接速度較低時(shí)，粗晶區(qū)馬氏體板條束尺寸較為粗大，且鐵素體含量很少。隨焊速增大，馬氏體束尺寸逐漸減小，鐵素體含量有所增加，在焊接速度45～55 mm/s時(shí)，粗晶區(qū)組織比較均勻。

圖9 焊接速度對(duì)細(xì)晶區(qū)組織影響

圖10 焊接速度對(duì)粗晶區(qū)組織影響

2.4 工藝參數(shù)對(duì)接頭拉伸性能影響

選取1～4組、5～9組參數(shù)下獲得的焊接接頭分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每組取3個(gè)拉伸試樣測(cè)試，并取平均值。

圖11顯示了激光功率及焊接速度對(duì)拉伸性能的影響。如圖11a所示，隨激光功率增大，接頭最大拉伸載荷增加，在焊接功率3.0 kW時(shí)取得最大值。這是因?yàn)?，隨焊接功率增大，熔化的金屬量增加，所以最大拉伸載荷增加。圖11b為5～9號(hào)焊接接頭最大拉伸載荷的擬合結(jié)果，隨焊接速度增大，最大拉伸載荷呈先增大后減小趨勢(shì)，這與理論上有所差異，可能是因?yàn)楹附咏宇^發(fā)生軟化或焊縫出現(xiàn)咬邊的影響。因此對(duì)這幾組試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，檢驗(yàn)接頭是否出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

圖11 工藝參數(shù)對(duì)接頭拉伸性能影響

圖12為5～9號(hào)試樣焊接接頭顯微硬度分布。可以看到，不同焊接速度下顯微硬度變化趨勢(shì)大致相同，從母材到焊縫中心，顯微硬度均經(jīng)歷一個(gè)先減小后增大的過程。因此，認(rèn)為各試樣焊接接頭出現(xiàn)了軟化區(qū)，該區(qū)在焊接過程中，因離焊縫中心較遠(yuǎn)，所受熱循環(huán)溫度小，達(dá)到相變溫度的組織少，大部分鐵素體組織發(fā)生重結(jié)晶形成鐵素體顆粒，而達(dá)到相變點(diǎn)溫度的鐵素體冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，導(dǎo)致該區(qū)硬度降低。圖13為不同焊接速度下軟化區(qū)硬度最低值與母材平均硬度對(duì)比，可以看到隨焊接速度增大，硬度最低值也發(fā)生增大，接頭軟化程度減弱?；诖?，圖11b中焊接速度在55～75 mm/s時(shí)，最大拉伸載荷隨焊接速度增加而增大，是因?yàn)楹附铀俣仍龃螅宇^軟化程度減小造成的。但焊接速度在35～55 mm/s范圍內(nèi)，最大拉伸載荷卻沒因焊接速度增大和軟化程度降低而減小，主要是因?yàn)楹缚p咬邊的影響，由圖5可知，在此焊接速度范圍內(nèi)，咬邊程度隨焊接速度增大，導(dǎo)致這幾組試樣最大拉伸載荷較低。由此可以看到，咬邊的出現(xiàn)，對(duì)焊接接頭拉伸性能至關(guān)重要。

圖12 焊接接頭硬度分布曲線

圖13 不同焊接速度下軟化區(qū)硬度變化

3 結(jié)論

(1)通過單因素試驗(yàn)方法，分析了焊接功率和焊接速度對(duì)焊縫成形影響。焊接功率3 kW,焊接速度45 mm/s時(shí)，在得到較高質(zhì)量焊縫形貌同時(shí)，焊縫熱影響區(qū)可獲得均勻組織且焊接接頭具有較高拉伸載荷，該工藝參數(shù)最適。

(2)適當(dāng)增加焊接速度有利于消除焊縫表面內(nèi)凹現(xiàn)象。焊縫中心主要由板條馬氏體組成，熱影響區(qū)主要由馬氏體和鐵素體組成，在不同位置馬氏體和鐵素體的含量有所相同。隨焊接功率增大或焊接速度減小，焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)鐵素體含量減少、馬氏體含量增加、馬氏體束尺寸增大。

(3)焊接接頭出現(xiàn)軟化區(qū)，該區(qū)相較于母材硬度降低，增大焊接速度有利于消除接頭軟化程度，在焊速55～75 mm/s范圍內(nèi)，焊接接頭軟化程度隨焊速增大而減小。