毕业论文车用dp钢激光焊接组织与性能研究

上海工程技术大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名： 日期: 年 月 日上海工程技术大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海工程技术大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期: 年 月 日导师签名： 日期: 年 月 日摘 要激光焊接是先进制造技术的主要研究和发展方向，自激光焊接技术诞生之日起，就受到各行各业的广泛重视和应用。激光焊接在发展生产力，提高制造效率方面有着得天独厚的优势，伴随着激光技术的发展，汽车轻量化这一概念被提上了日程。而高强钢的激光焊接时实现汽车轻量化的重要手段之一，利用先进高强钢高硬度、高强度的特点，使得汽车减重，同时兼顾了安全性和节能的问题。主要研究了车用高强钢（DP590）的焊接工艺，分析了不同焊接参数对高强钢组织性能等方面的研究。主要包括焊缝表面形貌，焊缝截面形貌，显微硬度，拉伸强度，金相组织分析等，初步得出了较优的焊接工艺参数。（1） 采用光纤激光焊接，DP590钢，对接接头的形式。激光功率为3kW时，均能实现全焊透，是典型的匙孔型，焊缝截面有明显的束腰现象。激光功率不变，焊接速度增加，即焊接作用时间减小焊缝表面形貌变差，焊缝截面会出现咬边的情况。（2） 焊接接头主要由马氏体和铁素体组成，还有少量的珠光体，从焊缝中心到母材区马氏体的含量和尺寸不断下降，在结晶区（回火区）出现了轻微的软化区。焊缝平均硬度为360-390HV，母材的硬度为200HV左右，软化区为190-195HV。（3） 焊接后，焊接接头拉伸试验断裂均出现在母材区，说明HAZ的软化区对拉伸强度影响较小。同时试件的延伸率均小于母材，约为母材拉伸率的97%。关键词：激光焊接，高强钢，轻量化，工艺性能ABSTRACTLaser welding is the main research and development direction of the advanced manufacturing technology, since the date of the birth of laser welding technology, it has been widely attention and application of all walks of life. Laser welding in the development of productivity, improve the manufacturing efficiency has a unique advantage, along with the development of laser technology, car lightweight this concept is put on the agenda. And the high strength steel laser welding when implementation of lightweight of automobile is one of the important means, use of advanced high strength steel with high hardness, high strength, the weight reduction of automobiles, and taking into account the safety and energy saving.The welding technology of high strength steel (DP590) for vehicle was studied, and the research on the microstructure and properties of high strength steel with different welding parameters were analyzed. The main results include the weld surface morphology, weld cross section, micro-hardness, tensile strength, microstructure analysis and so on, and the optimum welding parameters are obtained. The conclusions are as follows.(1) The form of butt joint is used when the fiber laser welding DP590 steel plate is welded. When the laser power was 3kW, which can achieve full penetration, is typical of the keyhole, the cross section of the weld has obvious waist. The laser power is constant, the welding speed is increased, that is, the time of welding decreases, the appearance of the weld is changed, and the weld cross section will appear bite.(2) Welding joint is mainly composed of martensite and ferrite and pearlite, from the weld center to the content and size of base metal martensite will continue to decline, in the crystalline region (tempering) appeared slight softening zone. The average hardness of the weld was 360-390HV, the hardness of the parent material was about 200HV, and the softening zone was 190-195HV.(3) After welding, the tensile test fracture of the welded joints occurred in the base metal region, indicating that the softening zone of HAZ had little effect on the tensile strength. The tensile rate of the specimens was less than that of the parent material, and the tensile rate of the parent material was 97%.Key words: Laser welding, high strength steel, Lightweight, process and performance目 录车用DP钢激光焊接组织与性能研究1第1章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 车用先进高强钢的应用现状和发展方向21.2.1 先进高强钢在汽车工业中的应用现状21.2.2 先进高强钢的成形研究现状与发展趋势51.2.3 先进高强钢在中国汽车工业中的发展前景61.3 激光焊接技术概论91.3.1 激光焊接的基本原理101.3.2 激光焊接技术的特点概述111.3.3 激光焊接技术在汽车行业的应用121.3.4 激光焊接技术的发展趋势及应用前景161.5 论文的主要研究内容16第2章 试验材料设备与方法172.1试验材料172.2 试验设备182.3 试验方法242.4 试验小结25第3章 焊接工艺参数对焊接接头的影响253.1 工艺参数对焊缝形貌和尺寸的影响253.2 接头显微组织分析283.3 工艺参数对显微硬度分布的影响323.4 工艺参数对拉伸性能的影响333.5 本章小结36第4章 全文总结及展望364.1 全文总结364.2 展望37参考文献38致 谢40车用DP钢激光焊接组织与性能研究第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义汽车产业是国家支柱产业，在GDP中有很大的比重。汽车产业的发展不仅拉动了经济发展，带动了促进了各行各业的发展,在实现生产技术现代化方面有着深远的影响，也带动了科技的进步和科学技术的创新。随着汽车工业的快速发展，汽车车身轻量化已成为未来汽车行业发展的主流。铝合金、镁合金、塑料等轻质材料的用量在汽车制造中所占的比例不断增加，钢铁材料的使用在逐年下降。但是对于一些强度要求较高的结构件来说，钢铁材料是首要选择。铝、镁合金材料在强度硬度等指标上难以满足要求，而且价格较高、制造难度大1。所以先进高强度钢(AHSS) 以高性价比、加工质量高、塑性指标好等优点成为汽车工业轻量化的主要材料。本次试验所使用的双相钢是汽车制造中应用最广泛、最成熟的钢种之一，被广泛应用于车身和各零部件中2。激光焊接是一种高能量密度方法，由于具有高速、高效、高质量、高精度、高自动化和柔性生产的优点3-4，因此，被广泛用在电子和汽车等行业中，并逐步向新能源电力、航天航空及造船行业等深入。在将来焊接技术发展的领域，激光焊接将于其他先进技术一同迸发出新的生命力。汽车行业中使用激光加工应用十分普遍，其中一激光切割和激光焊接为主要的零部件加工方式。在先进制造业国家，使用激光加工工艺的零部件车身总成等超过了半数，主要运用激光焊接和激光切割为主5。激光焊接可以通过调整焊接件拼装使得加工结构最优化，因此激光焊接可以在冲压前，将车身结构件所用到的不同厚度、不同种类、不同表面涂镀层的金属板焊在一起，由于变形较小可以省去二次加工的过程，成为了汽车工业中的标准工艺流程。采用激光焊接使得车身锻造件的使用比例不断降低，车身冲压零件应用越来越广泛。采用激光焊接，避免了搭接所需的额外接头部分，所需加工工件采用对接的接头方式，可以使整车车身减重超过10%，仅此一项车身可减少重量超过50kg，而且激光焊接技术焊接接头质量比点焊等传统焊接接头质量高，有效提高了车身的刚度和碰撞安全性6。在汽车样车和小批量生产中大量使用激光切割技术，通过对不同种类厚度的镀锌板、铝合金和不锈钢等板材结构件以及三维冲压件进行切割加工。激光切割技术可以在拼装焊接工艺流程之前对板材结构件进行加工，避免了不必要的材料浪费，进而提高了产品质量和生产效率7。据统计激光加工比传统机械加工方式的加工方式可以节约一半以上费用8。目前世界上大量采用激光加工工艺以取代传统落后的加工方式（如电阻点焊），各跨国公司零部件厂商使用激光工艺，激光焊接工艺不仅可以减小材料搭接宽度或直接采用对接的焊接方法，减少了不必要的板材使用量从而降低了车身重量，另一方面整车的车体刚度得到了大幅度的提升9。如下图1.1所示为激光加工技术在车身制造中的应用。图1.1 激光加工技术在车身制造中的应用91.2 车用先进高强钢的应用现状和发展方向1.2.1 先进高强钢在汽车工业中的应用现状汽车制造的三大主要材料由钢铁材料、铝合金和塑料所占有10。近年来具有高强度、低密度等优点的铝合金材料通过自身的不断发展，凭借其在制造业中不断上升的使用量在传统汽车制造中向钢铁材料的统治地位发起了挑战。不过新的研究资料表明当钢材的强度级别上升到750MPa以上时，钢铁材料在耐载荷与耐疲劳强度比铝合金材料体现出更好的性能优势，先进高强钢应运而生。其在强度，硬度等安全方面对铝合金发起了新一轮的挑战11。国内外对先进高强钢的种类和特性的研究有了明显的加速。在实际生产制造方面，近年来先进高强钢在制造业中的使用比例在不断的提高。国际钢铁协会(IISI)主要将高强钢分为2种，即传统高强钢(Conventional HSS)和先进高强钢(AHSS) 12。如图 1.2所示为高强度钢的分类。图 1.2 高强度钢的钢种和分类12传统的高强钢较多采用3钟常见的强化手段,分别是固溶、析出和细化晶粒13，而先进高强钢(AHSS) 则是通过钢材的相变进行强化从而得到的14。通过组织分析可以得知其中主要包含有马氏体、贝氏体和残余奥氏体。先进高强钢(AHSS)可以分为双相钢(DP)、复相钢(CP) 、孪晶诱发塑性(TRIP)钢和马氏体级钢(Mart)等。先进高强钢(AHSS) 的工艺特点都是通过相变实现的。图1.3双相钢显微组织示意图。本次实验研究的是车用双相钢(DP)。汽车用钢材的强化大多采用热轧、冷轧和热镀锌的方式得到。图 1.3 双相钢显微组织示意图12先进高强钢(AHSS)不仅在轻量化方面有一定的优势，在安全性上也有不俗的表现。一方面先进高强钢具有高强度和高塑性的双重优点，它的强度和塑性配合指标均优于普通高强钢。另外，特别是加工硬化指数S = K n（式中K为强度系数）有利于冲压成型时能量的吸收和分散。通过建立指数化指标：价格密度强度=数值，作为指标,当高强钢强度超过一定值时,从而可以弥补其他新能指标上的不足，综合数值就会远远超过铝合金材料，体现出更大的材料成本优势。汽车价格受到零部件价格的深远影响,汽车价格又会反作用于零部件市场，所以先进高强钢(AHSS)成为汽车公司汽车轻量化的首选材料。有估算表明，通过提高先进高强钢在车身中的使用比例，可使汽车车身减重超过10%以上。高强度钢将成为未来几年汽车轻量化的发展方向。节能、安全、环保是当今汽车工业发展的三大主题，其中汽车轻量化已经成为汽车行业的主流发展方向。汽车用钢铁材料真朝着超高强度，和低成本发展。（1）国内应用现状：随着经济的发展，人们对生活质量的要求显著提高，越来越多家庭把汽车当成生活必需品。但随之而来的问题也十分明显，主要有交通问题、环境问题、能源问题等为我国经济发展提出了新的挑战。为促进汽车产业可持续发展，各国相继制定定了汽车产业发展政策，行业内部达成一致认识并且认为较为有效的手段是通过推广高强度轻量化材料的应用。同时随着全球能源危机日益严重，新能源汽车成为解决之道。同时汽车转型连带性极强的棘手问题，所以要从上下游，整个行业生态圈一起改进改变，协同推进，实现制造业的转型，实现关键核心零部件的生产。针对以上需求, 先进高强钢(AHSS)成为了解决之道，其最大的优点就是: 通过采用先进高强钢，在满足所需强度要求不变或提高的的条件下，减小板材构件的厚度，使得结构总重量大幅减小。目前，宝钢、鞍钢、首钢、沙钢、武钢等主要钢铁企业都在研发先进高强钢(AHSS)。与国外发达国家相比，国内汽车用高强度钢材在各项指标上还存在不小的差距。国产钢材的冲压和塑形等性能上指标与先进水平相比相，还存在不小的差距有待克服。（2）国外应用现状：20世纪90年代，为了达到汽车轻量化、安全化的目的，应对铝镁行业的竞争，国际钢铁协会的35家主要钢铁公司开展了超轻钢制车身（Ultra Light Steel Auto Body）ULSAB项目。其内容是通过大量采用高强度钢板、激光拼焊板，并应用液压成形等技术使汽车减重25%。研究在本世纪初成功，汽车安全等级达到了欧洲N-CAP五星级碰撞标准。车身刚度提升超过一倍，整车质量减轻了超过两成，抗扭曲刚度也提升了近一倍。最近几年，欧美汽车公司通过大量使用高强度钢在汽车车身主要的零部件上，转变设计理念，先进高强钢在整车使用比例上大幅度的上升，其中DP双相钢超过70%。另外还有部分采用了抗拉强度为1200MPa的超高强度马氏体钢15。钢铁企业又于1998年投入1000万美元实施了超轻钢制车身先进概念汽车计划（ULSAB-AVC，Ultra Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concepts），先进高强钢的研究和发展有了明显的加速。汽车白车身中高强钢的使用占绝对优势，所研制的新型汽车车身重量、成本大幅下降，比同级车身减重20%。车身抗弯、抗扭曲等结构性能得到显著提升，车身强度、刚度也显著上升 16。近年来，欧美汽车公司在新车型先进高强钢的使用比例还在不断上升17。目前，世界众多企业正在研发第三代汽车用高强钢，主要通过利用晶粒细化、析出强化、固溶强化及位错强化等手段来提高强度18。通过应变诱导塑性、孪晶诱导塑性及剪切带诱导塑性来提高材料的塑性和成形性能19。近年来，随着先进成形工艺与CAD/CAE技术的发展，高强度钢正成为汽车轻量化不可或缺的材料，各种先进高强钢在汽车部件中的使用越来越多。先进高强钢(AHSS)将会在世界范围内得到举足轻重的地位，成为汽车轻量化的主要材料之一20。1.2.2 先进高强钢的成形研究现状与发展趋势 热冲压成形工艺原理：通过加热高强钢（500600MPa）到900左右，使原始组织奥氏体化均匀，然后在模具内冲压成形并冷却降温，组织中的奥氏体转变为铁素体。再保压快速冷却淬火组织，奥氏体程度加大，使剩余奥氏体转变成了马氏体，较好的兼顾了强度和塑韧性指标。冲压件经过冷却淬火处理，强度提高了2倍，可以达到1500MPa以上，即行业内俗称的“冲压硬化”技术21。本次试验所选用的双相钢成型详细过程见图1.3。图1.3 双相钢成型的成型原理21实际生产中，热冲压工艺又分为直接工艺和间接工艺两种。直接工艺是把一个相对简单的变形工件直接加工成板材的形状，然后冲压成型。一些形状复杂的或者拉伸深度较大的工件，无法使用直接工艺一次完成加工大多采用间接工艺生产，通常先把钢板预变形，然后再加热实施热冲压22。1.2.3 先进高强钢在中国汽车工业中的发展前景我国汽车行业2005 年首次实现了整车出口大于进口23 , 中国汽车行业不仅实现了自产自销，还迈入了国际市场。汽车工业的迅猛发展为国民经济和社会发展发挥了重要作用，自主品牌及合资品牌取得了较大的发展。经济发展带来的二次问题也刻不容缓，其中能源短缺，环境污染等都是有待解决的问题。展望未来，汽车行业只有实现环境友好型的生产方式才能实现又好又快的发展，其发展才能持续。为满足市场的需求，高强钢在汽车生产制造中所占的比例还会不断的上升。就目前而言，按照国际钢铁协会组织的研发成果来看，特别是传统高强钢和先进高强钢，相比于其他的铝镁合金以及其他的替代材料, 高强钢还是具有较强吸引力，虽然在冲压成形中遇到粘着磨损、回弹等多种问题的挑战。如表1.1所示为汽车白车身(BIW)制造中常用材料及所占材比例 24。从表1.1可以看出，4%双相钢， 74%马氏体钢，TRIP钢占3%，CP钢占1%，烘烤硬化钢占10%，HSLA钢占1%，高强度IF钢占4%，其他占3%。总计, 先进高强钢占比82%, 高强钢占比15%，其他占比3%。先进高强钢所占的比例超过了8成，其中双相钢的用量最大，是汽车制造中最常用的材料之一。研究结果表明, 通过采用先进高强钢板，在实现强度要求不变的条件下，可以通过适当减小板材的厚度，达到降低构件的重量以使实现整车轻量化的要求; 同时在不增加成本，有利于先进高强钢板的发展和轻量化理念的推广。所以，先进高强钢在汽车超轻钢结构车身、超轻钢车身体和先进概念车上的应用, 在节能减排、减重强化、提高安全性等方面表现出了较大优势和良好的前景。汽车钢板尤其是车身用钢板厚度均较小。图1.4与图1.5所示分别为ULSAB项目与ULSAB-AVC项目所使用钢板的厚度分布。图 1.4 ULSAB 车身材料厚度和百分比材料厚度（mm）24 图 1.5 ULSAB-AVC 车身材料厚度和百分比材料厚度（mm）24从图1.4可以看出，ULSAB中所采用的汽车车身钢板厚度大致在0.65-2.00mm之间，其中0.7mm厚的板材所占的比例最大，占到了所有材料所占比例的1/4。从图1.5可以看出，ULSAB-AVC中厚度等于和小于1.0mm的钢板占59%，与ULSAB项目相比，大约提高了12%。由此可见汽车用钢板厚度有越来越小的趋势。我国先进高强钢的研发现状及发展趋势主要如下。(1) 国内主要钢铁企业都在研究和生产先进高强钢(2) 如表1.2所示为先进高强钢在汽车零部件中的使用情况。表 1.2 高强钢板的应用及作用24(3) 耐腐蚀性：在现代汽车工业中的耐腐蚀性能，以确保汽车板材的可成形性和强度，高强度钢具有很好的应用前景也应该增加钢板涂层的研究和生产，并不断提高镀层板的品种和质量来提高先进高强钢材料的抗腐蚀性。(4) 激光拼焊: 近年来激光拼焊板成形技术为国内外主要研究方法， 激光拼焊板是汽车轻量化以来最成功的一项技术，可以更合理地对所需零件进行设计布局，提高生产效率，改善焊接性能，加强安全性，由于不适用点焊不去要加强焊点密封性使用密封材料。因此，进一步的研究激光加工工艺，提高激光加工配套机器人的水准，实现加工的智能化和自动化，满足市场的需求。(5)成形方法的改进: 目前，我国精密冲压成型技术有了长足的进步，但是和国外行业领先水平相比较，还是有相当大的差距。但是国内相关技术发展势头十分喜人，正向领先水平不断靠拢。1.3 激光焊接技术概论自从激光器问世以来，激光在生产制造的各行各业中一直受到人们的重视。激光是激光介质受激辐射产生，具有单色性、相干性、方向性等特点。随着工业制造的发展，激光加工因为具有高速、高效、高精度、高柔性的特点受到广泛应用。激光加工就可以分为激光切割、焊接、热处理、打孔及表面处理等用途。同时与其他加工用热源相比，激光光源具有许多优点，它便于传输、功率密度高、热影响区小、热变形、热输入小、加工效率高、自动化程度高。因此激光加工被广泛应用于汽车、机械、电子、航天航空等行业，与电子束加工和离子束加工方式被誉为未来加工方式的三大方向。1.3.1 激光焊接的基本原理激光焊接是利用激光束产生的高能量密度作为热源的一种高效精密焊接方法。基于光热效应，激光和非透明材料相互作用的过程实质上是材料过程中的转移和变化。激光在光学谐振腔内产生，通过光学元件或光纤进行传递，再通过聚焦元件以反射或透射的形式聚焦投射到工件表面的一种焊接方式。在激光焊接中通过焊接过程中是否产生匙孔分为热传导型和熔池激光焊接两种25。热传导激光焊接：是当激光照射到材料表面时，少部分能量被工件表面反射，剩余部份热量被吸收而转化为热能后发生组织相变。焊接表面温度不超过沸点，熔池为半球形，并通过热传导的方式热量由表面传输到材料内部，焊接区域在激光的作用下熔化，同时焊接过程中没有明显小孔效应，熔化的材料逐渐凝固而形成焊缝。深溶激光焊接是：当激光功率足够高的激光在物体表面被加热到沸点，金属蒸气的作用下，激光形成的等离子体和金属蒸气形成反冲，蒸汽压力在熔池表面的孔隙形成小孔，即匙孔(Keyhole)。激光直接射入焊件内部，熔池外形尺寸类似小孔，由于能量通过小孔传输，产生了聚焦效应，因此所有的能量都从小孔中进入焊件，如同黑洞一样。这是两者的根本区别。当激光功率密度小于105W/cm2时，工件表面吸收的激光能量引起材料表面温度升高熔化，同时向工件内部传递形成熔池，产生少量或不产生金属蒸汽。在这种情况下进行的激光焊接即为热传导焊接，焊缝中心熔池深度较浅，截面上宽下窄。材料激光波长和材料的热物理特性对激光的吸收起主要决定因素，可以进行金属的合金化、表面重熔以及熔覆等工艺处理。当功率密度达到106W/cm2-5107W/cm2时，工件表面金属蒸汽在激光的作用下形成离子体，当金属蒸汽压力、反冲力和熔融金属表面张力以及溶化金属的静压力形成平衡时，形成了稳定的匙孔。匙孔通过固定激光光路在母材上的路径提高了焊缝对激光能量的吸收程度，通过匙孔，激光能量不断被材料吸收并反射，匙孔的形成能极大地促进材料对激光的吸收，这个过程就是菲涅尔吸收。同时匙孔中的离子气体不断吸收激光能量并传递给工件，这个过程被称为反轫致辐射，在这种情况下进行的激光焊接为深熔焊接，激光能量传递的损失极少。与热传导焊接模式相比，深熔焊接的优点十分明显，焊接熔深大，热影响区小，母材变形小等，所以实际生产中多采用匙孔焊接的方法。当激光功率密度达到5107W/cm2以上时，激光辐射使材料剧烈汽化，产生了大量致密的等离子体，从而出现激光屏蔽现象，激光热量无法到达工件。等离子体不仅吸收和反射入射激光，激光能量密急剧下降，而且等离子体还对入射激光有折射作用，使得光线分布不均匀产生畸变从而影响焊缝的成形，并最终导致焊接过程停止，小孔消失。因此在焊接是，选择适当的焊接参数十分重要图1.6两种激光焊接模式比较251：等等离子体云; 2：溶化材料；3：焊接小孔；4：焊接熔深焊接示意图如图1.7所示。1.7激光深熔焊接原理图251.3.2 激光焊接技术的特点概述激光深熔焊相比较与其他焊接方法有以下独特的优点：(1)激光焊接速度快、效率高，热源输入密度高可以实现较高的焊接效率，而且激光可以满足多路同时或分时焊接，效率大大提高。(2)激光束可以通过光学仪器聚焦偏折、聚焦、对准、焊接精度高，可以焊接细小的零部件。(3) 焊缝深宽比大，焊接热影响区小，焊缝质量高，焊件变形小。由于激光焊接速度快，冷却速度也快，热量主要集中在焊缝区，工件表面迅速冷却使得焊缝组织细化，奥氏体化程度较高。 (4)激光焊接的灵活性很大，受周围环境或空间影响很小，容易实现远距离或紧凑零件的焊接。(5)非接触式焊接，焊缝表面质量高、成型性好，也没有电极损耗等相关问题。(6)激光焊接能量密度高，光斑小，焊接适应性极强。因此适用于同种或异种材料，不同厚度的材料。尤其是常规焊接方法无法完成的高熔点、高导热率、高反射率和物理特性相差很大的材料。(7) 自动化程度高。激光束可以聚焦到一个非常小的点，工业焊接机器人或机械手，可以通过束流强度和焊接的高精度控制的轨迹，使得生产过程实现自动化和柔性化。综上所述，对激光焊接的主要优缺点如下图，同时包括其他常见焊接手段，结果见表1.3。 表1.3 激光焊接与其他焊接方法的比较25综上所述，及图表可以看出激光焊接相比较于其他焊接方法有很大的优势但在有些方面仍有不足，比如第一次投入1.3.3 激光焊接技术在汽车行业的应用传统汽车工业主要使用的焊接技术有电阻点焊、气保焊等，但随着时代的发展，科学技术不断进步，和人们对汽车提出更高的要求，激光焊接正不断取代传统焊接方法，并不断应用于车身及零部件的焊接上。激光焊接技术最早由德国大众汽车引入，从1996年开始大众公司就开始大规模应用激光焊接技术进行车顶边框的焊接。此后，车身激光焊接开始得到广泛应用，逐渐替代传统的焊接技术。主要应用在汽车零部件、分总成、车身总成上。虽然激光焊接设备的使用成本较高，采购费用不菲，但是激光焊拥有得天独厚的优势，能够显著提高汽车车身成型质量，加快生产过程，减少生产成本，加速车型研发过程，短期内就能够收回成本，拥有较好的经济效益，加速汽车制造业的发展步伐。世界上各大知名汽车厂在其车身制造过程中都采用了激光焊接。截止20世纪初，美国三大汽车公司激光焊接生产线取代了超过半数的电阻点焊生产线26。在国内，众多知名合资车企或零部件生产商也都引进了激光焊接技术。如图1.8所示，激光焊接在汽车车身个位置的使用情况。图1.8 激光焊接技术在车身制造中的应用示意图26激光焊接在汽车工业的应用主要可以分成三类：车身总成及分总成的焊接、车身拼焊板焊接和汽车零部件焊接。（1） 车身总成及分总成的焊接身总成及分总成的焊接主要有车身骨架焊接、车身底板的焊接、车身顶盖与侧围的焊接、底板与侧围的焊接等。激光焊接用于车身上不仅能提高车身强度、减轻白车身重量、使焊缝接头美观、焊接成形性提高，还能使焊接生产效率显著提升，制造成本显著下降。早期激光焊接主要应用于车身顶部和车门车柱的焊接。沃尔沃汽车公司是最早开发车身顶盖激光焊接技术，随后各大汽车厂商也在某些车型上采用了此焊接技术。经过20多年的发展，激光焊接在车身焊接上的应用愈加成熟。图1.9为车身顶盖与侧围的激光焊接。图1.9 激光焊接车身顶盖与侧围26（2） 车身拼焊板焊接激光焊接焊接板是由两片或多片不同厚度的材料，通过激光焊接成一个整体强度等级较高的板块整体，然后通过冲压成形的身体部位。根据车身各个位置不同的强度要求，在相应部位使用强度等级和厚度不同的材料，使得车身结构得到最优化。同时能降低车身重量、简化车身结构、减少车身零件数量、提高材料利用率、减少模具数量和工序等。拼焊板的思想最初于由本田公司提出，但由于当时采用的是钨极氩弧焊(TIG)，不能满足技术要求，只能停留在设想阶段。1980年代由德国蒂森公司采用激光焊接将两块板材拼接成一体制成了第一块拼焊板，这一做法为后来拼焊板的应用奠定了基础。丰田汽车公司随后将拼焊板技术运用到汽车车身，小总成等的制造中。通用汽车最初使用激光拼接技术来生产车身侧围。图1.10为通用汽车制作，由五块材料拼焊而成车身侧围用的激光拼焊板。激光拼焊板经过持续不断的发展，在车身上的应用也越来越广泛，已经是一车制造行业相当成熟的技术，拼焊板的产量也在逐年增加。在白车身上各处都都见到这项技术主要有底板、侧围以及车身顶盖，小总成有车门、前纵梁以及前防撞梁。图1.10 身侧围拼焊板24（3） 汽车零部件焊接激光焊接由于其高精度、焊接灵活、热影响区小及变形小等特点，十分适合精密零部件的加工。国外汽车厂商超过半数的零部件是采用激光焊接技术。最典型的应用为汽车变速箱齿轮的焊接。图1.11 激光焊接齿轮。在齿轮设计制造时采用分步加工方式，提高生产效率，为了减小齿轮加工难度，分别加工齿轮组或齿轮轴，再使用激光焊接成整体。国外汽车公司都采用激光焊来完成变速箱齿轮的生产，使生产效率成倍提高27。除此之外，激光焊接在汽车的生产制造中无处不在，例如发动机喷嘴、离合器、进排气管、散热器、传动轴、滤清器、增压器轮轴以及车门铰链等众多零部件制造中。图 1.11 激光焊接齿轮28激光焊接技术第一次出现在汽车行业是在零部件的生产，最早应用于汽车齿轮的生产中。随后，福特汽车公司将激光焊机焊接技术用到了车轮轮盘的生产中。后来又应用焊接机器人自动焊接，将事先锻压出来的齿轮和轴轮焊接在一起28，使得激光焊接自动焊接变速箱轴体和齿轮得以实现，生产效率大大提高。随后又有公司研究并生产了功率更好的激光器，汽车传动组件实现了焊接生产的方式，身材效率极大的提高了，齿轮的质量也较之前的生产工艺有了明显提升。激光焊接工艺的出现，彻底改变了传统的齿轮设计和制造理念，为齿轮箱体类部件更高的传动比更紧密的啮合提供了工艺上的前提。1.3.4 激光焊接技术的发展趋势及应用前景（1） 高功率激光器为了满足工业实际生产上的需求，激光焊接正往高功率发展。高功率激光器的研制和生产已成为激光厂商在不同国家投资的重点。由德国某公司研制的 C02激光器最大输出功率超过了30kW。美国IPG 公司生产的光纤激光器最大功率可以达到50kW。高功率激光器使得焊接超厚板材，超大板材得以实现，生产制造得到大幅度的提升（2） 激光复合焊激光焊接技术由于激光本身特性的限制，热源能量密度大、光斑直径小等特点，因此加工精度要求高。实际生产中，为了满足零件的加工精度以及装配尺寸要求，通常将激光焊接与其他焊接方法同时进行使用，即激光复合焊。通常将激光与电弧焊相结合，如激光-MIG 复合焊、激光-MAG 复合焊等，激光与等离子体复合焊接。激光复合焊能够降低对零件精度的要求，通过2种焊接方式向配合达到焊接精度要求，同时满足激光焊接的高精度、高能量密度优点。激光复合焊与电弧焊相比，焊接效率更高，焊接热输入减小，热影响区减小。激光复合焊与激光焊相比，焊缝桥接能力更好、焊接冶金效果更好，焊接过程更加平稳，具有更好的适应性。（3） 激光填丝焊激光填丝焊接技术对零件加工精度的要求相比于激光焊较低，相比于激光复合焊，焊缝外形和激光复合焊相当但其焊接热影响区更小。因此对于车身焊接，激光填丝焊具有较好的应用前景。1.5 论文的主要研究内容课题的主要研究是通过光纤激光焊接进行车用高强钢DP590的对接焊接研究，通过进行不同实验得出其最佳焊接工艺参数，主要包括：（1）总结激光焊接在车身制造领域的应用，简单总结了激光焊的特点，分析激光焊接技术的发展趋势与应用以及国内外的研究现状。（2）固定离焦量、激光功率，调节焊接速度等参数，进行 DP590激光焊接实验，分析焊接工艺参数，初步分析其焊缝表面及截面形貌，焊缝质量。（3）分析 DP590等厚同质激光焊接接头的焊缝表面和横截面形貌与尺寸，得出初步优化焊接参数。（4）分析焊缝接头的显微组织和显微硬度分布，进行横向焊缝试样拉伸测试，根据焊缝形貌和接头性能优化焊接工艺参数。第2章 试验材料设备与方法2.1试验材料实验所用的DP590高强钢板为上海宝山所生产的板材，板材厚度为1.6mm，表面有8m 的锌涂层起保护作用。材料的主要化学成分见表 2.1表2.1 DP590（22MnB5）钢的化学成分 ( wt%)CMnCrSiMoAlNiNb0.0511.510.0310.0150.250.0330.020.011抗拉强度b590MPa，屈服强度0.2340MPa，双相钢拥有很高的加工硬化速率、屈服强度低以及延展性好等特点广泛使用在车身各部位上。实验选用的板材分为两种板材规格，用于工艺试验的选用尺寸为100mm30 mm1.6mm，用于拉伸试验的板材规格为100 mm50 mm1.6mm 。焊接之前使用砂纸去除表面铁锈和杂质，并将焊接对接面打磨平整，保证焊接质量。随后用超声波清洗机洗去材料表面的油污，再用丙酮檫拭对接边边缘，确保焊接过程不受杂质等的影响。实验所使用的腐蚀剂为5%硝酸酒精，使用医用棉球浸入腐蚀剂，擦拭试件，腐蚀时间为5秒，可以看到明显的焊缝即可。2.2 试验设备本实验采用德国 IPG 公司生产的 YLS-5000 型激光器和KUKA 焊接机器人，分别如图2.2 ，图2.3 所示对钢板进行激光对焊。（a）(b)图2.2 YLS-5000 激光器及其控制系统(a) YLS-5000 激光器 (b) 光纤激光加工系统控制台图 2.3 KUKA 焊接机器人焊接所用的保护气体为氩气，气流量为20L/min。 焊接工艺参数见表2.2表2.2 激光焊接工艺参数激光器型号焊接速度（m/min）激光功率(kW)离焦量(mm)光斑直径(mm)YLS-50003,4,53+10.2使用焊接激光功率大配合较小的光斑直径，较易达到激光深熔焊状态。当激光焊接处于深熔焊状态时，匙孔得以形成，焊接热源能量全部被工件吸收，从而可以使用较高的焊接速度（10300 mm/s）。光纤激光器相比较于CO2激光器，光纤激光器波长较短，无法加热焊接接头小孔喷出的金属蒸汽，产生的等离子体较少；因此采用侧吹保护气体，吹走金属蒸汽，防止过多的金属蒸汽停留在激光束附近，分散减弱焊接能量，影响焊接过程。所以可以采用不易电离的氩气作为保护气体。使用剪板机将工艺试验板材，剪成适当大小，使用XQ-1型金相试件镶嵌机进行镶嵌 如图2.4所示。图 2.4 XQ-1型金相试件镶嵌机镶嵌成合适大小试样后，使用M-2型金相试样预研磨机进行研磨。如图2.5所示为抛光机。本次试验采用的研磨砂纸分别为180目、400目、600目、800目、1000目、1200目。图2.5 M-2型金相试样预研磨机试件预研磨之后进过肉眼目测，各个方向看不到明显划痕之后，使用P-2金相试样抛光机进行抛光操作。抛光后以各个方向均不出现细小划痕或杂质为完成标志，即可进行下一步。如图 2.6所示为抛光机。图2.6 P-2金相试样抛光机镶嵌试样抛光处理后，使用5%硝酸酒精腐蚀处理，腐蚀5秒左右，可以清晰看到焊接焊缝为最佳，试件腐蚀时间过短或过长都会到时抛光失败，重新抛光再腐蚀。完毕后用医用纯酒精冲洗，吹干。使用光学显微镜和倒置三目金相显微镜测试显微组织。三目金相显微镜如图2.7所示。图 2.7 三目金相显微镜显微硬度实验使用的是如图2.8所示的HXD-1000 型维式硬度计，加载力为100g，加载时间为15s。图2.8 HXD-1000 型维式硬度计拉伸试验板材焊接后用电火花数控线切割机制成标准拉伸试件，如图2.9所示。按照金属材料室温拉伸实验国家标准GBT2282002焊接接头拉伸实验方法图2.9 标准拉伸试件使用日本岛津AG-25TA 型材料万能试验机对焊接拉伸试件进行单向拉伸试验，如图2.10所示。拉伸前在靠近焊缝的位置左右两侧各画一条直线，两条直线的间距为60mm。母材采用5mm/min 的拉伸速率，焊件使用2mm/min 的拉伸速率，并计算试件的延伸率。装夹完毕后，开始拉伸直到试件被拉断为止，测量并记录实验数据。图2.10 AG-25TA 型材料万能试验机2.3 试验方法实验采用光纤激光对焊焊接，接头形式如图2.11所示。本次实验采用对接的接头形式。图2.12所示为激光深熔焊接原理图。图2.12 对接接头形式由于光斑直径很小（0.2mm）。因此在焊接时对装配精度要求很高，对接两边边缘需要高精度切割以保证质量，同时对接装配间隙应小于薄板厚度的10%27。 激光通过光纤到焊接机器人，由电脑控制，按规定程序完成焊接，同时使用氩气作为保护气体。在焊接过程中，两块板材容易产生变形，尤其是相反方向的变形，使得焊接间隙变大，对焊接危害尤其严重。因此在焊接过程中，主要用夹具牢固装夹主被焊板材，防止产生焊接变形。实验采用控制变量的方法，改变一个变量，固定其余变量，从而得出实验结果，分析数据得出结论。实验采用3 kW 激光器作为焊接热源并保持不变，固定离焦量为+1，光斑直径为0.2mm，激光波长1070nm。采用3组焊接速度，分别为3m/min、4m/min、5m/min 作为变量。然后用该工艺参数进行不同焊接速度下的激光深熔焊接试验，然后对焊后工件进行表面形貌、微观组织、拉伸强度、显微硬度和金相组织等测试试验。通过对实验数据进行整理分析，得出结论实际生产制造及科学研究提供理论和参考依据。2.4 试验小结本章对车用钢板（DP590）的焊激光焊接提出了一定的研究，主要是通过控制其他条件不变的情况下，研究了焊接速度对焊接质量的影响，通过力学实验，金相分析，组织性能的研究对实验有初步的认识。同时实验介绍了要使用的材料，实验主要使用的设备种类和用法，以及实验的大致步骤和分析方法。第3章 焊接工艺参数对焊接接头的影响本章主要研究了不同焊接参数下的焊接接头质量，焊缝表面形貌和截面形貌。 观察焊接接头显微组织并测量焊接接头处显微硬度分布，测试不同参数下横向焊缝试样的拉伸性能，根据实验所得结果分析实验数据得出最优工艺参数。3.1 工艺参数对焊缝形貌和尺寸的影响通过固定离焦量、激光光斑直径、激光功率采用不同的焊接速度，所得到的工件表面质量情况。结果见表3.1。表3.1 焊接速度与焊透情况焊接速度（m/min） 3 4 5焊缝类型 全焊透 全焊透 全焊透热输入量 HI = P/V（ 为激光焊接传热效率，P 为激光功率，V 为焊接速度）。根据有关文献，取= 0.828。通过计算，当焊接热输入量小于 17.6J/mm 时出现未焊透，热输入量大于52.8J/mm 时出现烧穿。本次实验采用的激光功率为3 kW，焊接速度分别为0.05m/s、0.067 m/s、0.083 m/s ，均能满足全焊透的要求。由此可以初步得出，随着激光功率的增加，获得全焊透焊缝的焊接速度范围也在扩大，所以要达到较高的焊接速度必须配合较大的激光功率。激光功率与焊接速度对工件收到激光热源的的热输入值可以采用热输入量表示。试验中焊缝主要有3钟不同的表面形貌分别为：未干透、全焊透、烧穿。如图3.129。图3.1焊缝表面形貌类型29焊接形貌主要受到焊接热量大小