車用高強鋼激光焊接工藝參數優化

馮艷鵬，朱加雷，焦向東，石庭深，張永明,楊寶林，馬銘言

（北京石油化工學院 機械工程學院，北京102617）

車用高強鋼激光焊接工藝參數優化

馮艷鵬，朱加雷，焦向東，石庭深，張永明,楊寶林，馬銘言

（北京石油化工學院 機械工程學院，北京102617）

激光焊接可以實現能量輸入連續變化，對薄板焊接優勢突出。焊接效果受激光功率、焊接速度、離焦量、氣體保護等因素影響。為快速確定高強鋼的最佳焊接參數，采用正交試驗設計方法，分別分析各因素水平下對接和搭接焊接接頭的抗拉伸和抗剪切性能指標。通過方差分析，確定最佳工藝參數的參考值，再結合焊縫形貌，確定最終優化參數。實驗表明，針對1 mm厚的DP590高強鋼板，當激光功率1.8 kW、焊接速度25 mm/s、正離焦量2 mm時對接焊質量最優；激光功率2.2 kW、離焦量-2 mm、焊接速度15 mm/s時搭接焊質量最優。

車用高強鋼；激光焊接；正交試驗；力學分析

0 前言

DP590高強鋼的微觀組織主要為鐵素體和馬氏體，并且馬氏體組織以島狀彌散分布在鐵素體機體上。鐵素體使高強鋼具備較好的成形性，馬氏體使其具有較高的強度。與普通高強鋼相比，DP590高強鋼成分控制更加精確、機械性能更加穩定、具備更好的成形性能，在汽車工業領域具有很好的應用前景。激光焊接具有焊接速度快、熱輸入可控、焊后變形小、焊接參數穩定便于自動化控制等優點，除此之外，激光焊接過程中產生的小孔效應和壁聚效應能大大改善激光與物質的相互作用，增大焊縫的深寬比，更重要的是，焊接過程中激光對焊縫有凈化效應，使焊縫中的有害元素大大減少，表面更加光潔[1-2]。針對DP590材料進行激光焊接工藝的研究，因為激光焊接的控制參數比較多，試驗量巨大，采用正交實驗設計可以減少實驗次數，縮減工作量同時還可以定性和定量的分析各個參數對試驗結果的影響程度。本實驗的順利開展將為DP590高強鋼板在汽車行業的大量使用打下一定的技術基礎。

1 實驗程序和設備

試驗母材選用200 mm×60 mm×1 mm的DP590高強鋼，采用4 kW的IPG光纖激光焊接設備進行焊接。焊接過程采用氬氣保護，防止焊縫材料被氧化。焊接接頭采用對接和搭接兩種形式。調節各工藝參數進行連續激光焊接，焊后對焊縫進行檢測，確定無超標缺陷后制作相應的性能測試試件，進行拉伸試驗和剪切試驗。

2 建立正交試驗模型

高強鋼激光焊接的影響因素有激光功率、焊接速度、離焦量、保護氣體流量、線能量、功率密度等，合適的線能量是焊接成功的前提，但為避開激光功率、速度、線能量的交互效應，選取激光功率、焊接速度、離焦量三個因素進行正交試驗設計，每個因素取4個水平，即L1（643），其中激光功率變化1.2～2.2 kW，對接焊速度變化20～35 mm/s，搭接焊接速度變化10～17.5 mm/s，離焦量變化-2～5 mm，查閱正交試數據驗表格式，確定試驗參數見表1[3]。

表1 試驗參數

3 實驗結果分析

3.1 測試試樣

對接焊縫的拉伸強度和搭接焊縫的抗剪切強度是薄板焊接力學性能最基本也是首要的測試指標，必須進行拉伸性能和抗剪切性能測試實驗[4]。選取經檢驗合格的試板，按照GB2651-89《焊接接頭拉伸試驗方法》和GB2652-89《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》制作焊接拉伸試件。試件如圖1、圖2所示。

圖1 對接拉伸試樣

圖2 搭接拉伸試樣

3.2 對接實驗結果分析

通過實驗數據繪制如下因素與指標的趨勢圖，如圖3所示，針對因素水平對實驗指標變化的影響趨勢進行直觀分析。

為保證實驗數據的正確性，同一焊接參數下取三個試件實驗指標的平均值。通過對圖3a分析可知，當激光功率小于1.8 kW時，抗拉強度隨著激光功率的提高而快速增大；當激光功率大于1.8 kW時，抗拉強度隨著激光功率的提高而緩慢減小；當激光功率等于1.8 kW時，抗拉強度取得最大值，但與2.2kW時的抗拉強度差值不大。通過對圖3b分析可知，當焊接速度低于25 mm/s時，抗拉強度隨著焊接速度的提高而緩慢增加；當焊接速度大于25 mm/s時，抗拉強度隨著焊接速度的提高而快速減小；當焊接速度等于25 mm/s時，抗拉強度達到最大值且與20 mm/s時的抗拉強度差值不大。通過對圖3c分析，可以得出當離焦量小于2mm時，抗拉強度隨著離焦量的增大而快速增大；當離焦量大于2 mm時，抗拉強度隨著離焦量的增加而緩慢減小且與離焦量為5 mm時差值不大。對于離焦量而言，雖然正離焦2 mm的抗拉強度大于5 mm時的抗拉強度，但是離焦量越大，光斑直徑越大，對被焊件的組對間隙要求越低，對實際生產越有利。因為激光功率1.8 kW、焊接速度25 mm/s、正離焦量2 mm的參數并沒有在正交數據表中，所以在激光功率1.8 kW、焊接速度25 mm/s、正離焦量2 mm最佳參數下進行焊接實驗，并與正離焦5 mm下焊接結果進行對比分析。一般情況下，離焦量越大，光斑直徑就越大，焊縫寬度就越大。經對比，正離焦量2 mm試件的焊縫和熱影響區寬度反而大于正離焦量5 mm的試件且均在母材斷裂。原因分析如下，雖然正離焦量5 mm的光斑直徑大于2mm的，但正離焦量2mm的功率密度大于5 mm的，由此引起正離焦量2 mm的溫度梯度大于5 mm的，導致Marangoni對流和浮力效應引起的對流對熔寬影響作用強于光斑直徑對熔寬的影響[5]。在滿足力學指標的前提下，窄焊縫相對較好，所以激光功率1.8 kW，焊接速度25 mm/s，正離焦量5 mm下焊接效果更優。

圖3 不同因素對抗拉強度影響趨勢

3.3 搭接實驗結果分析

不同因素對剪切強度影響趨勢如圖4所示。

圖4 不同因素對剪切強度影響趨勢

由圖4a可知，抗剪切強度隨著激光功率的提高而增大。1.5 kW以上時，抗剪切強度差值不大，在2.2 kW時達到最大值。由圖4b可知，焊接速度在12.5 mm/s以下，抗剪切強度隨著焊接速度的增加而減小；焊接速度在12.5～15 mm/s時，抗剪切強度隨著焊接速度的增加而有輕微增加；焊接速度超過15 mm/s時，抗剪切強度又急速減小。由圖4c可知，抗剪切強度隨著離焦量的增加而減小，在負離焦2 mm時取最大值。

4 正交試驗方差分析

表2 對接焊接方差分析數據

表3 搭接焊接方差分析數據

方差分析不僅能夠分析作用能力的相對大小，還能分析各因素的顯著性水平。通過方差分析，可以為實驗因素及因素水平選取提供方向并對選取的因素水平進行合理性驗證[6]。用spss軟件對實驗數據進行方差分析，分析結果如表2、表3所示。由表2可知，對接焊時三因素的Sig.值均小于0.01且Fv> FΔf>Fp，說明焊接速度、離焦量、激光功率是高度顯著性因素，同時焊接速度、離焦量、激光功率對抗拉強度影響的作用能力依次減弱。單獨從抗拉強度上分析，各因素最佳水平應取在試驗指標值最佳處，但焊縫質量還包括焊縫形貌（如熔寬、熔深、焊縫形狀等），應再結合外觀確定最終的最佳工藝參數。對接焊激光功率1.8 kW，焊接速度25 mm/s，正離焦量5 mm的工藝參數符合方差分析結果，選取合理。由表3可知，搭接焊時三因素的Sig.值均小于0.05且Fv>FΔf>Fp，說明焊接速度、離焦量、激光功率均是顯著性因素，同時焊接速度、離焦量、激光功率對抗剪切強度影響的作用能力依次減弱。實際生產中應綜合考慮焊縫外觀和生產效率。因此搭接焊在首先選定激光功率最佳水平參考值2.2 kW、離焦量最佳水平參考值-2 mm后，對焊接速度進行調整，即進行焊接速度為10 mm/s、12.5 mm/s、15 mm/s下的焊接試驗。對比測試結果后發現，15 mm/s的試件力學性能和外觀最優。

5 結論

針對1 mm厚的DP590對接和搭接激光焊，采用正交試驗設計和方差分析，不僅大大減少了試驗數量和耗材，而且利用力學指標的方差分析結果為焊接因素水平提供選取方向，進而快捷、方便的確定最佳參數和各因素對試驗指標影響的主次順序。

（1）在對接焊初選參數范圍內，焊接速度、離焦量、激光功率分別在25 mm/s、+5 mm、1.8 kW時，焊接接頭外觀和力學性能最優且三因素均為顯著性因素。

（2）在搭接焊初選參數范圍內，激光功率、離焦量、焊接速度分別在2.2 kW、-2 mm、15 mm/s時，焊接接頭外觀和力學性能最優且三因素均為顯著性因素。

（3）對接焊時，三因素對抗拉強度影響的主次順序為焊接速度、離焦量、激光功率。搭接焊時，三因素對剪切強度影響的主次順序為焊接速度、離焦量、激光功率。

[1]陳根余，顧春影，梅麗芳，等.激光焊接技術在汽車制造中的應用與激光組焊單元設計[J].電焊機，2010，40（5）：32-38.

[2]徐國建，王虹，唱麗麗，等.激光焊接的特性[J].電焊機，2010，40（11）：57-64.

[3]蘇允海，馬大海，林金梁，等.高強鋼振動焊接工藝參數的優化[J].焊接學報，2014，35(07):105-108.

[4]董丹陽，劉楊，王磊，等.應變速率對DP780鋼激光焊接接頭動態變形行為的影響[J].金屬學報，2013，49（12）：1493-1500.

[5] Limmaneevichitr C，Kou S.Visualization of Marangoni convection-in simulated weld pools[J].Welding Research Supplement，2000：126s-135s.

[6]李云雁，胡傳榮.試驗設計與數據處理［M］.北京：化學工業出版社，2008.

Optimization of parameters of laser welding high strength steel for vehicles

FENG Yanpeng，ZHU Jialei，JIAO Xiangdong，SHI Tingshen，ZHANG Yongming，YANG Baolin，MA Mingyan
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

The energy input of laser welding has a continuous range of variation and there are many advantages of using laser welding for thin plates.The quality of welding is impaired by laser power,welding speed,defocusing amount and shield gas flow rate.The experiment utilizes orthogonal test to search for optimum parameters and analyses the effect of different factors on test index of butt welding and lap welding.According to the result of analysis of variance and welding appearance，the final and optimal welding parameters can be confirmed.The experimental results show that，for butt welding of DP590，the optimal welding power is 1.8 kW,the optimal welding speed is 25 mm/s and the optimal defocusing amount is+5 mm;for lap welding of DP590，the optimal welding power is 2.2 kW,the optimal defocusing amount is-2 mm and the optimal welding speed is 15 mm/s.

high strength steel；laser welding；orthogonal test；mechanical property

TG456.7

：A

：1001-2303（2015）10-0030-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.06

2014-05-09；

：2015-01-20

國家自然科學基金青年基金（51205026），（51175 046)；北京市屬高校創新團隊建設提升計劃（IDHT 20130516）；北京石油化工學院優秀青年教師和管理骨干培育計劃項目（BIPT-BPOYTMB-2013）；北京石油化工學院大學生研究訓練[URT]計劃項目（2014J00049，2015J00084）

馮艷鵬（1988—），男，河南衛輝人，碩士，主要從事激光焊接工藝方面的研究工作。