工藝參數對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. 廣東工業大學 ，廣州 511436；2. 廣東省科學院中烏焊接研究所，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，鋅的電阻率較低、鋅層的熔化會導致電流密度的減小[1]；采用電弧焊或激光焊時，由于鋅與鋼的沸點相差較大，導致焊接過程中易出現氣孔、飛濺等缺陷[2]。

基于此，需開發更為先進、優化的焊接工藝來獲得高質量焊縫，如采用預掃描焊接[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，相比于傳統激光焊接，激光掃描焊接技術具有工作距離長、掃描范圍廣、靈活性高、可有效抑制氣孔缺陷等特點[6-7]，因此該焊接技術更適合用于鍍鋅板的焊接。關于鍍鋅板的掃描焊接工藝國內外已經進行了大量研究，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對氣孔的抑制作用；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用，研究表明，掃描焊接可以穩定熔池，抑制氣孔產生。此外，對焊接飛濺的數值模擬及熔池小孔的動態行為研究也開始涌現[11-13],以便更好地控制焊接參數。但對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鍍鋅板為試驗材料，采用激光掃描焊接方法，研究掃描焊接工藝參數對焊縫成形、顯微組織及拉伸性能的影響，并獲得最佳工藝參數組合。

1 試驗材料與設備

1.1 試驗材料

試驗母材為DP 780鍍鋅板，尺寸為200 mm× 100 mm×1.5 mm,其主要化學成分如見表1。試驗采用搭接焊方式，搭接部分尺寸30 mm，焊接示意圖如圖1所示。

表1 DP780鍍鋅板主要化學成分

圖1 激光掃描焊接示意圖

1.2 試驗方法

焊接系統采用碟片激光掃描焊接系統，激光器型號為Trumpf Trudisk 10002,波長1 020 nm,最大連續輸出功率10 kW，掃描光學系統型號為Trumpf PFO 3D，聚焦焦距450 mm。焊接過程中，通過KUKA KR 60 機械手移動掃描振鏡，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

掃描焊接工藝參數見表2，焊接前用酒精擦拭焊件表面。焊接接頭經外觀檢查和X射線無損檢測后，在焊后試件上取樣做成20 mm×10 mm金相試樣，經研磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，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設計力學性能測試件的尺寸規格，采用GB-TS 2000M拉伸機對接頭進行拉伸試驗，拉伸試樣尺寸如圖3所示。

表2 焊接工藝參數

2 試驗結果與分析

各組無損檢測結果顯示，焊接接頭均未發現氣孔存在。表明試驗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 激光功率對焊縫成形影響

采用表2中1～4組參數進行試驗，獲得不同激光功率下的焊接接頭，試驗結果如圖4所示。由3號試樣可以看到，激光功率2.0 kW時，搭接處接近焊透，焊縫表面出現輕微咬邊現象；激光功率2.5 kW時，1號試樣完全焊透，咬邊顯著減少但部分焊縫表面燒損，出現內凹現象；激光功率3.0 kW時，2號試樣咬邊消失但部分焊縫表面內凹嚴重。由此看出，隨焊接功率增大，焊縫熔深增大，咬邊現象得到抑制；全熔透焊接時，焊縫表面部內凹量隨激光功率增加而增大。

圖4 不同激光功率下試驗結果

分析認為，激光功率在2.5 kW以下時，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補充，因此出現咬邊現象。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，因焊速過小且熔寬增大，導致焊縫表面金屬過燒，金屬液向兩側流動增強造成中間內凹現象出現[15]。因此，適當增加激光功率有利于咬邊現象的消失，但同時也要注意焊接速度的調控，避免焊縫表面塌陷和內凹現象的發生。

2.2 焊接速度對焊縫成形影響

采用表2中5～9組參數進行試驗，對不同焊接速度下的試驗結果進行分析，如圖5所示。焊接速度在35 mm/s時，焊縫表面出現輕微咬邊,內凹程度顯著減小；焊接速度45～55 mm/s時，表面內凹逐漸消失，但在焊接速度55 mm/s時，咬邊現象更為明顯；繼續增大焊接速度至65～75 mm/s時，搭接處未焊透。由此可以看出，全熔透焊接速度范圍內，焊縫表面咬邊程度隨焊接速度的增加而增大，表面內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結果

分析認為，隨焊接速度增加，焊接熱輸入減小，焊縫燒損減少，內凹現象逐漸減弱直至消失。咬邊現象的發生主要是因為隨焊接速度的增大，熔融金屬液的體積減少及焊接冷卻速度增加導致熔池金屬液流動性降低來不及向兩側鋪展補充。在相同的焊接功率下，焊接速度為45 mm/s時，焊接接頭成形較好。

2.3 工藝參數對焊接接頭顯微組織影響

2.3.1激光功率對顯微組織影響

圖6為不同功率下焊縫中心區顯微組織，主要由板條狀馬氏體和馬氏體群組成，鐵素體含量極少。可以看到，隨激光功率增大，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間也越長，大量鐵素體轉變為奧氏體并處于過熱狀態，冷卻后得到的馬氏體和鐵素體組織也越粗大。

圖6 激光功率對焊縫區顯微組織影響

圖7為不同功率下焊接接頭細晶區和粗晶區顯微組織。粗晶區靠近焊縫中心，焊接時該區加熱到Ac3溫度以上，高溫奧氏體晶粒會發生嚴重長大，在快冷后生成粗大的馬氏體和鐵素體組織。細晶區所處的溫度較低且靠近母材冷卻速度較快，焊后形成細小的板條狀馬氏體和鐵素體組織。分析對比可知，隨激光功率增加，細晶區等軸晶尺寸增加，鐵素體含量逐漸減少，馬氏體板條束略微變長，但尺寸變化并不明顯；粗晶區內馬氏體尺寸隨激光功率增大發生明顯增大，鐵素體含量極少。主要是因為功率增大，熱影響區內熱輸入會增加，高溫下轉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 激光功率對細晶區和粗晶區影響

2.3.2焊接速度對顯微組織的影響

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，焊縫中出現大量細長的針狀馬氏體；在焊接速度45～55 mm/s時，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。繼續增大焊接速度，如圖8e、圖8f所示，此時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。分析認為，隨焊接速度增大，焊接熱輸入減小，在一定速度范圍內，可獲得含有大量馬氏體的焊縫組織。超過這個范圍，焊速過大，焊接過程熱循環溫度較小，高溫下轉變成的奧氏體也較少，凝固形成的馬氏體含量也越低。

圖8 焊接速度對焊縫顯微組織影響

圖9和圖10為焊接速度對焊接接頭熱影響區組織的影響。焊接速度從25 mm/s增大至75 mm/s過程中，細晶區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，粗晶區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，粗晶區組織比較均勻。

圖9 焊接速度對細晶區組織影響

圖10 焊接速度對粗晶區組織影響

2.4 工藝參數對接頭拉伸性能影響

選取1～4組、5～9組參數下獲得的焊接接頭分別進行拉伸試驗，每組取3個拉伸試樣測試，并取平均值。

圖11顯示了激光功率及焊接速度對拉伸性能的影響。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時取得最大值。這是因為，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號焊接接頭最大拉伸載荷的擬合結果，隨焊接速度增大，最大拉伸載荷呈先增大后減小趨勢，這與理論上有所差異，可能是因為焊接接頭發生軟化或焊縫出現咬邊的影響。因此對這幾組試樣進行顯微硬度測試，檢驗接頭是否出現軟化現象。

圖11 工藝參數對接頭拉伸性能影響

圖12為5～9號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大致相同，從母材到焊縫中心，顯微硬度均經歷一個先減小后增大的過程。因此，認為各試樣焊接接頭出現了軟化區，該區在焊接過程中，因離焊縫中心較遠，所受熱循環溫度小，達到相變溫度的組織少，大部分鐵素體組織發生重結晶形成鐵素體顆粒，而達到相變點溫度的鐵素體冷卻后轉變為回火馬氏體，導致該區硬度降低。圖13為不同焊接速度下軟化區硬度最低值與母材平均硬度對比，可以看到隨焊接速度增大，硬度最低值也發生增大，接頭軟化程度減弱。基于此，圖11b中焊接速度在55～75 mm/s時，最大拉伸載荷隨焊接速度增加而增大，是因為焊接速度增大，接頭軟化程度減小造成的。但焊接速度在35～55 mm/s范圍內，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，主要是因為焊縫咬邊的影響，由圖5可知，在此焊接速度范圍內，咬邊程度隨焊接速度增大，導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，對焊接接頭拉伸性能至關重要。

圖12 焊接接頭硬度分布曲線

圖13 不同焊接速度下軟化區硬度變化

3 結論

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

(2)適當增加焊接速度有利于消除焊縫表面內凹現象。焊縫中心主要由板條馬氏體組成，熱影響區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，焊縫及熱影響區內鐵素體含量減少、馬氏體含量增加、馬氏體束尺寸增大。

(3)焊接接頭出現軟化區，該區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，焊接接頭軟化程度隨焊速增大而減小。