摘要：激光拼焊技术因其多方面的优势，受到科学家与汽车企业的青睐。利用激光拼焊技术，不同材质、不同厚度，甚至不同涂层的板材均可以焊接在一起，形成理想的焊缝。然后，对拼焊好的板材进行冲压成形，可以直接应用在汽车上制造。在汽车车身与零部件的生产中应用激光拼焊技术，既可以实现同等强度，又可以减轻汽车重量，同时，可以减少材料消耗和加工工序，在很大程度上提高企业生产效率，降低汽车的生产成本。此外，与电阻点焊和电弧焊相比，激光焊接的优点在于单位热输入量少、热变形小、焊缝深宽比大、焊接速度高、焊缝强度普遍高于母材、镀层锌的损耗低。
焊缝凹陷是激光拼焊时常见的缺陷之一。激光拼焊焊缝的凹陷与激光功率密度、焊接速度有很大关系，但是被焊接件的配合间隙是更为主要的影响因素。激光光斑尺寸很小，如果要同时落在两块板材的边缘处，就会由于过大的间隙将导致漏光及金属熔化量不足, 造成焊缝表面凹陷，严重降低抗拉强度。因此，即使进行了精确装配，随着焊接的进行，拼焊的间隙也会逐渐加大，对焊接质量造成影响。本文通过正交试验，对镀锌钢板进行激光拼焊，研究零拼焊间隙下焊接功率与焊接速度等因素对激光拼焊的影响，以及拼焊间隙对焊接质量的影响。
关键词：激光技术；镀锌钢板；拼焊板；光纤激光焊接；间隙
前言：镀锌拼焊板的应用，不仅可以提升汽车的防腐性能，而且可以在保持同等强度的条件下，减轻车体重量。激光焊接与其他焊接工艺相比，有焊缝窄、强度高、热影响区小等优点。但是，拼焊间隙会造成焊缝表面凹陷，焊缝强度不够。通过光纤激光拼焊，在获得较好的侧吹保护气体参数后，以正交实验的方式研究激光功率与焊接速度对焊缝成形的影响。通过宏观金相实验、拉伸实验与杯突实验等检测手段，对焊缝的形貌、力学性能与冲压成形性能进行检测。确定激光功率为3 kW，焊接速度为4 m/min是最佳工艺参数。在最佳工艺参数基础上，研究拼焊间隙大小对焊缝成形的影响。结果表明，当间隙不超过0.15 mm(约为板厚的 11.1%)时，可以获得良好的焊缝。
1、试验设备与方法
1.1 试验设备
试验采用的是YLS-10000光纤激光器、YW52紧凑型激光头与数控机床。激光器最大输出功率为10 kW，连续激光输出，输出波长为1070nm。传输光纤纤芯直径为0.3mm，准直镜焦距为150mm，聚焦镜焦距为300mm，焦斑直径为0.6mm。
1.2 试验材料
试验材料牌号为HC260LAD+Z100MB，此种钢板是冷轧热镀锌钢板，其主要化学成分可参考文献。材料的屈服强度在260~330MPa范围内，属于高强度低合金钢，添加的 Ti、Nb合金元素属于碳化物形成元素，能形成碳氮化合物粒子进行析出强化。同时，通过微合金元素的细化晶粒作用，得到较高的强度。材料的断后延伸率超过26%，在汽车设计中，实际应用于车体板材。具有极好的塑性，当车体受到碰撞时，能够通过变形吸收极大的能量，对车内人员的安全起到非常大的作用。试验板材尺寸为150 mm×60 mm×1.35mm，进行1.35 mm+1.35 mm等厚拼焊。板材通过高精剪而成，切口光滑平整，有良好的直线度。焊接前用丙酮清洗焊接部位，去除油污。
1.3 试验步骤
在零拼焊间隙的基础上，采用氩气进行侧吹保护，调整出一个比较合适的保护气体参数。调节激光功率与焊接速度进行正交试验，所有试验均保持离焦量为零。利用金相显微镜、万能拉伸试验机等仪器对焊缝进行检测，最终得到较理想的参数。在获得的参数基础上，改变拼焊间隙进行焊接试验，间隙设计为 0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mm。对焊缝进行上述检测，得出拼焊间隙对车用镀锌钢板光纤激光拼焊的影响。
2、试验结果及分析
2.1 焊缝表面形貌
得到的焊缝都比较均匀连续，无明显的裂纹、气孔等缺陷。在P=1 kW，v=4 m/min时焊缝过窄。可以推断，在P=1 kW，v=6 m/min时，焊缝会更窄，因而不进行该试验中随着焊接功率的增加，焊缝宽度增加；随着焊接速度的加快，焊缝宽度减小。
2.2 焊缝截面形貌
焊缝截面形貌如图所示。从焊缝的截面结构来看，呈现上宽下窄的特点，这是因为在焊接过程中，材料表层先吸收到较多的能量。对于图(a)与图(d)，焊缝截面没有呈现比较理想的倒梯形，而是更倾向于倒三角形，这表明在焊接过程中，底层材料没有吸收到足够的能量，金属熔化不足，而且焊缝凹陷比较明显。对于图(c)与图(g)，焊缝均有一定程度的凹陷。对于图(e)，焊缝截面呈典型的倒梯形，焊缝较饱满，但是，从图中可以看到明显的粗大柱状晶，而且热影响区很宽，说明热输入量过大。对于图(b)与图(f)，呈现出较理想的焊缝。因此，可以认为P=3 kW，v=4 m/min与 P=2 kW，v=2 m/min均为较优的工艺参数。
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零拼焊间隙焊缝截面形貌图
2.3 焊缝力学性能
2.3.1抗拉强度
经过宏观接头形貌观察后，再对P=1 kW，v=4 m/min以外的其他参数焊缝进行拉伸试验，加载速度为2 mm/min，拉伸断裂位置均位于母材，表明这些参数下的激光拼焊焊缝抗拉强度均高于母材。从激光焊接的特点来讲，焊接过程中冷却速度快，在焊缝中会形成强度很高的马氏体，因此焊缝强度比母材高。
2.3.2冲压性能
综合以上检测，选取了P=3 kW，v=4 m/min和P=2 kW，v=2 m/min这两个较优参数的试样，进行了杯突实验。焊缝杯突值与母材相比，两个参数下的杯突值均有一定程度的下降。但是，试样出现的第一条裂纹均贯穿母材与焊缝，且与焊缝垂直。这表明焊缝冲压性能符合要求。因此，在P=3 kW，v=4 m/min时，所形成焊缝形貌良好，接头强度高且冲压性能好，可认为是最佳工艺参数。
结语：对HC260LAD+Z100MB车用镀锌钢板进行光纤激光拼焊得到了如下结论：1)针对激光功率与焊接速度进行正交试验，结果表明，功率为3 kW，焊接速度为4 m/min时为最佳工艺参数。2)在最佳工艺参数基础上，调整拼焊间隙的大小进行研究。结果表明，当拼焊间隙不超过0.15 mm(约为板厚的11.1%，激光光斑直径的25.0%)时，能形成符合强度与深冲性能要求的焊缝；当间隙达到0.20 mm(约为板厚的14.8%，激光光斑直径的 33.3%)时，能形成符合强度要求的焊缝，但深冲性能不符合要求；当间隙达到 0.25 mm(约为板厚的18.5%，激光光斑直径的41.7%)时，不能形成完整的焊缝。
参考文献：
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