鍍鋅鋼板激光填絲焊接工藝與接頭力學性能研究

周 牧，周林柱，李金寶，周川川，谷 昊，姜一帆

中國第一汽車集團有限公司 工程技術部，吉林 長春 130000

0 前言

鍍鋅鋼板具有優良的耐腐蝕性能，大量應用于汽車結構件和零部件的制造［1-2］。汽車制造業中，鍍鋅鋼板的焊接方法主要有電阻點焊、MAG焊、CMT電弧焊和激光焊接等。電阻點焊鍍鋅鋼板時，鍍鋅層會減小接觸電阻和電流密度，容易產生大量飛濺，而且會污染電極，降低電極使用壽命，且電阻點焊存在無法形成連續密封焊縫的問題［3-4］。對于汽車用鍍鋅薄鋼板，MAG 焊和CMT 焊由于熱輸入較大，容易引起大的焊接變形，影響汽車零部件強度和后續的裝配精度［5-6］。

激光焊接具有能量密度高、焊縫窄、熱影響區小、焊接速度快、易實現自動化等優勢，是薄板結構焊接的最佳方式之一。激光填絲焊既具有激光焊接的優勢，又能克服激光焊接對裝配精度要求高的限制，同時還能通過焊絲添加來改善焊縫成分。張麗芳［7］等人研究了工藝參數對1.0 mm 鍍鋅鋼板與0.7 mm普板的激光填絲搭接焊成形的影響，結果發現，在合適的工藝條件和參數下能獲得美觀的焊縫接頭，填絲焊熱影響區比單激光自熔焊大。薄春雨［8］通過優化激光參數、送絲系統、夾具系統、板材間隙等工藝參數變量，有效解決了鍍鋅板激光填絲焊接的焊縫背部凹陷、氣孔、表面孔洞、焊縫偏移等問題。目前，鍍鋅鋼板激光填絲焊技術成為相關領域的研究熱點，但針對異種鍍鋅鋼板激光填絲焊的研究報道較少，由于材質差異及多工藝參數相互影響，異種鍍鋅板激光填絲焊工藝過程更加復雜且難以控制，因此本文針對車門用異種鍍鋅鋼板搭接接頭開展激光填絲焊接試驗研究，深入分析焊縫成形、微觀組織和力學性能，優化工藝，開發鍍鋅鋼板高質量焊接方法，以實現汽車車身的高質量制造。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

車門內、外板用0.7 mm 厚鍍鋅鋼板，牌號分別為St17E 和FC180/340HD，其抗拉強度為279 MPa、456 MPa，試樣尺寸150 mm×100 mm。根據車門結構設計，兩種鍍鋅鋼板組成搭接接頭，St17E鍍鋅板在上，FC180/340HD鍍鋅板在下。

1.2 試驗設備和方法

采用TruDisk8002 型激光焊接系統，最大輸出功率為8 kW，波長1.06 μm，配備KUKA機器人。填絲采用FRONIUS公司生產的KD4010送絲系統，焊絲為ER70S-6，直徑1.0 mm。激光填絲焊接過程如圖1 所示，采用前置送絲，送絲角度為30°。焊接過程中，采用高純氬氣進行保護，流量為15 L/min。

圖1 激光填絲焊接過程示意Fig.1 Schematic diagram of laser wire filling welding process

焊接完成后，利用尼康C-PSN光學顯微鏡對焊縫表面進行觀察。借助電火花數控切割機對焊接接頭進行線切割制備金相試樣。然后對金相試樣進行鑲嵌、磨平、拋光和腐蝕，借助OLYMPUS GX71光學顯微鏡進行橫截面形態和微觀組織分析。使用數顯硬度儀測試接頭硬度。參照GB/T2651《焊接接頭拉伸試驗方法》制備拉伸試樣，使用MTS-810電液伺服萬能試驗機進行拉伸性能測試。

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫成形特征

激光功率、焊接速度、離焦量、送絲速度是影響激光填絲焊接熱輸入和焊縫成形的主要工藝參數，也決定了接頭組織特征和力學性能［9］。相同焊接速度（2.5 m/min）、離焦量（0 mm）、送絲速度（1.5 m/min）時，不同激光功率條件下獲得的焊縫表面形貌和橫截面形狀如圖2 所示。試驗結果表明，當激光功率為1 300～1 500 W 時，隨著激光功率增大，焊縫上表面形貌成形更加光滑，焊接飛濺減小，焊縫背面逐漸呈現熔透現象。激光功率增至1 600 W 時，熱輸入明顯增大，接頭出現背部過熔化現象，同時，焊絲熔化的液態金屬對焊縫表面的沖擊影響明顯增大，焊縫上表面出現焊縫不連續，焊接飛濺增加。

圖2 不同激光功率時焊縫表面和橫截面形貌Fig.2 Surface and cross-sectional morphology of weld seam under different laser powers

相同激光功率（1 500 W）、離焦量（0 mm）和送絲速度（1.5 m/min）時，不同焊接速度條件下獲得的焊縫表面形貌和橫截面形狀如圖3 所示。結果發現，當焊接速度為較低的1.5 m/min 時，焊接線能量大，焊縫熔化面積較大，下板的熔化寬度幾乎與焊縫表面寬度一致，此時，焊縫表面成形不連續，產生較多焊接飛濺。隨著焊接速度的增加，焊接過程中的線能量逐漸降低，逐漸由下板全熔透轉變為未熔透，焊縫的背面的熔寬也明顯減低，焊縫表面成形更加光滑，焊接飛濺減小。當焊接速度3.0 m/min，接頭下板未發生熔透，上下板搭接處的熔寬也急劇降低，而且由于熱輸入不夠，在搭接面處的熔合線位置出現了氣孔缺陷，不利于接頭承受高載荷，必然降低焊接接頭強度。

圖3 不同焊接速度時焊縫表面和橫截面形貌Fig.3 Surface and cross-sectional morphology of welds at different welding speeds

相同激光功率（1 500 W）、焊接速度（2.5 m/min）和送絲速度（1.5 m/min）時，不同離焦量條件下獲得的焊縫表面形貌和橫截面形狀如圖4所示。分析試驗結果發現，當采用正離焦量時，光斑直徑增大，焊絲可以熔化充分，但是焊接功率密度降低，容易造成母材熔化的能量不足，降低熔深，下板沒有完全熔透，焊縫成形光滑。當采用負離焦量時，焊接熱輸入明顯增大，接頭熔化量和焊縫面積明顯較大，背部熔透較寬，焊接飛濺較多。

圖4 不同離焦量時焊縫表面和橫截面形貌Fig.4 Surface and cross-sectional morphology of weld seam at different defocusing amounts

送絲速度是填絲激光焊過程中影響焊縫表面成形的重要參數，送絲速度需要與激光功率、焊接速度、離焦量有較好的匹配時，才能得到良好焊焊接質量。圖5為相同激光功率（1 500 W）、焊接速度（2.5 m/min）和離焦量（0 mm）時，不同送絲速度條件下獲得的焊縫表面形貌和橫截面形狀。送絲速度過小，焊絲斷續熔化，熔滴未能連續均勻地填充到焊縫處，導致焊縫填充不均勻，冷卻后焊縫成形不連續，并且出現咬邊缺陷。隨著送絲速度增加，焊縫表面飽滿，但是，熔化焊絲能量增加，焊絲對激光的遮擋作用增強，激光能量更多地作用于焊絲，焊縫熔深會降低。當送絲速度為2.5 m/min時，送絲速度過快，焊絲來不及充分熔化，焊縫成形不良。

圖5 不同送絲速度時焊縫表面和橫截面形貌Fig.3 Surface and cross-sectional morphology of weld seam at different wire feeding speeds

2.2 接頭微觀組織特征

微觀組織直接影響焊接接頭的力學性能。熔焊接頭往往存在微觀組織分布不均勻的特征，而且由于焊絲成分不同于兩種母材，因此，必須深入分析焊接接頭各個區域的微觀組織才能為焊接接頭力學性能評估提供依據。不同焊接工藝參數獲得的激光填絲焊接接頭焊縫橫截面形貌如圖2～圖5所示，可以看出，焊縫橫截面主要分為下板未熔透和下板全熔透兩類情況，兩類焊接接頭的微觀組織可分為6 個區域，如圖6 所示：1—焊縫區、2—上板熱影響區、3—下板熱影響粗晶區、4—下板熱影響細晶區、5—上板母材區、6—下板母材區。可以發現，上板熱影響區較窄，下板的熱影響較寬。激光填絲焊接接頭各個區域的顯微組織如圖7所示。

圖6 激光填絲焊接頭的微觀組織不均勻特征Fig.6 Uneven microstructure characteristics of laser filled wire welded joints

圖7 激光填絲焊接頭的顯微組織Fig.7 Microstructure of laser wire filled welded joints

由圖7可知，焊接接頭各個區域的微觀組織存在很大的不均勻性。母材整體組織呈帶狀分布，分布較為均勻，組織主要為白色的鐵素體及黑色的碳化物組成的珠光體組織，但是內板母材的晶粒明顯比外板晶粒粗大，上板熱影響區為塊狀馬氏體和鐵素體組織，下板熱影響區從熔合線附近依次為粗大馬氏體組織、細小馬氏體組織和鐵素體組織。焊縫區的微觀組織形貌為板條馬氏體組織和鐵素體組織，但是，由于焊絲與母材成分的差別，焊縫區上部和下部焊縫的微觀組織存在差別，焊縫區下部晶粒相對更加細小。

2.3 接頭力學性能

針對典型焊接接頭進行各個區域的硬度測試，如圖8 所示，由焊縫上部中心向焊接接頭上板母材區測試，同時由焊縫下部中心向接頭下板母材區測試，測試結果如圖9所示。由測試結果可知，搭接接頭上板母材的硬度最低，其次是上板的影響區；焊縫區的硬度遠高于上、下板母材，這與焊接過程帶來的微觀組織變化有關，因為焊縫區和熱影響區由鐵素體和馬氏體生成，使其硬度明顯增加。

圖8 激光填絲焊接頭的硬度測試示意Fig.8 Schematic diagram of hardness testing for laser wire filled welding joints

圖9 激光填絲焊接頭的硬度分布特征Fig.9 Hardness distribution characteristics of laser welded joints with filler wire

為了系統分析研究激光功率、焊接速度、離焦量、送絲速度對焊縫表面成形和接頭強度的影響，在上述單因素工藝參數對焊縫成形和性能影響研究基礎上，設計四因素四水平正交試驗，如圖10 所示，激光功率A1=1 300 W、A2=1 400 W、A3=1 500 W、A4=1 600 W；焊接速度B1=1.5 m/min、B2=2.0 m/min、B3=2.5 m/min、B4=3.0 m/min；離焦量C1=+4 mm、C2=+2 mm、C3=0 mm、C4=-2 mm；送絲速度D1=1 m/min、D2=1.5 m/min、D3=2.0 m/min、D4=2.5 m/min。激光填絲焊接過程中，激光能量同時熔化焊絲和母材，由于鋅的熔沸點遠低于鋼，當熔化焊絲以液態金屬形式進入熔池時，大部分鋅層在形成熔池前已經蒸發，只有少量鋅蒸氣進入焊接熔池，因此焊接過程相對穩定，從而有利于形成連續、光滑的焊縫表面，焊接飛濺較少。搭接接頭角焊縫在受拉伸力的作用時，焊接接頭的承載力主要取決于圖11中的有效焊縫尺寸d1、d2以及母材本身的強度。由于焊縫區的硬度高于上板母材的硬度，即焊縫區強度要高于上板母材的強度，因此當焊縫區的有效尺寸大于0.7 mm 時，焊縫沒有明顯缺陷時，填絲激光焊接接頭均在上板母材（抗拉強度為279 MPa）發生斷裂，焊接接頭的單位寬度承載力為197～210 N/mm 之間。特別是填絲激光焊接時，焊縫的上表面形貌飽滿，有利于增加圖11 中的d1，因此當搭接面有足夠的熔寬d2時，拉伸試樣均斷裂于上板母材。

圖10 正交試驗及其焊縫成形和接頭強度測試Fig.10 Orthogonal test and weld formation and joint strength test

圖10 搭接接頭角焊縫拉伸受力示意圖Fig.10 Schematic diagram of tensile stress on fillet welds of lap joints

3 結論

采用激光填絲焊接厚0.7 mm的St17E和FC180/340HD 鍍鋅鋼板搭接接頭，分別研究了激光功率、焊接速度、離焦量和送絲速度等關鍵工藝參數對焊縫表面成形和接頭橫截面形貌的影響規律，分析了焊接接頭微觀組織和力學性能，得到如下結論：

（1）激光功率、焊接速度、離焦量和送絲速度有較好的匹配時，可以獲得焊接飛濺很少、表面飽滿且光滑的焊縫成形。

（2）焊接接頭上板熱影響區窄；下板熱影響區較寬，明顯分為粗晶區和細晶區。焊縫區的微觀組織形貌為板條馬氏體組織和鐵素體組織，但由于焊絲與母材成分的差別，焊縫區上部和下部焊縫的微觀組織存在差別，焊縫區下部晶粒相對更加細小。

（3）焊接接頭上板母材區的硬度最低，其次是上板的影響區，焊縫區的硬度最高。成形良好的焊接接頭拉伸試樣在上板母材發生斷裂。

（4）后續研究將建立異種鍍鋅鋼板激光填絲焊接熱-力耦合數值模擬模型，計算并分析焊接過程中的溫度場及應力應變場演變規律，為焊接工藝的進一步優化提供理論指導。