數(shù)控激光焊接（laserwelding）是一種先進(jìn)的現(xiàn)代制造技術(shù)，它是以高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過(guò)激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接的方法。在汽車工業(yè)中，激光焊接主要用于車身框架結(jié)構(gòu)的焊接，例如頂蓋與側(cè)面車身的焊接。高強(qiáng)度鋼板多用于汽車車身安全件，采用激光焊接技術(shù)，工件連接之間的接合面寬度可以減少，既降低了板材使用量也提高了車體的剛度，可滿足汽車車身“輕量化”的要求。

 

　　在實(shí)際激光焊接中，需要專門的夾緊和設(shè)備技術(shù)，這種設(shè)備的精確程度與激光焊接的質(zhì)量高低是相輔相成的，試驗(yàn)研究采用的LCK－12×25型數(shù)控精密激光加工機(jī)床是一種新型激光切焊設(shè)備。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在高強(qiáng)度鋼的激光焊接應(yīng)用方面雖做了大量的工作，但仍需作進(jìn)一步的研究與探索。對(duì)1.5mm厚高強(qiáng)鋼板進(jìn)行了深熔焊接工藝試驗(yàn)，獲得了較好的焊接效果，并對(duì)焊接接頭性能評(píng)價(jià)等方面做了一定的研究，并給出了一套可以有效控制焊接板材加工質(zhì)量的工藝參數(shù)。

 

　　1試驗(yàn)條件及方法1.1試驗(yàn)條件焊接材料是瑞典生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼（DOGAL800DP），工件尺寸為100mm×30mm×1.5mm。

 

　　1.2試驗(yàn)方法焊接接頭采用對(duì)接直焊縫方式，依靠夾具來(lái)保證被焊件的裝配精度。由于影響高強(qiáng)鋼激光焊接工藝的參數(shù)較多，若采用單因素輪換的全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，試驗(yàn)量過(guò)大，而且在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮各因素之間的交互效應(yīng)。因此，本項(xiàng)研究采取了正交試驗(yàn)法，以優(yōu)化出高強(qiáng)鋼的*佳焊接工藝規(guī)范。圖1為激光焊接板材試驗(yàn)設(shè)備的總體布局示意簡(jiǎn)圖。

 

　　2激光焊接的主要影響因素影響激光焊接的因素主要有激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、焊接角度、保護(hù)氣體流量及等離子體的控制、防止焊接飛濺等。

 

　　2.1激光能量激光的能量密度與光束波長(zhǎng)、光束與材料之間的耦合能力等都密切相關(guān)，是激光焊接中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。激光深熔焊接的前提是聚焦激光焦斑有足夠高的功率密度，激光深熔焊接時(shí)，熔深直接與光束功率密度有關(guān)，而且是入射光束功率和光束直徑的函數(shù)。熔深h約與激光功率P的0.7次方成正比例，即：h∞P 0.7 2.2焊接速度焊接速度主要影響熔池和焊縫形狀，隨著焊速的增加，熔池的流動(dòng)方式和尺寸將會(huì)改變。提高速度會(huì)使焊接熔深變淺，甚至工件未被完全焊透；但速度過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)度熔化、使焊縫加寬，表面凹陷，嚴(yán)重時(shí)使工件焊穿。所以，對(duì)一定激光功率和厚度的某一特定材料都有一個(gè)合適的焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時(shí)可獲得*大熔深。

 

　　2.3聚焦位置*佳聚焦位置是由接頭的幾何形狀、類型、方向、間隙、錯(cuò)位和所需焊縫強(qiáng)度、熔深、焊道寬度及材料偏置決定的。在對(duì)接接頭形式下產(chǎn)生*大熔深，此時(shí)的聚焦位置即為*佳聚焦位置。

 

　　離焦量是指*佳光斑尺寸與工件之間的距離，離焦量不僅影響工件表面光斑直徑的大小，而且影響光束的入射方向，因而對(duì)焊縫形狀、熔深和橫截面積有較大影響。焊接時(shí)，為了保持足夠功率密度，焦點(diǎn)位置至關(guān)重要，對(duì)大多數(shù)激光焊接應(yīng)用場(chǎng)合，通常將焦點(diǎn)位置設(shè)置在工件表面下大約所需熔深的1／4處。

 

　　2.4焊接角度光束呈一定傾角入射時(shí)會(huì)增大工件表面的光斑面積，降低功率密度，即使焊接速度不變，也會(huì)減小深熔，因此焊接時(shí)應(yīng)盡量避免使光束產(chǎn)生傾角。如果不能避免，也應(yīng)盡量?jī)A角*小，同時(shí)*小傾角應(yīng)能保證聚焦光束不燒蝕鄰近工件或夾具。

 

　　2.5保護(hù)氣體成分和流量激光焊接過(guò)程使用惰性氣體來(lái)保護(hù)熔池，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合則常采用氦、氬、氮等氣體。如等離子體存在過(guò)多，熔深變淺，焊接熔池表面變寬。等離子體云尺寸隨采用的保護(hù)氣體不同而變化，氦氣*小，氮?dú)獯沃⑹褂脷鍤鈺r(shí)*大，即：Ar→N 2→CO 2→He。氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體*經(jīng)濟(jì)，也*常用，本試驗(yàn)采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。

 

　　在氣流量方面，若氣流量過(guò)小，不能驅(qū)離等離子體，對(duì)焊縫及鏡片的保護(hù)效果也不好；氣流量過(guò)大，帶走大量熱能，而且會(huì)加大紊流度，對(duì)熔池?cái)嚢枳饔眉觿。自斐珊缚p氣孔等缺陷。

 

　　2.6焊接飛濺及其防止焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺堆積在聚焦鏡上會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。隨著焊接飛濺和其他殘?jiān)诰劢圭R和透鏡表面上越積越多，鏡片將會(huì)吸收能量從而產(chǎn)生熱變形，降低焊接質(zhì)量，減小熔深。

 

　　為防止焊接飛濺，可以在聚焦裝置上安裝一個(gè)空氣刀，打開空氣刀時(shí)就會(huì)在聚焦鏡前面形成一個(gè)氣層，起到阻礙飛濺的作用。另外，還可以在銅鏡表面涂覆一層保護(hù)金屬，有效防止焊接飛濺對(duì)貴重光學(xué)器件產(chǎn)生危害。

 

　　3分析與討論3.1焊縫的力學(xué)性能試驗(yàn)試驗(yàn)在WDW－100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度0.5mm／min，夾頭間距60mm，對(duì)焊件拉伸試驗(yàn)所做的應(yīng)力－應(yīng)。可以看出焊件焊縫強(qiáng)度與母材大體相當(dāng)，沒(méi)有出現(xiàn)焊縫的軟化現(xiàn)象，在選擇優(yōu)化的工藝參數(shù)下，焊縫強(qiáng)度甚至高于母材強(qiáng)度。

 

　　3.2焊縫金相及顯微硬度組織激光焊接金屬及熱影響區(qū)的組織和硬度是由化學(xué)成分和冷卻速度決定的。在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)會(huì)得到淬硬組織馬氏體，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因與激光焊接的特殊性和材料的特性有關(guān)，接頭淬硬傾向一般可由顯微硬度來(lái)反映。焊縫區(qū)的金相組織是上貝氏體＋低碳馬氏體，熱影響區(qū)的金相組織是羽毛狀上貝氏體＋低碳馬氏體＋鐵素體。

 

　　在負(fù)載400克，保持載荷時(shí)間5秒的條件下，焊縫的顯微硬度如下：熱影響區(qū)為441HV，焊縫區(qū)為438HV。對(duì)比母材區(qū)的顯微硬度（271HV），熱影響區(qū)的顯微硬度約為母材區(qū)的1.7倍。接頭組織獲得了板條狀低碳馬氏體，焊縫區(qū)的組織得到細(xì)化，因而接頭硬度會(huì)比母材區(qū)有較大提高，同時(shí)金相觀察也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何裂紋。

 

　　MM－6型臥式金相顯微鏡下不同倍數(shù)的金相及顯微硬度組織測(cè)試圖示3.3焊接接頭的SEM能譜分析利用掃描電鏡SEM（JSM－5610LV）和能譜儀－OXFORD對(duì)焊接接頭進(jìn)行能譜分析，內(nèi)容主要包括點(diǎn)掃描分析焊縫區(qū)相對(duì)母材組成元素的變化及分析。

 

　　從高強(qiáng)鋼板激光焊接接頭的點(diǎn)掃描結(jié)果圖中可以看出，焊縫區(qū)和母材組成元素及其元素原子百分?jǐn)?shù)發(fā)生了相應(yīng)的變化。從焊縫到基體，Mn、Cr、Si、S、Al、Zn和Fe元素的分布則出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)，說(shuō)明各相中的成分存在一定的差異。

 

　　3.4焊縫鹽水腐蝕試驗(yàn)及分析把試件用金相砂紙打磨掉表面的銹蝕產(chǎn)物，露出基體表面，用丙酮清洗樣品表面多次，并在蒸餾水中超聲清洗15min，取出烘干。把上述經(jīng)表面處理的樣片，浸泡在制備的3％NaC1，pH值為7.0的溶液中，以七天為一個(gè)周期，即浸泡1天，晾干6天。

 

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，對(duì)高強(qiáng)度鍍鋅鋼焊件通過(guò)干濕比為6：1，經(jīng)過(guò)為期五周觀察發(fā)現(xiàn)，焊接試件及母材的腐蝕情況相差不大。甚至有些焊件在腐蝕試驗(yàn)后幾周情況還比母材要好，由此可以看出，即使再繼續(xù)腐蝕試驗(yàn)下去，情況也基本差不多，說(shuō)明高強(qiáng)鋼焊件有很好的耐蝕性能。焊接試件及母材腐蝕后金相組織的白色腐蝕生成物主要為：ZnCl2，Zn（OH）2或NaC1等。

 

　　3.5高強(qiáng)鋼焊接缺陷分析氣孔和裂紋是激光焊接過(guò)程中*常出現(xiàn)的缺陷。焊縫氣孔是深熔焊接的一個(gè)直接結(jié)果，由于焊縫深而窄，冷卻速度又快，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣體不一定有足夠的時(shí)間從熔化區(qū)逸出。對(duì)于非穿透焊縫，問(wèn)題比較嚴(yán)重，較易在焊縫的根部出現(xiàn)分散的氣孔。

 

　　激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的原因和傳統(tǒng)焊接工藝相同。淬火裂紋同樣限制了高碳鋼、高合金鋼的激光焊接。熱裂紋產(chǎn)生在焊縫完全凝固之前、其強(qiáng)度不足以承受收縮應(yīng)力的情況。因而那些具有寬的結(jié)晶溫度范圍的材料、且有高的碳、硫、磷含量的材料容易產(chǎn)生裂紋。通過(guò)工藝優(yōu)化，選取合適的焊接工藝參數(shù)，檢測(cè)焊接試件顯示焊接接頭沒(méi)有出現(xiàn)氣孔和裂紋。此外還可以通過(guò)預(yù)熱、加焊絲或調(diào)整焊接參數(shù)等措施來(lái)減少以至消除裂紋。

 

　　4結(jié)論（1）在數(shù)控激光焊接高強(qiáng)鋼板時(shí)，綜合考慮影響激光焊接質(zhì)量的主要因素，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，得到一組優(yōu)化后的工藝參數(shù)，作為本試驗(yàn)激光焊接*終采用的工藝參數(shù)范圍。

 

　　（2）通過(guò)在實(shí)際加工中的工藝總結(jié)，對(duì)高強(qiáng)鋼焊接焊縫進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、金相組織、顯微硬度、成分偏析及焊縫腐蝕試驗(yàn)研究表明：激光焊接1.5mm板厚高強(qiáng)鋼時(shí)，保證焊縫成形、強(qiáng)度和質(zhì)量的*優(yōu)化工藝參數(shù)是在以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體同軸氣流量為3.0m 3／h，激光功率在1300W，離焦量為－0.4mm，焊接速度在0.90m／min，側(cè)吹氣流與水平方向成40°夾角，側(cè)吹氣流量為2.1m 3／h，就能得到滿意的焊縫，可以保證高強(qiáng)鋼的焊接質(zhì)量。