（机械制造及其自动化专业论文）高强度镀锌钢激光焊接质量的研究.pdf

高强度镀锌铡激光焊接质量的研究 摘要 高强度镀锌钢具有良好的机械性能、耐蚀性能和抗冲撞性能，因而被广泛应 用在汽车车身及安全件制造上。 激光焊接的焊接速度快、生产效率高。基于大功率激光小孔效应基础上的深 熔焊的焊缝深宽比大、被接焊材料不易氧化、焊缝窄、热影响区小，适用于焊接 变形小的精确焊接。本文对高强钢( d o g a l8 0 0 d p ) 进行激光焊接的质量和缺 陷进行研究。试验所用激光器为自行研制的p h c 1 5 0 0 折叠式准封离型c 0 2 激光 器；得到影响高强度镀锌钢激光焊接焊缝质量的影响因数和变化规律。 论文工作首先在c 0 2 激光焊接1 5 m m 厚高强钢板深熔焊接试验基础上，系 统地研究了激光焊接参数( 光束质量、激光功率、焊接速度、离焦量、光致等离 子体浓度等) 对高强钢材料焊接可行性的影响。利用正交法优化设计试验，并确 定试验方案与研究方法，讨论了高强度镀锌钢材料的激光焊接质量的影响因素。 其次在全而分析激光深熔焊接研究的基础上，采用理论分析高功率c o ：激 光焊接过程，研究了高强度镀锌钢连续激光焊接过程不稳定性的特征与产生机 理，分析了影响高强钢激光焊接稳定性的原因，建立了高强度镀锌钢激光焊接稳 定性的临界曲线。 接着在理论分析指导试验研究的前提下，综合考虑焊接速度、离焦量、激光 功率以及侧吹保护气体角度和流量等因素对高强度镀锌钢激光焊接焊缝拉伸强 度、韧性的影响。 最后根据组织决定性能这一道理，通过对激光焊接试样取样，进行了焊接接 头s e m 分析；焊缝金相组织和显微硬度；焊缝盐水腐蚀试验等多种焊缝质量的检 测方法。同时分析了高强度镀锌钢焊缝质量与常见缺陷，确定了保证高强度镀锌 钢激光焊接质量的措施。 关键词：高强度镀锌钢；焊接稳定性；焊缝质量；拉伸强度；焊缝腐蚀 a b s t r a c t h i g hs t r e n g t hg a l v a n i z e ds t e e li sw i d e l yu s e di nv e h i c l eb o d ya n ds a f e t yp a r t m a n u f a c t u r ef o rw e l lm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，e r o s i v e - r e s i s t a n tp e r f o r m a n c ea n d i m p a c t r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e t h ed e e p p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n gb a s e do nh i g h - p o w e rl a s e rk e y h o l ee f f e c t h a sc h a r a c t e r i s t i co fl a r g ed e p t h - w i d t hr a t i ow e l d i n gl i n e ，o x i d a t i o n r e s i s t a n t c h a r a c t e r i s t i co fm a t e r i a l ，n a r r o ww e l d i n gl i n ea n ds m a l la r e ao fw e l d i n gh e a t i n f l u e n c ef o rh i g hs p e e da n dh i g he f f i c i e n c y t h i ss u b j e e th a sb a c k g r o u n do ft h e l a s e rw e l d i n gp r o je c to fl a s e ri n s t i t u t eo fh u n a nu n i v e r s i t y ；t h i sa r t i c l ef o c u so nt h e q u a l i t ya n dl i m i t a t i o no fl a s e rw e l d i n go fh i g hs t r e n g t hg a l v a n i z e ds t e e lr e c u r t ot h e s e l f - d e v e l o pl a s e ro fp h c 15 0 0 ，a n dt r yt of i n dt h ei n f l u e n c ef a c t o ra n dv a r i a t e dr u l e o fl a s e rw e l d i n gq u a l i t y ， f i r s to fa l l ，t h i sa r t i c l es y s t e m i cs t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fh i g hs t r e n g t h g a l v a n i z e ds t e e lf e a s i b i l i t yc a u s e db yl a s e rw e l d i n gp a r a m e t e r s ( b e a mq u a l i t y ，l a s e r p o w e r ，s p e e d ，d i s t a n c eo fa w a yf r o mf o c u s ，d e n s i t yo fp h o t o p l a s m ae t c ) b a s e do n t h ed e e p p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n ge x p e r i m e n to nh i g hs t r e n g t hg a l v a n i z e ds t e e lw i t h ad e p t ho f1 5 m m d i s c u s s i n gt h eq u a l i t yi n f l u e n c ef a c t o ro fl a s e rw e l d i n go fh i g h s t r e n g t hg a l v a n i z e ds t e e la f t e ro p t i m i z e dd e s i g n i n gt h ee x p e r i m e n tb yt h eo r t h o g o n a l t e s td e s i g n ，a n dc o n f i r m i n gt h ee x p e r i m e n t a ls c h e m ea n dr e s e a r c hm e t h o d s e c o n d l y ，b a s e do nf u l la n a l y s i so fd e e p p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g ，s t u d yo nt h e u n s t a b l ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo fp r o c e s st h a tl a s e rw e l d i n go fh i g hs t r e n g t h g a l v a n i z e ds t e e l ，a n a l y z et h er e a s o n st h a ti n f l u e n c et h eh i g hs t r e n g t hs t e e lw e l d i n g s t a b i l i t y ，f o r m t h ec r i t i c a lc u r v eo fs t a b i l i t ya b o u tl a s e rw e l d i n gh i g hs t r e n g t h g a l v a n i z e ds t e e l t h e nb a s e do nt h ep r e c o n d i t i o no fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c hu n d e rt h e o r e t i c a n a l y s i s ，a n a l y z et h ef a c t o r so fv e l o c i t y ，d i s t a n c eo fa w a yf r o mf o c u s ，p o w e ra n d a n g l ea n df l u xo fp r o t e c tg a st h a ti n f l u e n c et h ee x t e n ds t r e n g t ha n dt e n a c i t yo fl a s e r w e l d i n gh i g hs t r e n g t hg a l v a n i z e ds t e e l f i n a l l y ，a c c o r d i n gt o f o r md e c i d ep e r f o r m a n c e ，a f t e rs a m p l i n gl a s e rw e l d i n g ， a n a l y z i n gt h ee n e r g ys p e c t r u mo fw e l d i n gt i e - i ns e m ；g o l do r g a n i z e sa n dr i g i d i t y ； b r i n ec o r r o d i n gp r o o fe t c ，a n a l y z i n gt h ew e l d i n gl i n eq u a l i t ya n dl i m i t a t i o no fh i g h s t r e n g t hg a l v a n i z e ds t e e l ，c o n f i r m i n gm e a s u r e m e n t so fl a s e rw e l d i n gq u a l i t yo fh i g h s t r e n g t hg a l v a n i z e ds t e e l 1 1 1 高强度镀锌钢激光焊接质量的研究 k e y w o r d s ：h i g hs t r e n g t hg a l v a n i z e ds t e e l ；l a s e rw e l d i n gs t a b i l i t yw e l d i n gl i n e q u a l i t y ；e x t e n ds t r e n g t h ；w e l d i n gc o r r o d i n g 高强度镀锌钢激光焊接质奄的研究 插图索引 图1 1 激光焊接的基本模式一2 图1 2 具有小孔效应的深熔焊接2 图1 3 激光焊接技术在汽车制造上应用图例7 图2 1 高强度镀锌钢理论计算的激光焊接稳定性临界转变曲线1 6 图2 2 低碳钢在不同功率条件下熔深随焊接速度的变化1 8 图2 3 离焦量对焊缝形状的影响1 9 图2 4 离焦量对熔深、熔宽和横截面积的影响1 9 图2 5 最大焊接速度与激光功率之间的关系”2 0 图2 6 同轴气流和侧吹相结合情况下的激光焊接2 2 图3 1 焊件形式一2 6 图3 2 焊件夹具2 7 图3 3p h c 一1 5 0 0 折叠式准封离型c 0 2 激光器2 7 图3 4l c k 1 2 x 2 5 数控精密激光加工机2 8 图3 5 焊接试验装置2 9 图3 6 激光焊接板材试验设备的布局示意简图“2 9 图4 1 拉伸试样3 3 图4 2 试件1 2 # 焊缝正、背面图3 4 图4 3 试件2 2 # 焊缝正、背面图一3 4 图4 4 焊速对c b 、o s 和6 的影响实验曲线3 5 图4 5 焊件拉伸力学试验的力一位移曲线3 5 图4 6 焊缝及拉伸断裂裂纹图3 6 图4 7 离焦量对6 b 、o s 和6 的影响实验曲线3 7 图4 8 激光功率对6 b 、o s 和6 的影响实验曲线3 9 图4 9 不同侧吹气流量对c b 、o s 和6 的影响实验曲线4 0 图4 1 0 侧吹角度对o b 、a s 和6 的影响实验曲线4 1 图4 1 1 试件的熔宽照片一4 2 图4 1 2 扫描电子显微镜s e m 外观图片一4 3 图4 1 3 试件2 0 # 金相组织( 3 2 1 4 4 图4 1 4 接头微观组织图( 5 0 0 ) 4 5 图4 1 5 接头显微硬度点的测试位置图( 5 0 0 ) 4 6 图4 1 6 待腐蚀试件2 0 # 4 7 v i l l 硕十学位论文 图4 1 7 试件的腐蚀浸泡一4 7 图4 1 80 拌母材腐蚀前后的金相图片( 4 0 0 ) 4 9 图4 - 1 92 0 # 焊接试件腐蚀前后的金相图片( 4 0 0 ) ”4 9 图4 2 03 群焊接试件腐蚀前后的金相图片( 4 0 0 ) 4 9 i x 高强度镀锌钢激光焊接质鼍的研究 附表索引 表1 1 激光焊接与其它焊接工艺的对比3 表2 1 不同激光焊接过程的综合特征1 2 表2 2 高强钢激光焊接稳定性计算中所用到的参数”1 6 表3 1 高强度镀锌钢( d o g a l8 0 0 d p ) 材料的化学成分2 5 表3 2 试验材料的机械性能2 5 表3 3p h c 一1 5 0 0c 0 2 激光器主要技术参数2 8 表3 4 正交试验方案设计3 0 表3 5 高强度镀锌钢激光焊接正交试验优化表3 1 表4 1 不同焊速下的焊缝拉伸实验数据3 4 表4 2 不同离焦量下的焊缝拉伸实验数据3 7 表4 3 不同激光功率下的焊缝拉伸实验数据3 8 表4 4 不同侧吹气流量下的焊缝拉伸实验数据一3 9 表4 5 不同侧吹角度下的焊缝拉伸实验数据4 0 表4 6 高强度镀锌钢焊件腐蚀试验观察记录4 7 表4 7 高强度镀锌钢焊件腐蚀前后质量变化记录一4 8 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的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。除了文中特别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的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名 仉 日期：。驴6 年1 1 月 。日 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。本人授权湖南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并h t e 编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“妒) 作者签名： 导师签名： 日期：由妒6 年月7 。日 日期： o 年1 1 月 o 日 硕十学位论文 第l 章绪论 1 1 前言 激光加工技术主要应用于激光焊接、激光切割、激光淬火、微细加工、表面 处理和激光材料成形等各方面，应用前景广泛。激光焊接( 1 a s e rw e l d i n g ) 是以 细聚焦的高能激光束辐射进行焊接的方法，激光焊接原理：激光焊接是将高强度 的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热 能使金属熔化后冷却结晶形成焊接【1 1 。 激光焊接具有焊缝强度高、深宽比大、热影响区小、焊接变形小，焊接速度 快，焊接过程的自动化程度和可靠性高等优点，近年来正成为金属材料加工与制 造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工 程、核电设备等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料【2 刁l 。其中，激 光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接特点和优势，这也 是激光焊接能够吸引国内外越来越多的科技人员从事研究和技术开发的原因。汽 车工业是激光加工重要的应用领域，占激光加工1 5 的份额，激光焊接可适应 于汽车车身及安全件的制造【4 i 。 激光焊接的机理有两种： 1 、热传导焊接( c o n d u c t i o nw e l d i n g ) 采用的激光光斑功率密度小于1 0 5 w e m 2 时，当激光照射在材料表面时，一 部分激光被反射，一部分被材料吸收，激光将金属表面加热到熔点和沸点之间。 材料表面将所吸收的激光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的 方式继续向材料深处传递，使熔化区扩大，凝固后将两焊件熔接在一起，其熔深 轮廓近似为半球形。其特点是：激光光斑功率密度小，很大一部分激光被金属表 面所反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅，焊接速度慢。主要用于薄( 厚度 1 0 6 w c m 2 ) ，金属在激光 的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高到沸点，使金属材料被加 热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使 熔化的金属液体向四周排挤，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下形成凹坑， 随着激光的继续照射，凹坑穿入更深，在液态金属中形成细长的孔洞。在激光照 射过后，凹坑周边的熔液回流，最后在小孔后方冷却凝固起来形成焊缝。高功率 激光焊接、激光深熔焊接，其本质特征为存在小孔效应的焊接【5 1 ；小孔的前方形 确强度霰矸俐撒光胛侯，贞耵明埘r 咒 成一个倾斜的烧蚀前沿，小孔的周围存在压力梯度和温度梯度。 这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各 焊接工艺参数得到不同的焊接机理。这两种方式最基本的区别在于：前者熔池表 面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，因为 激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入； 而深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔。传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊 接过程中相互转换，由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光 能量密度和激光脉冲持续时间1 6 1 。激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使激光焊 接在激光与材料相互作用期间由一种焊接方式向另一种方式转变，即在相互作用 过程中焊缝可以先在传导方式下形成，然后再转变为小孔方式。 热簪蛘 群熔群 图1 1 激光焊接的基本模式 i - - 等离子体云2 - - 熔化材料3 - - 匙孔4 一熔深 图1 2 具有小孔效应的深熔焊接 1 2 激光焊接的特点及应用现状 硕士学位论文 1 2 1 激光焊接的特点 在现代工业中，激光焊接与传统焊接相比，有以下优点： ( 1 ) 能在室温或者特殊条件下进行焊接，焊接装备简单。例如，激光通过电磁场， 光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能焊接，并能通过玻璃或 对光束透明的材料进行焊接。 ( 2 ) 激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，激光焊接的功率密度达 1 0 6 1 0 8 w c m 2 ，深宽比可达5 ：l ，最高可达1 2 ：1 1 6 1 。焊缝的熔合比大、晶粒 细小：同时激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，焊缝机械性能相 当于或优于母材。 ( 3 ) 激光焊接强度高。由于激光焊接是直接通过激光的能量，将被焊材料沿着焊 缝处熔化，使两者形成冶金结合，使钢板之间的连接处于晶体结构之间的相互连 接，从而提高材料的焊接强度。 ( 4 ) 激光焊接精度高，残余应力和变形较小。由于激光器功率大、能量集中、焊 接速度快而且是非接触焊接，焊接时热影响小，同时通过采用高精度数控工作台 和专用焊接夹具，确保了被焊接材料在焊接基准面上不产生变形。 ( 5 ) 激光焊接速度快，效率高。激光焊接的速度最快可达到2 0 m m i n ，焊接质量 好t 7 1 。其高精度、高效率、高质量等特点将大大提高其工作效率。焊缝成形性好、 强度高、重复性好并易于进行异种金属焊接等优点，能够满足大批量生产的需要。 表1 1 激光焊接与其它焊接工艺的对比【8 - 9 i 对比项目激光焊接电子束焊接 t i g 熔化极气体保护焊电阻焊 焊接效率 oo - + 大深宽比 + - 小热影响区 + - o 高焊接速度 + - + - 焊缝断面形状 + o00 大气压下施焊 + - + 焊接高反射率材料 - + 使用填充材料0 + + - - 自动加工 + +0 + 操作成本 00 + 可靠性 + - + 组装 + - 注：“+ ”表优势，“”表劣势，“0 ”表适中 高强度镀钎铡激光焊接质嚣的研究 1 2 2 激光焊接的应用现状 激光焊技术是六十年代发展起来的，c 0 2 激光器、y a g 等激光器是以高能量 密度的激光为热源的精密焊接技术，己在航空航天、汽车制造、机车、船舶、容 器结构、电子轻工业等行业得到了日益广泛的应用。早期的应用大都采用脉冲固 体激光器，进行薄小零件的点焊和缝焊，属热传导焊接类型。2 0 世纪8 0 年代后期， 千瓦级激光成功应用于工业生产，随着大功率激光器的出现，激光深熔焊得到迅 速的发展。近年来，高功率c 0 2 激光器的应用，激光焊接板厚已从零点几毫米提 高至l j 5 0 m m l 9 q 0 1 。以汽车工业为例，世界著名的汽车公司对车身大都采用了激光 焊接。原为几个件组装焊接的合件，现在由一个大冲压件代替。利用激光焊接， 将平板坯拼焊成一体，没有挠曲和变形，还可以将不同厚度，不同材质，不同强 度，不同冲压性能和不同表面处理的数块板坯拼焊起来，用来压制大型覆盖件。 这样可减少冲模、焊接设备及工具，还可以提高部件的精度，减少焊缝数和打磨 工作量。改善了零件的整体性，降低了冲压和焊接工艺成本。应用激光技术，每 辆车身可节约成本1 0 0 美元【l “。 德国大众最早于1 9 8 5 年将激光焊接用于a u d i 车型底盘的焊接，日本丰田于 1 9 8 6 年采用激光焊的方法用于车身侧面框架的焊接。北美大批量应用激光拼焊技 术是在1 9 9 3 年，当时美国为了提高美国汽车同日本汽车的竞争力而提出了2 m m 工程【1 2 】。到目前为止，世界上几乎所有的著名汽车制造商都大量采用了激光焊 接技术，所涉及的汽车结构件包括车身侧框架、车门内板、挡风玻璃窗框、轮罩 板、底板、中间支柱等。 日本以c 0 2 激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，而今激光 焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国 奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在2 0 世纪8 0 年代就率 先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接；在2 0 世纪9 0 年代中期，b m w 公司利用激光焊接机器人完成了b m w5 系列轿车的第一条焊缝，焊缝总长度达 1 2 m 。到2 0 0 3 年7 月，激光焊接焊缝的总长度累计达到1 5 0 万米。激光焊接的 使用量在不断增长，德国v w 公司的t o u r a n 轿车就是一个很好的例证。在这一 新型轿车中，激光焊点的数量达到了1 4 0 0 个、焊缝的总长度达7 0 m 。在墨西哥 生产的捷达方面，侧车架组装及白车身( 未经涂装的车身) 组装使用了5 1 台激 光焊接机【13 1 4 1 。为生产2 0 0 4 年底发表的m p v ( 多功能商用车) “g o l f p l u s ”，大 众为设在沃尔夫斯堡( w o l f s b u r g ) 的工厂就增加了1 5 台激光焊接机。 9 0 年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竞相将激光焊接引入汽车制造，尽 管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了 激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光 硕十学位论文 焊接和切割工艺【i ”。高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使 用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2 0 0 4 年底，激光焊接钢结构的消耗 将达到9 0 0 0 0 t 比2 0 0 0 年增加3 倍 6 - 7 。 我国激光焊接技术经过十余年的研究，已逐渐开始应用。例如，上海光机所 和华中理工大学应用国产大功率c 0 2 激光加工设备，进行了齿轮深熔焊，激光 输出功率2 - 4 k w ，焊接深度为4 m m ，深宽比为2 ：1 ，焊接速度为3 m m i n 。上海 光机所完成的热轧硅钢片的激光焊接，用i k w c 0 2 激光焊接厚0 5 m m 、宽1 0 0 0 m m 的硅钢片，焊缝的机械性能与母材相当，在冲压过程中无裂纹，无脆断【1 6 l 。中 科院长春光机所采用c 0 2 激光焊接双金属锯条，该锯条齿部为高速钢，背部为 弹簧钢。激光功率为7 0 0 0 w ，焊速2 m m i n ，焊后经高温回火，焊缝的剪切强度 达6 0 0 m p a ，完全可达到电子束焊接的质量【1 7 4 引。早在1 9 9 3 年，我国就对l m m 厚镀锌板进行了激光焊接试验，汽车底板激光焊接生产示范线曾列入国家“九五” 攻关项目，之后长春一汽集团公司从德国引进了c 0 2 激光焊接系统，进行汽车 底板的焊接生产，1 9 9 9 年上海宝钢集团公司从美国引进了c 0 2 激光焊接设备， 开展了各类型汽车板焊接的研发工作，哈尔滨焊接研究所还将自己研制的激光宽 长板焊接技术应用于哈尔滨龙江客车集团公司生产的龙江牌长途卧铺客车顶棚 的制造，焊接后的客车顶棚为宽长板平整焊缝，肉眼几乎看不出变形。 在汽车车身框架激光焊接技术应用上，传统的汽车车身框架的焊接是采用点 焊的方法来完成的，但是点焊需要占据两对接部件的搭接量大，相应的需钢量也 多，且由于点焊的不连续性，焊后的车身框架刚度较差。现在大多汽车生产企业 都采用了激光焊接代替点焊用于车身框架的焊接。例如上海大众汽车有限公司生 产的p a s s mb 5 车型中，车顶与侧围的对接就采用了激光焊接技术，取代了通常 的点焊或铜钎焊，从而解决了车顶漏水问题、提高了车身制造精度，并大大节省 了返工时间 1 9 1 。在p o l o 车型中，激光焊接的应用增加到了底板与侧围、侧围 与车顶横梁的焊接，在新项目m p v 中，激光焊接的应用就增加了底板和侧围的 焊接。 近年来，国内外工作者就高强钢激光焊接应用的研究做了不少的工作【2 0 】， 对高碳高强钢、中碳合金高强钢、低合金高强钢、以及新一代的超细晶高强钢的 激光焊接性有了一定的认识，但高强钢激光焊的应用还缺少足够的数据，对汽车 用高强度镀锌钢激光焊接质量与缺陷的分析有许多问题需进一步的研究与探索。 1 3 高强度镀锌钢的结构特点及焊接应用 1 3 1 高强度镀锌钢的结构特点 1 高强度钢的定义和特点 高强度镀锌钢激光焊接质量的研究 对于高强度钢和超高强度钢，以前并无统一的定义，有人认为抗拉强度超过 3 4 0 m p a 的称为高强度钢。瑞典将钢板强度级别分为普通强度钢( m s ) 、高强度钢 ( h s ) 和特高强度钢( e h s ) 。 例如，钢种d p 5 0 0 8 0 0 是指双相钢，其最低屈服强度为5 0 0 m p a ，最低抗拉 强度为8 0 0 m p a 。 按照u l s a b ( u l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y ) 所采用的术语，将屈服强度为 2 1 0 5 5 0m p a 的钢定义为高强度钢( h s s ) ，屈服强度为5 5 0m p a 的钢定义为超高 强度钢( u h s s ) 2 1 1 。 瑞典钢板有限公司开发出铁素体+ 马氏体组织的高强度冷轧薄钢板，其屈服 强度达到5 0 0m p a 。在环境和能源问题日益受到重视的今天，各种节省能源的新 技术都受到了各大汽车制造商的关注。高强钢既有高强度，又有良好的成型性， 这主要是因为其屈强比低，从而具有较高的应变硬化能力。高强钢材料强度高、 塑性好、抗冲击性强、价格较低，非常适用于汽车制造。在汽车用普通钢用量不 断下降的同时，高强度钢和超高强度钢的用量则高速增长，高强度钢板主要应用 于汽车内部加强件、结构件及部分外板【2 2 1 。从1 9 9 9 年到2 0 0 4 年，高强度钢在 汽车上的用量增加了1 6 2 ，未来将取代现有的传统钢铁材料的趋势。因此高强 度钢将是未来汽车材料的中坚力量。 2 高强度镀锌钢的用途 随着汽车向节能、环保、安全、舒适方向发展，车身在向轻量化方向发展的 同时，对耐蚀性能和抗冲撞性能的要求也越来越高。迫使汽车用钢板向经过涂镀 处理的高强化方向发展，而高强度镀锌钢板以其优良的耐蚀性能、涂装性能和焊 接性能等优点已越来越多地应用于汽车上。 为改善汽车的耐腐蚀性，国外广泛使用镀层钢板。加拿大、美国和日本等制 定了汽车防锈标准，在正常使用条件下，行驶2 0 万k m1 0 年无穿孔腐蚀，美国 c h r y s l e r 公司提出小轿车5 年5 万公里无锈斑【23 1 。作为汽车车身覆盖件，采用各类 镀层板是一种必然的趋势，如出1 2 1 国外的重庆五十铃汽车要求驾驶室采用镀锌板 制造。我国地域广阔，尤其是南方，四j i i 、重庆酸雨、潮湿，常年气温偏高，在 这种环境下，车辆腐蚀加速，影响了汽车使用寿命和性能及城市形象，采用镀层 板提高防腐性能也很迫切。随着我国汽车工业的发展，尤其是汽车档次提高以及 镀层板性能改善，镀层板的用量会迅速增加。为了实现汽车的轻量化，提高汽车 安全性能，高强度钢板在汽车中的应用正在逐年增加，且强度级别有所上升。随 着各国提高汽车节能降耗要求以及美国、欧洲和日本等国家强化冲撞安全法规， 高强度钢板被大量使用。掘对日本1 1 家汽车公司进行的调查，2 0 0 3 年高强度钢板 平均使用率达到3 8 7 。 国内汽车生产厂家将原有车型的部分零件改用高强度钢，以减轻车重、提高 硕士学位论文 安全性，如一汽“小红旗”、安徽“奇瑞”、柳州“五菱”微客等。目前，中国引进的 几款新车如华利幸福使者、夏利2 0 0 0 、帕萨特、派里奥、波罗、丰田n b c v 等， 其使用的高强度钢板比例有较大增长，且强度级别有所上升。如采用3 9 0 4 4 0 m p a 级高r 值、高成型性的高强度钢板，个别零件甚至达到8 0 0 m p a ，将来使用率最多 的高强钢板应为3 4 0 5 9 0 m p a t 2 1 】。经过2 0 多年的开发与生产，高强度汽车钢板大 都已成系列产品，实现了强韧性的最优组合，是其他钢种所不具备的。如t r i p 钢在1 2 0 0 m p a 时，其延伸率仍在2 5 以上。不同成分的t r i p 钢经不同热处理可得 到不同的强韧性组合，以适应悬挂系统、传动系统、安全结构件总成的不同需求， 是最有应用前景的新一代汽车用钢。 图i 3 激光焊接技术在汽车制造上应用图例 国外有人对高强钢在汽车生产中的应用量进行了估计，并预测对新钢的需求 会响应增加。高强度镀锌钢的明显优点是汽车设计师在车身结构设计上采用更薄 的钢板，并获得相同的强度，因此降低了车重。尽管高强度镀锌钢比传统普通钢 在价钱上更贵，但由于减轻了重量，实际上价格相比相当。 预计，在今后十年，高强度镀锌钢在汽车中的应用会大幅度增加。 1 3 2 高强度镀锌钢的焊接应用 目前，国内外的汽车制造上大量应用高强度钢，其中主要应用在车身外面板、 车身内面板、保险杠的外面板和加强板、载重车大梁和车厢、自卸车的翻斗等， 并向汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的应用上不断扩展。随着这些结构 的设计和应用，要求更高的制造质量。 用更轻、更耐用、对环境污染更小并可回收的材料是中国汽车选材的方向。 所以钢铁材料必须大面积、大幅度地向高强度和镀层板方向发展，以求汽车构件 的全面减薄、减重，同时也要不断研发新的技术，以便保持自身的竞争优势【1 8 】。 为此，本文就汽车用高强度镀锌钢的焊接方法上，研究应用先进的激光焊接方法。 至塑璧量垒竺些垄堡至矍星墼些! 至 激光焊接技术作为一种高质量、高精度和高速度的先进焊接法，在国外已成 为最有朝气的焊接方法之一。如今中国已成为汽车生产大国，但与发达国家的汽 车工业相比还存在较大差距。为使我国的汽车工业能尽快赶上发达国家水平，必 须在汽车制造中采用包括激光焊接技术在内的先进加工技术。目前我国的激光焊 接技术虽然有了长足的发展，但还不能满足国内汽车工业的生产要求。进一步提 高国内的激光焊接技术水平，尽快实现激光焊接设备国产化和商品化是当务之 急。 1 4 课题的提出及主要研究内容 综上所述，高强度镀锌钢以其良好的结构特性和机械性能，在汽车车身及安 全件制造上被广泛应用。激光焊接是实现高强钢结构连接最具有技术和经济优势 的加工方法，工业发达国家对此技术也予以高度重视。 结合高强度镀锌钢的焊接特点及激光焊接特点和发展，以湖南大学激光研究 所激光焊接项目为背景进行研究的。本文对高强度镀锌钢进行激光焊接的质量和 缺陷进行研究，试图得到影响高强度镀锌钢激光焊接质量的规律。该项研究工作 对改善高强度镀锌钢激光焊接质量，拓宽其应用范围具有重要意义。主要研究内 容包括： 1 研究了高强度镀锌钢连续激光焊接过程不稳定性的特征与产生机理，建立了 高强度镀锌钢激光焊接稳定性的临界曲线，分析了高强度镀锌钢激光焊的焊缝成 形特点。 2 利用正交法优化设计试验，考察焊接速度、离焦量、激光器平均功率、侧吹 气流量及侧吹角度的改变对焊接熔宽和熔深的影响。 3 通过试验手段得到试验数据，对试验数据进行处理，找出这些工艺参数对激 光焊接熔深和熔宽影响的一般规律，并和理论分析得出的结论相比较。 4 分析焊缝微观组织与性能的关系，焊缝成形对质量的影响。研究如何抑制高 强度镀锌钢焊接缺陷，保证高强度镀锌钢焊接质量的措施。 硕十学位论文 第2 章高强钢激光焊接机理与理论分析 2 1 激光与材料的相互作用 2 1 1 激光与材料作用的一般规律 金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工，其前提是激光为被加工 材料所吸收并转化为热。在不同功率密度的激光束的照射下，材料表面区域将发 生各种不同的变化，这些变化包括表面温度升高、熔化、汽化、形成小孔以及产 生光致等离子体等。 当激光功率密度，在大于1 0 4 w c m 2 小于1 0 6 w c m 2 数量级范围内时，材料表 层将发生熔化，主要用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接。当激光 功率密度，在大于1 0 6 w c m 2 数量级时，材料表面在激光束的辐射下强烈汽化， 在汽化膨胀压力作用下，液态表面向下凹陷形成深熔小孔( 2 4 五6 1 。与此同时，金 属蒸气在激光束的作用下电离产生光致等离子体。这一阶段主要用于激光深熔焊 接、切割和打孔等。 一束空间强度和时间特性分布确定的激光照射到金属表面时，随着照射时间 的推移将产生如下几个过程： 1 冲击强化过程。 2 热吸收过程。 3 表面熔化过程。温度不断升高将导致表面熔化，随着热影响区向内部扩散， 熔池也将向内部发展。 4 气化过程。具有相当强度密度的激光束可产生气化和等离子体辐射，随着激 光照射的持续，熔池的表面将产生气化，并开始生成等离子体，形成表面烧蚀。 5 复合过程。气化物和等离子体的溅射和反向辐射对入射光产生屏蔽现象，如 果照射持续进行，并满足一定条件，则屏蔽作用开始减弱并形成自动调节的菲涅 尔( f e n e i l ) 吸收，即自持调整状态。 2 1 2 作用过程的物理描述 激光束与材料相互作用可形成多种加工工艺，例如。有的要求激光对材料加 热并去除材料，如打孔、切割和表面清洗等；有的要求将一种或多种材料加热到 熔化程度而不要求去除材料，如焊接和合金化等连接过程。有的则要求加热到一 定温度使材料产生改性( 金属组织相变) ，如表面强化和硬化等。但是无论哪种加 工工艺，它们所涉及的激光与物质( 材料) 相互作用的原理都是一样的。 2 1 2 1 激光能量的吸收 高强度镀锌钢擞光焊接所昂的研究 当一束激光照射到材料表面时，除一部分光子从材料表面反射外，其余部分 能量渗入材料内部而被材料所吸收，渗入材料内部的光通量主要对材料起加热作 用。 不同材料对不同波长入射光的吸收与反射有着很大差别，这里假设金属表面 为理想平面，如果设材料表面的反射率为r ，则吸收率为a = i r 。对于大部分 金属，根据实验，其反射率r 约在7 0 9 0 之间，当材料表面与空气分界且 光波正入射时，r 可由下式估算 2 7 - 2 8 1 ： r = 瓣( 1 - n ) 2 + k 2 ( 2 1 ) 式中，h 和后是复数折射率的实数和虚数部分。对于非金属材料k = - 0 。 一般而言，导电率高的金属材料对光波的反射率也高，表面光洁的材料反射 率也高，表面粗糙、具有人为涂层的表面、加工中金属表面形成的液相和气相等 都有利于提高材料对光能的吸收。 2 1 2 2 材料的熔化和汽化 材料的加热是光能转变为热能的过程。设入射激光的功率密度为g l ，材料 表面的光吸收功率密度为q o ，则有2 9 1 ： q o = q l 【l r ) ( 2 2 ) 式中r 为材料表面的反射率。 被金属表面吸收的光功率密度会深入材料内部， q ( z ) = q o e 一4 其规律可由朗泊定律确定： ( 2 3 ) 式中：口( z ) 沿光束轴线方向，距金属表面深度z 处的光功率密度； 口光在材料中的吸收系数； z 从材料表面算起的深度。 多数金属的吸收系数a = 1 0 5 1 0 6c m 。吸收过程仅发生在被照射金属材料 厚度为0 0 1 0 1 p m 的范围内，被称为金属的趋肤效应。激光束在很薄的金属表 面层内被吸收，使金属中自由电子的热运动能增加，并在与晶格碰撞的很短时间 ( z o d l 1 0 d o s ) 内把电子的能量转化为晶格的热振动能。结果引起材料温度的升 高，然后按热传导的机理向周围和内部传播，从而改变材料表面及内部各加热点 的温度。 激光波长较长时，光能可以直接被材料的晶格吸收而使热振荡加剧；激光波 长较短时，光能激励原子外层电子，这种激励通过碰撞而传播到晶格上( 其中包 括金属掺杂的影响) ，使光能转换成热能。 由激光照射引起材料的破坏过程，是指在足够高的功率密度的激光束照射 下，被加工材料表面达到熔化和汽化温度，从而材料汽化蒸发或熔融溅出，与此 硕士学位论文 同时材料内部的微裂纹与缺陷由于受材料熔凝和其它场强变化而进一步萌生和 扩展，从而导致周围材料的疲劳和破坏的动力学过程。激光功率密度过高时，材 料在表面上汽化，而不再深层熔化。如果功率密度过低，则能量就会扩散分布并 加热较大体积，这时焦点处熔化深度会很小。 就材料对激光的吸收而言，材料的汽化是一个分界线【3 。表面没有汽化， 不论材料处于固相还是液相，其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变 化；而一旦材料出现汽化并形成等离子体和小孔，材料对激光的吸收会发生突变， 其吸收率决定于等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素。 金属材料在系列脉冲激光束的作用下，当第一个脉冲到达材料表面并被吸收 时，由于材料表层的温度梯度很陡，表面上先产生熔化区域，接着产生汽化区域。 当下一个脉冲来临时，光束能量在熔融状材料的一定厚度内被吸收，此时较里层 材料就能达到比表层汽化更高的温度，使材料内部汽化压力加大，促使材料外喷， 把熔融状材料也一起喷出去 3 1 - 3 3 。所以在一般情况下，材料是以蒸气和熔融状 两种形式被去除的。如果功率密度更高而脉宽更窄，在很短时间内多次将汽化能 量输给材料，这就会在局部产生过热现象，从而引起爆炸性汽化，此时材料完全 以汽化的形式被去除而几乎不出现熔融状态。 2 2 激光深熔焊临界功率的分析 2 2 1 激光焊接的不稳定性 高强度镀锌钢激光焊接过程的稳定性是影响材料焊接质量和接头组织性能 的重要方面。激光焊接的焊接模式热导焊和深熔焊具有完全不同的焊缝成形 机理和焊接效果。激光热导焊得到的焊缝窄而浅，横断面呈半圆形，熔深一般小 于l m m ；相比而言，激光深熔焊的焊缝宽而深，熔深随焊接工艺参数的不同可在 较大的范围内变化。m i y a m o t o 9 j 等人认为，除了因激光焊接工艺参数波动而引起