2 000 MPa 級熱成形鋼雙光斑激光焊接接頭成形研究

張文廣，劉巖，杜安娜，楊棧琳，李博

（沈陽大學 a.機械工程學院 b.遼寧省先進材料制備技術重點實驗室，沈陽 110044）

隨著制造業的發展，汽車節能減排和高安全性成為必然的發展趨勢，汽車輕量化是實現節能減排的有效途徑[1-3]。研究發現，汽車質量每降低10%，汽車燃油效率將增大6%～8%[4-6]。因此，輕質、高強的材料在汽車結構中的使用率越來越高。為滿足汽車不同零部件的各種使用場景，多種性能符合的材料得到使用，如鋁合金、鎂合金、超高強度鋼、碳纖維復合材料等[7-9]。其中超高強度鋼以其成形載荷小、回彈量小、成形精度高等特點廣泛應用于汽車車身關鍵結構件和安全零部件制造中，如汽車A 柱、B 柱、防撞梁等[10-12]。

熱成形鋼具有優良的強度和機械安全性，在高溫加熱后冷卻，會使其內部奧氏體組織轉變為馬氏體組織。一般熱成形鋼的強度在1 000 MPa 以上，并且使用熱成形工藝能解決普通高強度鋼成形困難、回彈嚴重等問題，以及高強鋼強度與塑性之間的矛盾[13-15]。與氬弧焊、混合氣體保護焊相比，以激光焊接的方式對高強度鋼進行焊接，具備密度集中的特點，所得到的焊縫熱影響區較小，焊縫深寬比大，宏觀形貌較為美觀[16-18]。Li 等[19]使用500 W 低功率光纖激光器對A304 不銹鋼進行了激光焊接，結果表明，增大激光功率會導致熔深和熔寬增大，但熔寬增大得并不明顯，而提高焊接速度會降低焊縫熔深和熔寬。韋春華等[20]使用IPG-YLS-6000-S4 型激光器對1.4 mm 的DP980 高強雙相鋼進行了激光拼焊，研究發現，減少熱輸入可以減短接頭焊縫的寬度；在合格的宏觀形貌下，可以通過降低熱輸入來獲得合適的焊縫寬度。田飛等[21]使用IPG-YLS-6000 型光纖激光器對DP780 高強鋼進行了對接焊接，研究發現，當熱輸入較低時，接頭橫截面形貌呈現上面寬、下面窄的狀態；增大熱輸入會減小焊縫上下寬度差。徐佳偉等[22]使用IPGYLS-6000 高功率激光器對921A 鋼板進行了焊接，研究發現，增大激光功率可直接提高激光束的線能量密度，獲得較大的熔深、熔寬；正向增大離焦量能夠增大光斑直徑，獲得較寬的焊縫；增大焊接速度，可以獲得寬度較小的熔寬（單位時間內熱輸入減小）。Lin等[23]對316 不銹鋼在雙光斑激光焊接下的焊縫表面進行了質量評估，對環形雙光斑和單光斑進行了比較。通過調整中心和環形激光束的功率分布，發現環形光斑激光焊接過程中的飛濺大大減少，焊接過程更加穩定。

目前，對1 500 MPa 級以上熱成形鋼進行激光焊接工藝的研究較少。常規激光焊接具備高熱輸入和快速冷卻的特點，其焊接接頭容易出現應力集中現象，從而產生焊接裂紋。對于薄板材料，其本身的力學強度較低，更容易出現焊接裂紋的問題。雙光斑技術可精確控制焊接能量的分布，不僅可有效降低焊接接頭的應力集中、減少裂紋的產生，還能夠減少激光焊接中飛濺等問題。基于此，本文采用雙光斑激光焊接技術對1.4 mm 厚的2 000 MPa 級熱成形鋼進行實驗。通過單項變量法獲得了多組實驗數據，對焊接接頭的宏觀形貌進行了分析，揭示了不同工藝參數（激光功率、焊接速度、芯環比、離焦量）對焊接接頭正背面形貌以及熔深和熔寬的影響。

1 實驗

選用由本鋼公司生產的PHS2000 型熱成形鋼作為焊接母材，其化學成分如表1 所示。實驗采用的焊接方式和鋼板的尺寸如圖1 所示，實驗使用的激光設備如圖2 所示。本次實驗采用TRUMPF TruDisk 5000型雙光斑激光器，其焦距為564 mm，最大工作功率可以達到5 000 W。芯環比是雙光斑激光器的關鍵參數，中心光斑功率占總功率的百分比即為芯環比。雙光斑激光焊接能夠利用光斑外環前部、中心光斑和外環尾部來分別達到預熱材料、形成匙孔、穩定熔池的作用，搭配德國Kuka 焊接工業機器人對鋼板進行對接焊接。焊接保護氣體選用99.99%純度的高純氬氣，氣體流速設置為20 L/min。本實驗基于不同的激光功率（4 100～4 700 W）、焊接速度（50～250 mm/min）、芯環比（50%～75%）和離焦量（?4～0 mm）設置了5組不同參數，得到了20 組焊接接頭形貌圖。

圖1 焊接方式及尺寸Fig.1 Welding method and size

圖2 激光焊接設備Fig.2 Laser welding equipment

表1 PHS2000 型熱成形鋼化學成分Tab.1 Chemical composition of PHS2000 hot stamping steel wt.%

在焊前預處理階段，使用砂紙對試件焊接面進行打磨，并采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液清潔焊接表面的油脂和雜質。焊接接頭熔深、熔寬測量方法如圖3 所示。焊后采用型號為OLYMPUS BX51M 的金相顯微鏡（OM）觀察焊縫熔深和熔寬的變化，對比焊接接頭的宏觀形貌，并通過計算得到深寬比。

圖3 熔深、熔寬測量方法Fig.3 Measurement method of melting penetration and melting width

2 結果與分析

2.1 激光功率對焊接接頭宏觀形貌的影響

在焊接速度為150 mm/min、芯環比為65%、離焦量為?2 mm 條件下，在4 100～4 700 W 區間內增大激光功率，增量設為300 W。不同激光功率下焊接接頭正背面形貌與橫截面如圖4 所示，可以看到，當激光功率為3 500～4 400 W 時，焊接接頭的正面、背面成形均良好，焊縫的寬度略有增大。而當激光功率進一步增大到4 700 W 時，在圖4e 中發現焊縫后半部出現燒穿缺陷。這主要是因為此參數的激光功率密度過高，導致焊接試件過熱。當激光輻射區域的金屬受到高能激光束作用時，其溫度迅速上升并達到熔點以上，導致金屬發生熔化現象。在這個過程中，部分區域甚至被氣化，而金屬整個板厚也逐漸熔化。然而，由于激光能量高度集中和焊接冷卻快速的特點，若熔化金屬未能及時填充最底部板材的區域，就容易產生圖4e 中的燒穿情況。

圖4 激光功率對焊接接頭宏觀形貌的影響Fig.4 Effect of laser power on macroscopic morphology of welded joints

激光功率對焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響如圖5 所示。在激光深熔焊中，高能激光束輻射至焊接試板內部，形成匙孔并引起菲涅爾吸收效應。這會導致功率密度升高，從而對焊縫的熔深和熔寬產生影響[24]。由圖5 可知，深寬比呈先下降后上升再下降的趨勢，并在4 100 W 功率時出現一個拐點。在該拐點處，深寬比值為1.22。焊接接頭的熔寬在3 500 W 時最小，為1.10 mm，在4 400 W 時最大，為1.21 mm。熔深在激光功率為3 500～4 400 W 時呈上升趨勢，最大值為1.44 mm，而在4 700 W 時，熔深降低到最小值，為1.35 mm。這主要是因為隨著激光功率的增大，提供的熱量更多，使金屬熔化的范圍更廣，但在4 700 W 時，由于激光功率過大，焊縫處產生的匙孔貫穿了整個板厚，并且在此過程中，由于小孔內熔化金屬的流動性，部分焊縫金屬因重力作用而向下塌陷，進一步影響了熔池的穩定性，最終導致熔深下降。

圖5 激光功率對焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響Fig.5 Effect of laser power on penetration, width and penetration to width ratio of welded joints

2.2 焊接速度對焊接接頭宏觀形貌的影響

在激光功率為4 100 W、芯環比為65%、離焦量為?2 mm 條件下，在50～250 mm/min 區間內改變焊接速度，增量設為50 mm/min。不同焊接速度下焊接接頭正背面形貌與橫截面如圖6 所示。如圖6a 所示，當焊接速度為50 mm/min 時，在焊縫后端發生了焊縫金屬下塌的現象。從圖6d 可以看出，當焊接速度為200 mm/min 時，焊縫中段出現未焊透的情況。而在圖6e 中，隨著焊接速度繼續增大到250 mm/min，焊縫背面幾乎全部未被焊透。由圖6d 和圖6e 可以看出，在焊接速度為200 mm/min 和250 mm/min 時，焊縫后端均出現了局部咬邊缺陷。焊接速度的大小在一定程度上影響著單位時間內的焊接熱輸入，如果焊接速度相對較慢，小孔內熔化金屬則會增多，而金屬的表面張力無法維持寬而大的熔池內液態金屬量，反沖壓力和固液表面張力在沒達到理想的平衡情況下，會導致焊縫發生下塌現象[25]。此外，未焊透的主要原因在于焊接速度過快，單位時間內的熱輸入不足，使匙孔熔化深度不夠。在這種情況下，鋼板表面的固相和液相對激光的吸收率都不足，由材料氣化而產生的等離子氣體與激光相互作用的效果減弱，從而導致焊縫部分區域出現未熔合的情況。

圖6 焊接速度對焊接接頭宏觀形貌的影響Fig.6 Effect of welding speed on macroscopic morphology of welded joints

焊接速度對焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響如圖7 所示。可以看出，隨著焊接速度在50～250 mm/min內逐步增大，焊接接頭的熔深、熔寬大體呈現下降趨勢。熔深從1.42 mm 緩慢下降到1.33 mm，而熔寬從1.44 mm 下降到1.02 mm，變化幅度較大。深寬比最大值出現在焊接速度最小時，最大值出現在焊接速度最大時，在焊接速度為150 mm/min 處出現一個拐點，此時的深寬比為1.22。隨著焊接速度的增大，激光停留時間縮短，熔池高溫停留的時間也變短，導致熱輸入減小，進而導致熔池凝固時間減短，出現熔深、熔寬值降低的現象。但焊接速度也不能過慢，焊接速度過慢會使熱輸入時間變長，焊縫金屬在高溫下停留的時間過久。這會導致熔化金屬過度流動，超過了焊縫所需范圍，進而會燒穿焊縫。此外，過長的高溫停留時間也會引起熱影響區的擴散，對周圍材料造成不良影響，降低焊接接頭的質量和穩定性。在激光功率一定的情況下，合適的焊接速度可以獲得成形良好的焊縫，并且在實際生產中，焊接速度直接影響了產品生產效率。因此，在選取焊接速度時，不僅要保證焊接接頭的美觀性，符合其性能的使用性要求，而且同樣要考慮焊接速度對產品生產效率的影響。

圖7 焊接速度對焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響Fig.7 Effect of welding speed on penetration, width and penetration to width ratio of welded joints

2.3 芯環比對焊接接頭宏觀形貌的影響

保持激光功率為4 100 W、焊接速度為150 mm/min，離焦量為?2 mm 不變，在55%～75%區間內以5%為增量逐漸提升芯環比。不同芯環比下焊接接頭正背面形貌和橫截面如圖8 所示。可以看出，隨著內環功率占比的提高（即芯環比的增大），焊縫背面的成形質量逐漸變差。當芯環比為70%時，焊縫出現局部燒穿現象。而當芯環比為75%時，焊縫背面出現大面積的燒穿情況。這是因為當芯環比超過一定閾值時，中心光斑的功率過高，導致焊縫成形質量下降，如圖8d 和圖8e 所示。相反，在芯環比為50%～65%時，焊接接頭的成形質量相對較好，如圖8a～c 所示。也就是說，當芯環比適當時，焊縫的成形質量較好。此外，當芯環比相對下降時，熔池的渦流受到外環能量的抑制效果增強，熔池的動態性相對穩定，有助于焊接接頭的成形和質量穩定。

圖8 芯環比對焊接接頭宏觀形貌的影響Fig.8 Effect of core on macroscopic morphology of welded joints

芯環比對焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響如圖9 所示。可知，隨著芯環比在55%～75%內逐漸增大，焊接接頭的熔寬呈現先增后降的趨勢，熔寬的最大值為1.26 mm，出現在60%芯環比時，最小值出現在75%芯環比時，為1.01 mm。而熔深在芯環比為55%～65%時較理想，此時外環前端預熱金屬、尾部穩定熔池的作用較明顯。隨著芯環比繼續提升，熔深也開始逐步降低至1.31 mm。深寬比總體呈W 形上升，在60%芯環比時最低，為1.08，在75%芯環比時最高，為1.30。芯環比對焊縫的尺寸影響顯著，因此，選擇合適的芯環比能夠充分體現焊接特性，得到較好的熔深、熔寬以及成形美觀的焊接接頭。

圖9 芯環比對焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響Fig.9 Effect of core on penetration, width and penetration to width ratio of welded joints

2.4 離焦量對焊接接頭宏觀形貌的影響

固定激光功率為4 100 W、焊接速度為150 mm/min、芯環比為65%不變，使離焦量從0 mm 逐漸降低到?4 mm，每次降低1 mm。不同離焦量下的焊接接頭正背面形貌和橫截面如圖10 所示。從圖10a 可以看出，當離焦量為0 mm 時，焊縫背面出現了較為嚴重的燒損變色，并且在焊縫兩側產生了飛濺。然而，隨著離焦量從0 mm 降到?4 mm，背面焊縫兩側的燒損變色情況有所減輕，并且在尾部出現了局部未熔合的情況，如圖10d 所示。以上現象表明改變離焦量會影響激光功率的密度，進而對焊縫成形產生影響。當離焦量為0 mm 時，激光的焦點會直接作用于工件表面，由于激光焦點的能量密度極高，容易引起比較嚴重的燒損變色和飛濺。當離焦量為?3 mm 和?4 mm 時，激光焦點與工件的距離較大，焦點的熱能無法充分集中在焊接區域，導致焊接部位的熔池量減少，從而影響了熔化金屬對焊縫的填充，出現尾部未熔合的現象。

圖10 離焦量對焊接接頭宏觀形貌的影響Fig.10 Effect of defocus amount on macroscopic morphology of welded joints

離焦量對焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響如圖11 所示。可以觀察到，離焦量對焊接接頭熔深、熔寬和深寬比有一定的影響。在0～?4 mm 區間內，深寬比呈現先減小后增大再較小的趨勢。在離焦量由0 mm 降至?4 mm 的過程中，熔深呈現先增大后減小的趨勢：在離焦量為?2 mm 時，熔深最大，為1.42 mm，而在離焦量為?4 mm 時，熔深最小，為1.35 mm。這表明較小的離焦量會導致焊縫過深，而較大的離焦量則會導致焊縫相對較淺。在離焦量為0 mm 時，熔寬最小，僅為0.98 mm，在離焦量為?2 mm 時，熔寬最大，為1.16 mm。焊縫熔寬主要與激光作用面積及能量密度有關，因此離焦量的變化會影響熔寬的大小。通常當離焦量為負時焊接試板內部的功率密度較高，熔池內部金屬受激光熱輻射充分，容易獲得較大的熔深。

圖11 離焦量對焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響Fig.11 Effect of defocus amount on penetration, width and penetration to width ratio of welded joints

3 結論

探究了不同工藝參數（激光功率、焊接速度、芯環比、離焦量）下焊接接頭正背面形貌及其對熔深、熔寬及深寬比的影響，得到如下結論：

1）當激光功率為4 100 W 時，焊接接頭成形較好。隨著激光功率從3 500 W 逐步增大到4 400 W，熔深從1.37 mm 提高至1.44 mm。然而，當激光功率達到4 700 W 時，焊縫后半部出現燒穿現象，并且此時的熔深最小，僅為1.35 mm。總體而言，焊縫深寬比呈下降趨勢。

2）當焊接速度為150 mm/min 時，焊接接頭成形較好。隨著焊接速度從 50 mm/min 逐步增大至250 mm/min，焊接接頭的熔深和熔寬基本呈現下降趨勢。在焊接速度為250 mm/min 時，焊縫背面幾乎完全未被焊透，而深寬比呈上升趨勢。

3）芯環比對焊縫尺寸的影響顯著。隨著芯環比從50%逐步增大到75%，焊縫寬度增大，且背面成形逐漸變差。當芯環比為65%時，焊接接頭無明顯缺陷；然而，當芯環比為75%時，焊縫出現了大范圍的燒穿現象。

4）當離焦量為?2 mm 時，焊接接頭成形較好。隨著離焦量從0 mm 降低至?4 mm，焊縫背面兩側燒損變色情況有所減輕，焊縫熔寬在離焦量為0 mm 時最小，在離焦量為?2 mm 時最大。而焊縫熔深先增大后減小，在離焦量為?2 mm 時達到最大值，深寬比的變化趨勢是先減小后增大再減小。