乘用車車門鋁板材料激光填絲焊試驗研究

摘要：以乘用車鋁合金車門為研究對象，通過仿真模擬與工藝試驗的綜合應用，研究鋁合金板材的激光填絲焊工藝和焊接質量，通過評判焊接后焊縫的成形質量和力學性能等，獲得適用于鋁合金車門激光填絲焊的最佳工藝參數，并利用此參數進行鋁車門內板總成的激光填絲焊試制，獲得了較好的焊接質量。結果表明，針對厚度為1.5 mm的5182鋁板和6016鋁板激光填絲搭接焊，采用激光功率為2 600 W、焊接速度為2.5 m/min、送絲速度為7 m/min的參數配置，可獲得較好的焊縫成形質量和力學性能，滿足實際鋁車門內板總成的焊接質量要求。

關鍵詞：鋁合金 激光填絲焊 焊接仿真 工藝試驗

中圖分類號：U465.2；U466" " " 文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240171

Experimental Study on Laser Filler Wire Welding of Aluminum Plate Material of Passenger Car Door

Song Qingjun， Li Guochen， Song Qifeng， Zhang Linyang， Gao Donghong

（Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

Abstract： With the aluminum alloy door of passenger car as the research object， the laser wire filling welding process and welding quality of aluminum alloy sheet are studied through comprehensive application of simulation and process test. The optimal process parameters suitable for laser wire filling welding of aluminum alloy door are obtained by judging the forming quality and mechanical properties of the weld after welding. Using this parameter， the laser wire filling welding of the inner plate assembly of the aluminum door is prototyped and a better welding quality is achieved. The results show that for the laser wire filling lap welding of 5182 aluminum plate and 6016 aluminum plate with thickness of 1.5 mm， better weld forming quality and mechanical properties can be obtained with the following process parameters： 2 600 W laser power， 2.5 m/min welding speed and 7 m/min wire feeding speed， and can satisfy the welding quality requirements of the actual aluminum door inner plate assembly.

Key words： Aluminum alloy， Filler wire welding， Welding simulation， Process testing

1 前言

汽車行業輕量化可有效降低油耗、減少尾氣排放，提高駕駛操控性[1]，材料替代可顯著提升汽車輕量化水平，目前鋁合金材料已在乘用車車身中大量應用，采用鋁合金車門代替傳統的鋼制車門，可使車門總成質量減輕20%～30%，輕量化效果顯著。然而，鋁合金在焊接時焊縫成形性較差，易產生氣孔、裂紋、咬邊、接頭軟化等缺陷。激光焊接技術作為一種先進的焊接技術，具有能量密度高、熱輸入小、焊縫深寬比大、焊接變形小等優點[2]，已廣泛應用于車身鋁合金構件的焊接制造中，如奧迪A8車門采用了鋁合金激光焊接技術，凱迪拉克CT6行李箱蓋外板采用了激光焊進行連接，焊縫成形美觀，而蔚來全鋁車身在頂蓋與側圍、車門等部位大量應用了鋁合金激光填絲焊技術，實現了高效、高質量和高美觀度的焊接效果[3]。

本文采用激光填絲焊技術進行乘用車車門用鋁板的焊接工藝及性能研究，首先選用Simufact有限元分析軟件進行焊接工藝參數優選，其次利用優化的焊接參數進行鋁合金激光填絲焊工藝試驗，分析焊縫成形質量及力學性能等，同時對比激光填絲焊接頭與鋁點焊接頭力學性能的優劣，探討烘烤處理對焊縫性能的影響，最后進行鋁合金車門內板總成的激光填絲焊試制，并檢驗焊接質量。

2 試驗設計

2.1 試驗材料及設備

激光填絲焊主要應用于乘用車鋁合金車門內板與窗框加強板的連接，如圖1所示，連接位置主要位于車門玻璃四周，局部連接結構如圖2所示，采用搭接接頭形式，門內板為上板，窗框加強板為下板，基于此，本文研究搭接形式的激光填絲焊技術，為與實際鋁車門的焊接材料一致，選用的接頭上板為厚度1.5 mm的5182鋁板，下板為厚度1.5 mm的6016鋁板，性能參數如表1所示，激光束傾斜45°照射上板端部與下板交界處，形成2層板材的有效連接。試驗選取焊絲牌號為ER4043鋁硅焊絲，其硅含量約為5%，該焊絲流動性好，具有優良的焊接工藝性能和抗熱裂性能，可有效避免鋁合金焊接過程中產生的熱裂紋，試驗選取直徑為1.2 mm的鋁焊絲。

試驗所用激光焊接設備為IPG-10000型光纖激光焊接系統，匹配KUKA機器人及Fronius送絲系統，如圖3所示，其光纖芯徑為200 μm，聚焦鏡焦距為300 mm，準直鏡焦距為150 mm。焊縫成形質量評價采用Observer A 1 m金相顯微鏡，接頭力學性能評價采用Zwick/Roell Z100電子拉力試驗機，接頭的斷裂吸收功為接頭拉力試驗所得的力-位移曲線下的面積，利用Origin軟件求取。焊縫外觀成形質量采用目視或低倍顯微鏡進行評價；焊縫內部成形質量分析需沿垂直于焊縫長度方向截取焊縫完整截面，依次進行磨樣、拋光、腐蝕等工序，最后置于顯微鏡下觀察焊縫成形質量；力學性能分析中，選取試驗樣板尺寸為110 mm×40 mm，裝配為搭接接頭形式，在上板端部與下板交界處進行焊接，焊縫位置如圖4所示，焊縫長度為20 mm，所測得的力學性能結果為3組試樣的平均值。

2.2 仿真分析方案

試驗前首先通過模擬仿真優化焊接工藝參數，本文選用Simufact有限元分析軟件進行焊接模擬，網格劃分、熱源模型建立、材料性能輸入、焊接參數確定和初始邊界條件設置等均在此軟件中進行，其中，模型網格劃分采用六面體實體單元，單元邊長為0.5 mm，熱源模型采用軟件中適用于激光填絲焊的高斯圓錐熱源模型，材料性能從軟件材料庫中獲取，焊接工藝參數中焊接速度為2.5 m/min，送絲速度為7 m/min，激光功率為2 400 W、2 600 W、2 800 W、3 000 W，仿真模型如圖5所示，通過設置不同的激光功率來優化鋁合金激光填絲焊工藝參數，獲得最佳的焊縫成形質量。

2.3 焊接試驗方案

鋁合金板材激光填絲搭接焊試驗采用仿真模擬獲得的優化工藝參數，評價焊縫成形質量和接頭力學性能，其中，焊縫成形質量包括外觀成形質量和內部成形質量，并研究激光束偏移量對焊縫成形的影響；接頭力學性能評價中，測試搭接接頭的拉剪力學性能，并將激光填絲焊接頭與鋁點焊接頭的力學性能進行對比，同時研究烘烤處理過程對焊縫性能的影響。最后利用優化的工藝參數進行車門內板與窗框加強板焊接，評價焊接質量，并分析激光填絲焊技術在鋁合金車門焊接中的應用可行性。

3 結果分析

3.1 仿真分析結果

利用前文所述的4種激光功率參數進行焊接過程仿真，分析焊縫成形質量，所得的焊縫截面形貌如圖6所示，焊縫熔深尺寸如表2所示。隨著激光功率的提高，焊接熱輸入量逐漸升高，焊縫截面面積和熔深尺寸均逐漸增大，根據產品設計標準，鋁合金搭接接頭激光填絲焊的焊縫熔深需大于下層板厚的25%，因此，本文所用的厚度為1.5 mm的板材，焊縫熔深需大于0.375 mm，故2 400 W激光功率下的焊縫熔深不滿足要求，且焊趾部位存在未熔合現象，焊縫承載面積不足，而其他3種激光功率下的焊縫熔深均滿足要求，但當激光功率為2 800 W和3 000 W時，由于焊接熱輸入較大，會產生較大的焊接應力和變形，嚴重影響焊接總成的形狀和尺寸精度，且提高了焊接成本。因此，從焊縫熔深、焊縫承載面積、焊接變形等角度考慮，最優的工藝參數為焊接速度2.5 m/min、送絲速度7 m/min、激光功率2 600 W。

3.2 焊縫成形質量

選取上述最優工藝參數進行厚度為1.5 mm的鋁板激光填絲搭接焊試驗，激光束傾斜45°照射上板端部與下板交界處，使上板端部與下板部分材料發生熔化，凝固后形成焊縫，該焊接結構和焊接方法對接頭裝配精度的要求較低，焊接過程穩定，且能有效減少焊縫氣孔和裂紋等缺陷，獲得較高的接頭力學性能，因此，國內外鋁車門焊接普遍采用搭接焊結構和激光填絲焊技術。

本文利用最優工藝參數獲得的焊縫外觀質量和內部質量如圖7所示，可以看出，焊縫的外觀成形質量和內部成形質量良好，焊縫規則、飽滿，無氣孔、裂紋、飛濺、未焊透、未熔合、燒穿等缺陷，同時，焊縫熔深尺寸達到了0.72 mm，滿足相關設計標準。綜上，采用上述工藝參數可獲得質量較好的搭接焊縫，滿足鋁合金車門激光填絲焊縫對成形質量的要求。

在上述最優工藝參數基礎上研究了光束偏移量對焊縫成形質量的影響，光束偏移量是指激光束相對光束對中位置的偏離值，如圖8所示，光束對中位置指激光束傾斜45°射入上板端面根部與下板上表面的交點位置，試驗中分別設置光束偏移量為0 mm、+0.5 mm、+1.0 mm、-0.5 mm和-1.0 mm，其中，0 mm代表激光束位于光束對中位置，“+”代表激光束相對光束偏向上層板，“-”代表激光束相對光束偏向下層板。

利用前文最優工藝參數進行焊接，經多輪次的工藝優化后，得到5種光束偏移量所對應的焊縫內部成形質量，如圖9所示。該5種焊縫內部質量良好，無氣孔、裂紋、燒穿、未焊透、未熔合等焊接缺陷，其中，當偏移量為0 mm、+0.5 mm、+1.0 mm時，焊縫表面飽滿，承載面積大，但當偏移量為+1.0 mm時，激光能量更多地作用于上板，導致下板的熱輸入量不足，焊縫熔深過小，不滿足設計標準；偏移量為-0.5 mm和-1.0 mm時，激光能量更多地作用于下板，上板的熱輸入量不足、熔化量過小，導致焊縫表面出現凹陷，上、下板連接面積較小，焊縫承載力不足，因此，鋁合金搭接接頭激光填絲熔焊的光束偏移量為0～+0.5 mm比較理想。

3.3 接頭力學性能

選取工藝參數為焊接速度2.5 m/min、送絲速度7 m/min、激光功率2 600 W、光束偏移量0 mm，焊縫長度設定為20 mm，焊接3組搭接接頭力學性能試樣，測量接頭的拉剪性能，拉剪速率為3 mm/min，結果如表3所示。長度為20 mm的激光填絲焊縫所能承受的最大拉剪力均值為5.87 kN。力學性能測試后的試樣斷裂照片如圖10所示，可以看出，接頭沿上層板材與焊縫金屬的交界面發生斷裂，整個焊縫均遺留在下層板上，說明上層板與焊縫金屬的交界面為整個接頭的最薄弱區域。

將厚度為1.5 mm的5182鋁板和6016鋁板進行點焊連接，制成點焊搭接試樣，經多輪參數優化后使點焊熔核直徑穩定在6 mm，選取表面質量較好的點焊搭接試樣進行拉剪性能測試，結果如表4所示，點焊試樣的最大拉剪力和斷裂吸收功分別為4.82 kN和6.63 J，激光填絲焊試樣的最大拉剪力和斷裂吸收功分別為5.87 kN和8.48 J，均高出點焊試樣20%以上，因此，采用激光填絲焊代替點焊焊接鋁合金車門可顯著提升車門的靜載強度和碰撞安全性。

為模擬汽車車身經涂裝后的烘烤過程，對試驗中所得的激光填絲焊樣品進行烘烤處理，烘烤溫度為180 ℃，烘烤時間為30 min，分析烘烤處理對焊縫性能的影響。經烘烤處理后，接頭的最大拉剪力均值為5.95 kN，與未經烘烤處理的接頭性能相比變化不大，因此，可認為涂裝烘烤過程不會對激光填絲焊接頭的性能產生較大影響。

4 車門內板總成焊接

利用上述優化的工藝參數進行鋁合金車門內板和窗框加強板的焊接，采用搭接斷續焊形式，總計21條焊縫，每條焊縫長度為20～25 mm，相鄰焊縫間隔為50～70 mm，每件車門總成激光填絲焊接用時為30～40 s，焊接后的總成樣件及焊縫局部如圖11所示，可見焊縫表面成形良好，焊縫規則、飽滿，未見氣孔、裂紋、飛濺等焊接缺陷，滿足乘用車車門總成對焊縫表面質量的要求。利用專用檢具進行車門總成尺寸精度檢測，檢測結果均滿足產品尺寸精度要求，說明熱輸入量較小的激光焊工藝不會使焊接總成產生過大的形變，使用該工藝的零部件能夠很好地滿足產品質量要求。

隨機抽檢3個位置的焊縫進行內部質量檢測，結果如圖12所示，可見3個位置的焊縫內部成形質量較好，與試板樣品的截面形貌相當，無氣孔、裂紋、未焊透、未熔合、燒穿等缺陷，焊縫熔深尺寸滿足相關設計標準，綜上，激光填絲焊應用于鋁合金車門總成焊接具有良好可行性。

5 結束語

本文采用激光填絲焊技術進行車門鋁板的焊接工藝及性能研究，并利用優化的工藝參數進行鋁合金車門的焊接試制，得出如下結論：

a. 通過仿真模擬可知，隨著激光功率的提高，焊縫截面面積和熔深尺寸均逐漸增大；厚度為1.5 mm的5182鋁板和6016鋁板搭接焊的較優工藝參數為焊接速度 2.5 m/min、送絲速度7 m/min、激光功率2 600 W、光束偏移量0～0.5 mm。

b. 激光束偏向上層板時，焊縫表面飽滿，承載面積大；激光束偏向下層板時，焊縫表面存在凹陷，上、下板連接面積較小，焊縫承載力低。

c. 長度為20 mm的激光填絲焊接頭相比于熔核直徑為6 mm的點焊接頭，最大拉剪力和斷裂吸收功均提升20%以上；涂裝烘烤過程對激光填絲焊接頭的力學性能影響不大。

d. 利用仿真模擬和試驗中優化的工藝參數進行鋁合金車門的激光填絲焊試制，可獲得成形質量良好且無缺陷的焊縫，激光填絲焊技術能夠很好地滿足鋁合金車門產品的質量要求。

參考文獻：

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