激光焊接技術在車身高強鋼小焊縫焊接中的應用

邵長春，黃思德

Shao Changchun1，Huang Side2

（1.廣西柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545000；2.北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

0 引 言

在汽車生產中，焊接是一個非常重要和關鍵的環節，選取恰當的焊接方式能夠使車身的抗碰撞能力得到提升，有利于車身減重、降低成本和油耗以及總裝工序簡化。在諸多焊接方式中，激光焊接在其工藝過程、焊接速度和質量改進等方面有著極大的提升空間，因此對激光焊接在高強鋼中的運用進行研究，有著重要的意義。

激光發明于1960年，歷經50多年的發展，特別是軍用需求的巨大驅動，使其在21世紀進入高速發展階段。目前激光發生器向著大功率、輕便化和經濟化的方向發展，激光焊接由于線能量密度集中和熱影響區小，而且激光束具有可以在大氣中焊接的優點，既可以對高強鋼大型構件深度熔焊，又可以進行微型精密焊接，將成為今后高強鋼焊接的主要手段。并且激光焊接符合優質、低耗、清潔、熱影響區窄、接頭變形小、操作靈活等技術發展方向，21世紀將逐漸成為激光焊接的時代[1]。

激光焊接在高強鋼的焊接特別是小焊縫焊接過程中，有其獨特的優勢：首先激光波長范圍很窄，其中CO2激光波長為10.6μm，YAG激光波長為1.06 μm；其次，激光聚焦能力非常強，線能量密度可達108W/cm2；第三，焊接過程中加熱范圍小，能量利用效率高；第四，激光焊接為非接觸焊接，能有效避免電弧焊過程中的夾渣、飛濺等；第五，激光焊接熱影響區狹小，焊接件變形程度低。

高強鋼的小焊縫焊接過程往往采用激光深熔焊接的方法，也就是在高強的線能量密度激光的照射下，焊接材料發生蒸發效應，并形成小孔。由于激光的照射，空腔內的溫度可達2500℃左右，這樣高的溫度使得包圍著小孔周圍的材料融化，由于熱傳導作用，小孔外的材料熔液不斷流動，并且不斷填充著小孔。隨著激光光束的移動，熔融的材料填充完小孔并冷凝，留下焊縫。在高強鋼焊接過程中，焊縫的寬度和深度影響著焊接質量。

1 激光在高強鋼小焊縫焊接中的試驗

1.1 待焊材料的選擇

在激光焊接試驗中選取的待焊材料為低合金調質高強鋼JFE980S，該鋼的拉伸屈服強度為980 MPa，是高強鋼的一種。待焊接材料取80×60×8 mm規格的樣板，如圖1所示。

待焊接材料的主要化學成分見表1。

表1 待焊接材料的主要化學成分（質量分數）

激光發生器選取10 kW的YAG激光發生器，YAG激光發生器屬于半導體激光，用光纖傳輸，如圖2所示。

1.2 試驗過程及相關數據分析

激光焊接試驗時為了獲得很高的能量密度，要求取用短焦距。焦距較短時光斑小，同時要求待焊工件間隙較小。如果焦距較大時，得到的線能量密度低，但是能保持一定的值。如果待焊工件接頭處要求精度不高，可以選擇長焦距，但前提是保持一定的線能量密度以保證焊接。本次試驗過程中，焊縫很小，所以采用短焦距，把焦距選擇為+1.25 mm。

在進行焊接試驗過程中，待焊接的材料統一用15°的“V”型坡口，把焊縫設置為0.1 mm、0.3 mm，首先進行不同速度的焊接，觀察激光焊接高強鋼的深度與焊接速度的關系。焊接速度的取值范圍設置在2～20 m/min之間，取10～15個速度樣點，進行連線繪圖，見圖3。

通過數據分析不難發現，激光在高強鋼焊接過程中，其焊縫深度與焊接速度及焊縫之間的寬度有著密切的關系。

如果焊接速度保持不變，設為5 m/min，取焊縫寬度0.1 mm，0.3 mm和0.5 mm 3種，待焊件都為低合金調質高強鋼JFE980S，分別進行焊接，焊接樣品如圖4所示。

低合金調質高強鋼JFE980S焊接樣品分析：間隙為0.1 mm的焊縫利用激光焊接得到的焊縫截面均勻飽滿，“V”型坡口通過熱效應變形，達到水平狀態；間隙為0.3 mm的焊縫截面已經出現下凹現象，焊縫的填充不均勻，有部分缺焊現象；間隙為0.5 mm時，焊縫填充發生嚴重缺陷，而且沒有辦法把高強鋼焊透。由此可見，在激光焊接速度及功率保持一定的情況下，焊縫寬度對焊接質量的影響起著非常重要的作用。

2 結 論

1）通過對激光在高強鋼JFE980S小焊縫焊接試驗中的焊接圖樣進行分析，發現在小焊縫高強鋼焊接過程中，焊接速度保持不變的情況下，焊縫寬度影響焊接的深度，同時焊接速度的選擇應該根據焊縫寬度的大小和焊接深度來確定。如果速度過快會造成焊接不透，如果速度過慢則會有焊穿工件的可能。

2）高強鋼的小焊縫焊接過程采用激光深熔焊接的方法，也就是用激光發出的高密度線能量在很短時間內熔化待焊接材料，使得焊縫內部在激光的照射下變成熔融液體，從而達到焊接的目的。這種焊接沒有填充其他材料，焊件融合程度較高。

3）由于實驗室條件的限制，在試驗過程中沒有對焊接件進行屈服強度測定，同時沒有對焊縫是否有氣孔和凝固后焊縫是否有脆化現象進行檢測，需要后續試驗繼續研究。

[1]呂奎清.新型特種焊接材料[J].現代制造，2005（12）：41.

[2]武亞鵬，侯建偉.高強鋼的焊接分析[J].金屬加工：熱加工，2011（4）：36-40.

[3]雷振，王旭友，滕彬，等.JFE980S高強鋼焊接接頭軟化分析[J].焊接學報，2010(11):37-41.

[4]滕彬，李小宇，雷振，等.低合金高強鋼激光—電弧復合熱源焊接冷裂紋敏感性分析[J].焊接學報，2010（11）：65-68.