C型激光焊縫靜力性能與工藝關鍵因素研究

古志皓

(上海航空發動機制造有限公司,上海 201906)

0 引言

遠程激光焊接作為一種高效精密的焊接方式，與傳統鋼點焊相比，在精度、效率、用戶感知、可達性等方面有諸多優勢。應用遠程激光焊，可以實現車身輕量化和提升第二表面外觀品質的目的。目前，已被廣泛應用于白車身鈑金零件設計領域：如凱迪拉克CT5應用在發動機艙水箱橫梁區域，代替燒焊以提高外觀質量；福特在A柱區域使用激光焊接，實現了液壓成型零件與車身的連接，等等[1]。

與傳統點焊不同的是，激光焊接的焊縫質量對鍍鋅鈑金間隙十分敏感。這是因為激光焊接鍍鋅鋼板時，由于鋅的沸點(906 ℃)低于鋼的熔點(1 530 ℃)，鋅急劇蒸發。如果不留間隙，鋅蒸汽在兩層板中間會通過小孔排出，排擠熔化金屬，導致熔化金屬液流動不穩定，容易飛濺，同時激光穿透能力也降低。但若間隙過大，焊接時熔化的金屬過多參與間隙填充，焊縫表面凹陷較大。特別是對于薄板焊接，當間隙大于0.3 mm時，凹陷嚴重[2-5]。因此，研究鈑金間隙對激光焊接的影響就顯得尤為重要。

激光焊縫可實現多種形狀，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更優。因此，本文作者重點研究C型焊縫。通過大量料片試驗，獲得了不同開口方向、不同圓弧直徑大小以及不同間隙的C型激光焊縫外觀質量以及力學性能表現，確定了開口方向、最佳圓弧直徑以及從薄板到厚板焊接時鈑金間隙的最佳值。

1 試驗料片選取及試驗方法

料片材料選取車身鈑金常用的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，研究搭接間隙對焊縫質量的影響；進行剪切拉伸試驗，研究激光搭接焊的力學性能。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型焊縫開口方向和圓弧直徑研究

為確定C型焊縫開口方向對激光焊接力學性能影響，選擇上板為薄板、下板為厚板進行研究。以兩板之間焊縫受到上板力的方向做區分，焊縫示意圖如圖2所示，虛線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離焊縫中心方向。

圖2 C型焊縫不同開口方向(俯視圖)

圖3為不同開口方向下剪切力的載荷-位移曲線。

圖3 不同開口方向C型焊縫剪切方向載荷-位移曲線

由圖可知，彈性變形階段，起始斜率較小，隨后載荷迅速上升；到達屈服階段時，上升緩慢，屈服階段載荷略微有波動；當達到屈服極限時發生斷裂時，載荷最大，隨后急劇下降。兩種開口方向焊縫可承受的最大剪切力分別為4.64 kN和4.79 kN，數值比較接近，僅相差3%?？梢?，C型焊縫開口方向對焊縫力學性能影響不明顯，即C型焊縫不同開口方向對最大剪切力值沒有表現出明顯的各向異性，可以認為是各向同性。由此，在實際應用中，不必過多考慮C型激光焊縫的開口方向。

以往研究表明，長度為22.5 mm的激光焊縫強度可等效于一個點焊強度。為確定C型激光焊縫圓弧直徑對力學性能影響，保持焊縫總長22.5 mm不變，分別選擇焊縫圓弧段直徑為5.5、6.0 mm進行試驗。圖4為兩種焊縫的載荷-位移曲線，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%，二者發生屈服時的位移分別為3.0 mm和3.05 mm，幾乎完全一致。對比可知，保持長度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的力學性能優于6.0 mm。因此，在后續試驗中，為控制變量，統一C型焊縫方向與圖2(b)相同，即焊縫受上板力方向為遠離焊縫中心方向，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

3 不同間隙激光焊縫力學性能研究

為研究鈑金間隙對激光焊接性能的影響，需要確定焊縫不焊穿時的最大間隙。通過測試兩種料片組合發現，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，焊縫收弧處會有連接不上的情況發生。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個樣件。表中可以看出，無論哪種材料組合，從薄板到厚板焊接，間隙為0.15 mm時剪切力均比其他間隙要大，且外觀質量最好；從厚板到薄板焊接時，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，焊縫斷裂。主要是因為間隙為0時飛濺很大，焊縫缺陷嚴重，拉伸時不是斷裂在熱影響區，而是斷裂在焊縫上。對于其他間隙，當從薄板到厚板焊接時，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；從厚板到薄板焊接時，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間的母材。這是因為試驗采用的料厚組合為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重，但是厚板發生凹陷處的料厚仍然超過原料厚的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量值。圖6(a)中，間隙為0時的剪切力均比其他間隙時偏小，且波動較大，因此力學性能最差。

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時剪切力最大，也最穩定。間隙為0.3 mm或0.4 mm時剪切力相對較小，主要原因是間隙變大，焊縫表面凹陷變大，且收弧處出現未焊接上的現象，造成剪切力小于0.15 mm間隙時的剪切力。

圖6(b)和(d)中，從厚板向薄板焊接，間隙為0.15 mm時剪切力波動較大。但其力學性能變化不大，是因為薄板處焊縫較飽滿，缺陷大部分集中在厚板部分，拉伸時薄板焊縫起止點間母材斷裂，所以對其力學性能沒有太大影響。間隙為0.3 mm或0.4 mm時，剪切力上下浮動范圍較小，說明從厚板向薄板焊接，間隙相對較大時更穩定，其力學性能也與從薄板到厚板焊接最佳間隙0.15 mm時的力學性能差不多。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。

通過以上研究，可以得出以下結論：

(1)從薄板到厚板激光焊接時，最佳間隙為0.15 mm，力學性能最好；

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

4 不等間隙激光焊縫力學性能研究

在實際生產制造中，考慮生產變動的容差性，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。為了在實際生產中應用，研究不等間隙焊縫是否可與等間隙焊縫的力學性能等效，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過渡間隙進行研究，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，與各自對應的材料組合在最佳間隙0.15 mm時的剪切力數值相當，焊縫成形也差不多，說明不等間隙中間值與最佳間隙0.15 mm差別不大時，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變間隙時中心處的間隙為0.15 mm，0～0.4 mm變間隙時中心處的間隙為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度較小，焊縫相對集中在C型曲線中心相對較近位置。

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

由此試驗可知，零件之間間隙在最佳間隙附近有微小變化時，對焊縫性能影響不大。因此遠程激光焊接可以在實際生產中進行應用。

5 結論

文中通過料片試驗，綜合研究了C型激光焊縫的開口方向、圓弧半徑以及板料間隙對外觀質量以及力學性能的影響，可以得到如下結論：

(1)開口方向對焊縫力學性能影響不大，焊縫基本表現為各向同性；

(2)保持焊縫長度22.5 mm不變，從薄板到厚板焊接，圓弧直徑為5.5 mm的力學性能優于6.0 mm；

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

(4)從厚板到薄板激光焊接，相對于同樣料厚組合從薄板到厚板焊接，達到相同的力學性能，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，不等間隙的C型焊縫可以與最佳間隙的C型焊縫等效。