（材料加工工程专业论文）不等厚板的双光束激光焊接.pdf

哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 摘要 拼板焊接技术在汽车制造中的应用，有效地降低了车身重量，节约了生 产成本。但采用常规单激光束进行不等厚度板材拼焊时，由于光斑尺寸很 小，存在光斑位置难以控制，所允许对接间隙量小，焊接适应性较差等问 题。针对上述问题，本文采用双光束激光焊接方法进行不等厚度钢板的对接 拼焊，充分利用双光束激光焊接适应性好，焊接过程稳定等优点来改善激光 焊接在不等厚板材拼焊中的适应性，提高激光焊接质量。 首先进行了不等厚板双光束焊接熔化特性研究。实现了双光束能量配比 调节，分析了双光束能量比、双光束在不等厚板上的作用位置及有效光束尺 寸对焊缝成形的影响。试验结果表明增大双光束能量比、降低有效光束尺 寸、改变光束位置都有利于减小焊缝表面宽度，提高接头成形性能。 其次，对双光束激光焊接间隙适应性进行了试验研究。重点分析了有效 光束尺寸、双光束旋转角度、光束入射角度等参数对焊缝表面凹陷率的影响 规律，并深入研究了对接间隙量对焊接速度的影响。试验结果表明，增大有 效光束尺寸、采用+ 4 5 。旋转双光束或一6 。入射双光束有利于降低焊缝表面凹 陷率，提高焊缝质量；受激光束在间隙内反射效应与光束偏振特性两方面影 响，对于倾斜入射双光束，随着间隙量的增加，焊接速度逐渐增大，在某一 间隙下达到峰值，然后下降；而当光束垂直入射时，间隙量增加，焊接速度 逐渐下降。另外，从焊前准备、焊接速度及焊接质量三方面综合分析得出， 与单光束焊接相比，双光束焊接效率更高。 最后，借助于c c d 、c m o s 视觉传感系统对单、双光束激光等离子 体、熔池匙孔进行观测。初步分析了两种双光束间距下激光焊接的熔池与匙 孔特征。通过图像处理的方法，着重对比分析了单、双光束激光等离子体稳 定性，并以此来解释取光束激光焊接方法对焊接质量的改善作用。 关键词双光束激光焊接：不等厚；间隙：适应性 篁尘堡三兰奎兰三耋堡圭薹竺尘兰 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no ft a i l o rw e l d e db l a n k si na u t o m o b i l em a n u f a c t u r el e a d st o d e c r e a s e sv e h i c l ew e i g h ta n dr e d u c e sm a n u f a c t u r i n gc o s t se f f e c t i v e l y m o s t l y , s i n g l eb e a ml a s e r i su s e dt ow e l dd i f f e r e n tt h i c k n e s st a i l o r e db l a n k s ，h o w e v e r , t h eg a pa d a p t a b i l i t yo fs i n g l eb e a ml a s e rw 6 1 d i n gi sn o ts a t i s f y i n g d u et o t h e l i t t l ef o c u ss i z e ，t h ef o c u sp o s i t i o no fs i n g l el a s e rb e a mi sv e r yd i f f i c u l tt oc o n t r o l i nw e l d i n ga n dt h eb u t t - j o i n tg a pt o l e r a n c em u s tb ev e r ys m a l l i tw a sr e p o r t e d t h a td u a lb e a ml a s e rw e l d i n gp r o c e s si sm o r es t a b l ea n dt h eg a pa d a p t a b i l i t yi s b e t t e r i no r d e rt oi m p r o v et h eg a pa d a p t a b i l i t ya n dw e l d i n gq u a l i t yo fl a s e r w e l d i n g ，d u a lb e a ml a s e rw e l d i n go fd i f f e r e n t t h i c k n e s ss t e e li ss t u d i e di nt h i s p a p e r f i r s t l y ，m e l t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tt h i c k n e s st a i l o r e db l a n k si nd u a l b e a ml a s e rw e l d i n gw a si n v e s t i g a t e di ne x p e r i m e n t s t h ei n f l u e n c eo ft h ed u a l l a s e rb e a mc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sl a s e rp o w e rr a t i o 、t w ol a s e rb e a mp o s i t i o n s o nt h eb u t tj o i n ta n da v a i l a b l el a s e rb e a ms i z e ，o nt h ef o r m a t i o no f w e l d i n g s e a m s w a sa n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ew i d t ho fw e l d i n gs e a m s c o u l db er e d u c e db yi n c r e a s i n gd u a lb e a ml a s e rp o w e rr a t i o ，d e c r e a s i n ga v a i l a b l e l a s e rb e a ms i z ea n dc h a n g i n gd u a ll a s e rb e a mp o s i t i o no nt h eb u t tj o i n t s e c o n d l y ，t h eg a pc l e a r a n c ea d a p t a b i l i t y o fd u a lb e a ml a s e r w e l d i n gw a s a n a l y z e d ，b a s e do np r e d i g e s t e d m o d e lo fg a pc o m p e n s a t i o na n dc o n c e p t i o no f w e l d i n gs e a md e p r e s s i o nr a t i o t h ei n f l u e n c eo f a v a i l a b l el a s e rb e a ms i z e 、l a s e r b e a mr o t a t i n ga n di n c i d e n c e a n g l e o n w e l d i n g s e a m d e p r e s s i o n r a t i ow a s o b t a i n e da f t e r t h a t ，t h e i n f l u e n c eo fg a p l e n g t h o n w e l d i n gs p e e d w a s i n v e s t i g a t e d w h e ni n c i d e n c ed u a ll a s e rb e a mi sv e r t i c a lo r n o t ，w h i c hw a s e x p l a i n e d i n t h e o r y i nd e t a i l t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e w e l d i n g s e a m d e p r e s s i o nr a t i oc a nb er e d u c e da n dt h eq u a l i t yo f d u a lb e a ml a s e rw e l d i n gc a n b ei m p r o v e db yi n c r e a s i n ga v a i l a b l el a s e rb e a ms i z e ，u s i n g + 4 5 。r o t a t e dd u a l l a s e rb e a mo r 一6 。i n c i d e n c ea n g l e u n d e rt h ei n f l u e n c eo fl a s e rb e a mr e f l e c t i o ni n g a p a n dl a s e rb e a m p o l a r i z a t i o n ，w h e ni n c i d e n c ed u a ll a s e rb e a mi s n o tv e r t i c a l ，t h ew e l d i n gs p e e d i n c r e a s e st or e a c ht h em a x i m u m ，t h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n to ft h eg a p 哈尔滨工业大学工学硕： 学位论文 t o i e l - a n c e ；w h e n i n c i d e n c ed u a ll a s e rb e a mi sv e r t i c a l ，t h ew e l d i n gs p e e d d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n to ft h eg a pt o l e r a n c e i na d d i t i o n ，c o m p a r e dw i t h s i n g l eb e a ml a s e rw e l d i n g ，t h ee f f i c i e n c yo f d u a lb e a ml a s e rw e l d i n gi sh i g h e r ， w i t ht h e a n a l y s i s o ft h e w e l d i n gp r e t r e a t m e n t 、w e l d i n gs p e e d a n dw e l d i n g q u a l i t y m o r e o v e r ，p l a s m aa n dk e y h o l e i nd u a lb e a ml a s e rw e l d i n gw a so b s e r v e d w i t ht h ec c da n dc m o sv i s u a l s e n s o r s y s t e m m o l t e np o o l a n d k e y h o l e c h a r a c t e r i s t i c sw i t hd i f f e r e n tl a s e rb e a md i s t a n c ew e r ei n v e s t i g a t e d a n d ，p l a s m a s t a b i l i t y o fd u a ll a s e rb e a mw a sc o m p a r e dw i t ht h a to fs i n g l el a s e rb e a mb y m e a n so f i m a g ep r o c e s s i n g ，o f w h i c hr e s u l tw a su s e dt oe x p l a i nt h ei m p r o v e m e n t o fw e l d i n gq u a l i t yi nd u a lb e a ml a s e rw e l d i n g k e y w o r d s d u a lb e a ml a s e rw e l d i n g ；d i f f e r e n tt h i c k n e s s ；g a p ；a d a p t a b i l i t y - i i f 哈尔滨t 业大学工学硕 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 目前，激光焊接技术已经被广泛应用于汽车制造业，航空航天，电子工 业以及重工业产品制造中。尤其在汽车制造业中应用较多，高功率的激光器 常被用来焊接大量汽车结构部件，如变速器，消音器，催化转换器，排气系 统以及专用毛坯件等 j j 。 与常规的焊接方法相比，激光焊接具有能量密度高，热输入量低，焊接 变形小和焊接速度高等优点。但在激光焊接过程中仍存在着较多的焊接缺 陷，如密集气孔、焊缝表面孔焊、缝表面不规则、咬边、凸起以及凝固裂纹 等。近年来，人们一直在研究同时使用两束激光进干亍焊接的方法，即双光束 激光焊接。 根据目前双光束激光焊接的研究结果，综合分析可以得出，与单光束激 光焊接相比，双光束激光焊接主要具有如下优点： ( 1 ) 在不等厚度拼板的焊接中，双光束激光焊接适应性更好，对工件及 其装配精度要求相对较低，尤其在对接接头的焊接中，允许的闾隙量更大； ( 2 ) 在应用串行排布双激光束时，利用其中束光作为热处理热源，可 以有效降低焊接熔池冷却速度，从而降低焊缝硬度及裂纹敏感性，并能够提 高焊缝强度； ( 3 ) 双激光束产生的小孔更为稳定，使得焊接过程更稳定，从而提高了 焊接质量。如焊接铝合金和碳钢时，焊缝表面光滑，气孔、咬边、裂纹等缺 陷明显减少。 作为近年来新兴的焊接技术，激光拼焊技术已经得到了广泛的应用。目 前，其应用主要集中在汽车及其相关产业中。在汽车生产中应用激光拼焊技 术不仅能够减轻车体重量、简化生产工艺，而且能够有效降低汽车生产成本 2 6 t 。拼焊板的如上优点将使其成为未来工业的主导方向之一。 在拼板的激光焊接中，不等厚度板材的对接是较为常见的。采用常规单 激光束进行不等厚度板材拼焊时，存在一些比较难以克服的问题，如由于激 光束光斑尺寸很小，并且要同时落在两板边缘处，光斑位置难以控制，这对 接板边的准直度和端面平整性有很高要求【2 l ；有间隙板材肘接焊时，所允许 间隙量较小，而焊缝上下表面凹陷与对接板边间隙直接相关。而采用可旋转 哈尔滨工业大学工学硕，【学位论文 双光束激光焊接汽车拼板，两束光光斑更容易控制，对工件的加工精度及其 装配精度要求降低，对接接头对问隙量的要求相对宽松，焊接适应性更好， 生产效率随之提高；另外由于双光束条件下，激光焊接过程更为稳定，焊接 缺陷明显减少，焊接质量得到明显改善。 1 2 双光束激光焊接基本原理 在大多数所报道的双光束激光焊接试验研究中，“双光束”词意味着 在焊接过程中同时使用两束激光。但是在这些试验中所使用激光器类形有所 不同，如有低功率的连续脉冲n d ：y a g 激光器，有高功率连续c 0 2 激光 器。其中两束光的相关设鼍，如光束排布方式，光束间距，两束光所成的角 度，聚焦位置以及两束光的能量比都有所不同。通常情况下，在焊接过程中 两束光有并行、串行及交叉三种排布方式，如图l 一1 所示。 焊接方向 ，- - - 一 并行交叉串行 图1 1 双光束排布方式 本质上，双光束激光焊接系统可以分为两类，一类系统中两束光互成一 定角度，另一类系统中两束光相互平行p 】。在目前已知的双光束激光焊接系 统中，大多是将两个n d ：y a g 激光器混合使用，这是由于此时使用两个光 纤聚焦头操作简单 8 - 1 0 。当然，也可以通过使用一种特殊的光学设备将两个 c 0 2 激光束混合使用r ”。这种经光学设备分光所形成的双光束激光焊接系统 更容易实现光束间距和两光束能量比的调整。但分光所形成的两束光基本都 是相互平行的并且具有相同的偏振面。目前大多数已知的双光束激光焊接系 统采用的都是互成一定角度的两束光。在这种情况下比较容易得到较小的光 束间距，而在平行双光束焊接系统中，光束间距通常较大，这种系统常用来 降低焊接过程中熔池的冷却速度【7 , 1 1 1 。采用互成角度和相互平行两种双光束 焊接系统进行焊接时，其焊接机制及影响因素并没有太大的差异，而且随着 两光束间距的不同，焊接机制都将发生改变。 竺童堡三兰查兰三兰堡兰兰堡丝兰 通常根据光束间距的不同可将平行双光束激光焊接机制分为三类，如 图1 2 所示。第一类焊接机制中光束间距很小，此时两束光在焊接熔池中产 生同一个匙孔；第二类焊接机制中光束间距相对较大，两束光在一个焊接熔 池中产生两个相互独立的匙孔，同时液态金属的流动模式发生改变；第三类 焊接机制中光束间距进一步增大，其中一束光在焊接中产生匙孔，而另一束 光只作为焊前或焊后热处理的热源。 图1 2 平行双光束激光焊接中不同光束间距时的焊接机制 11 3 双光束激光焊接技术研究现状 1 3 1 铝合金的双光束激光焊接 铝合金由于具有高的热导率、低沸点、易挥发且对激光有较高的反射 率，使得常规单光束激光焊接铝舍金较为困难，焊接中易产生飞溅、气孔、 咬边以及焊缝不规则等缺陷。有研究表明，采用双光束激光焊接方法可以较 为有效地解决单光束激光焊接铝合金时存在的问题，其焊接过程相对更为稳 定，焊接质量提高【8 ，l o ”j 。 国外研究人员采用双光束激光焊接方法进行了大量的铝合金焊接试验研 究。如i s h i d e 等人采用一个连续n d ：y a g 激光器( 2 0 0 w ) 和一个脉冲 n d ：y a g 激光器( 4 1 0 w ) 组成的双光束激光焊接系统焊接l m m 厚度的a 5 0 5 2 铝板，试验结果表明，双光束激光焊接方法有效地抑制了微裂纹的产生t “。 后来，t a k a k u n i1 w a s e i 2 采用两台n d ：y a g 激光器产生的双激光束进行了铝 竺查堡三些! 兰三兰丝! ! ：兰篓兰 合金叠接接义形式的焊接试验研究。试验主要分析了光束问距、光束排布方 式、焊接速度等工艺参数对焊接质量的影响，包括焊缝表面成形，微舰组织 和拉伸强度。图i _ 3 为试验所得到的焊缝外观。 光求间距串行双光束变义双光束 03 6 m m 06 m m lo m m 图13 焊缝外观2 观察发现，当光束间距矾= 0 3 6 r a m 时，串行及交叉两种光束排布方式 下焊缝成形都较差：当以= 0 6 m m ，1 o m m 时，得到的焊缝比较光滑缺陷较 少。即光束间距较大时焊接过程更为稳定，焊接质量更好。经过分析，焊接 过程不稳定性主要是由于焊接过程中锅台金中的镁汽化并从母材中挥发出去 所导致。当采用单光束激光焊接或间距很小的双光束激光焊接时，由于小孔 开口很小，镁蒸汽挥发困难从而导致过程不稳定：当光束间距较大叫，小孔 开u 相对较大有利于镁蒸汽挥发，焊接过程比较稳定，进而焊接质量提高。 光束间距 03 6 m m0 6 r a m1 o m m 串行双光束 交叉双光束 图1 4 焊缝横截面”l 哈尔滨工业大学t 学硕卜学位论文 图1 4 给出了焊接速度为4 m m i n 时焊缝横截面。通过观察可得到与上 述相类似的结论。所不同的是，当d 。较大时( 1 0 r a m ) ，两种排布方式下的 焊缝熔深都相对较小，串行排布方式下尤其严重。2 0 0 0 年e w i 的研究人员 采用双光束激光焊接方法进行了铝合金的平板堆焊和对接试验，光束间距为 1 2 r a m ，c 0 2 激光器功率为6 k w 。图1 5 所示为试验得到的焊缝表面。试验 结果表明，与单光束激光焊缝相比，双光束激光焊缝更规则，气孔、飞溅和 咬边等缺陷明显减少。 图1 - 5 铝合金双光束激光焊缝表面( a 单光束，b 双光束) “ 2 0 0 1 年m gd e u t s c h 4 】在双光束激光铝合金平板堆焊试验中，研究了激 光能量、两光束能量比、焊接速度等工艺参数对焊接质量的影响。两光束串 行排布，间距o 9 r a m 。试验结果表明，在激光器功率一定的条件下，增加 前后光束的能量比使其大于1 ：1 ，有利于改善焊缝质量，增大母材熔化区， 减少未填满，在焊接速度较高时仍然可以得到较光滑的焊缝。 综上所述，与单光束激光焊接相比，双光束激光焊接方法焊接铝合金能 够有效地抑制裂纹的产生，消除气孔，改善焊缝成形，并具有良好的焊接工 艺稳定性。 l _ 3 2 碳钢的双光束激光焊接 碳钢的激光焊接，尤其是中、高碳钢的激光焊接，存在主要问题是易产 生凝固裂纹。从目前已知的研究结果看，采用双光束激光焊接技术可以利用 其热处理功能，有效降低焊接熔池冷却速度，从而降低材料的裂纹敏感性。 针对中、高碳钢激光焊接过程中熔池冷却速度较快以及易产生凝固裂纹 等问题，国内外研究人员进行了大量的双光束激光焊接试验研究。如早期 k a n n a t e y a s i b n 等人给出了双光束激光焊接中熔池冷却速度的几个相关数学 哈尔滨： 业大学工学硕上学位论文 模形，这种理论上的分析结果表明焊缝中心线处的冷却速度由单激光束下的 1 0 0 4 s 降低到双光束条件下的5 7 0 s t “j 。1 9 9 7 年l i u ，y n ，1 在a l s l 4 1 4 0 钢的单、双光束激光焊接试验中对比分析了单、双光束条件下熔池冷却速度 与焊缝硬度。材料含碳量为o 3 8 - 0 4 3 ，两光束间距为10 r a m 。试验中两光 束分为主光束和次级光束，主光束提供焊接所需能量，次级光束作为热处理 热源。试验结果表明，与单光束激光焊接相比，双光束激光焊接能够有效降 低焊缝硬度，双光束条件下熔池冷却速度普遍下降，这主要应归结于双光束 中次级光束的热处理作用。 再后来，j x i e 1 采用双光束激光焊接方法分别进行了4 5 号钢的对接和 平板堆焊试验。板厚6 2 5 m m 。图1 - 6 为单、双光束条件下对接接头焊缝外 观。对比发现，双光束焊缝光滑且规则，而单光束焊缝粗糙且不规则。 图1 - 64 5 号钢对接接头焊缝( a 单光束，b 双光束) 图1 7 为单、双光束条件下表面堆焊焊缝。试验中焊接速度变化范固从 1 2 5 m m i n 到7 6 2 m m i n 。观察发现，单激光束焊接时，焊接速度较高时得 到的焊缝还可以接受，但在低焊接速度条件下得到的焊缝存在表面缺陷且不 规则；而在双光束焊接时，在高、低速焊接下，焊缝都比较光滑且无缺陷。 这就意味着双光束激光焊接过程更为稳定。 图1 74 5 号钢表面堆焊焊缝( a 单光束，b 双光束) 哈尔滨工业火学r 学硕士学位论文 试验还对比分析了单、双光束条件下4 5 号钢焊缝中心线处裂纹敏感性 和硬度的差异。4 5 号钢为中碳钢，含碳量为0 4 5 。这种材料在焊接过程 中对凝固裂纹比较敏感。而中心线裂纹是一种典形的凝固裂纹，通常存在于 中高碳钢、某些合金钢以及铝合金焊缝中，中心线裂纹敏感性定义为：裂 纹总长度与焊缝总长度的比值。试验结果表明，对于单光束激光焊接，在很 宽的焊接速度范围内出现中心线裂纹；而对于双光束激光焊接，中心线裂纹 只出现在较小的焊接速度范围内。这意味著采用双光束激光焊接时，其裂纹 敏感性相对较低。 可以看出，双光束激光焊接方法的优势在中、高碳钢的焊接中已经得到 体现。与单光束激光焊接相比，双光束激光焊接方法能够有效地降低中、高 碳钢焊接熔池冷却速度与焊缝硬度，降低了焊缝裂纹敏感性，改善焊缝表面 成形，进而提高了中、高碳钢的激光焊接质量。 1 3 3 双光束激光焊接等离子体特征 大量研究结果已经表明双光束激光焊接技术能够实质性地提高焊接质 量。但人们更希望了解其提高的原因以及双光束是如何与材料相互作用的。 针对这一疑问，j x i e 利用高速摄像技术观察分析了等离子体动力学行 为，进而分析研究了小间距双光束激光焊接过程中激光束与材料的相互作用 机制。在钢板的单光束激光表面堆焊试验中，通过高速摄像观察发现等离子 体在高度方向上不断地波动，图1 8 给出了单光束激光等离子体波动循环。 13 2 m s1 5 4 m s1 7 6 m s19 8 m s2 2 0 m s2 4 2 m s 图1 - 84 5 号钢单光束激光表面堆焊过程中等离子体1 如图1 - 8 所示等离子体在高度方向上存在着长大一缩小一长大的循环。在 单光束激光焊接试验中，焊接速度为1 2 r r d m i n 时，其平均波动频率为 1 2 k h z 。激光功率不变，焊接速度增加到7 6 2 m m i n 时，匙孔深度减小，等 离子体在高度方向上波动量有所降低，等离子体变得更加稳定，焊缝缺陷较 少。但此时其平均波动频率几乎不变，仍为1 ，2 k h z 左右。有研究指出，在 哈尔滨工业大学工学硕j 一学位论文 高功率激光焊接巾，等离子体的这种波动与匙孔的不稳定性密切相关，而匙 孔中液态金属的不规则流动是导致匙孔不稳定的主要因素”8 ”1 。 在单光束激光焊接中，工件表面在瞬间被高功率激光加热到沸点温度 2 0 , 2 1 i ，被加热处产生匙孔，部分金属蒸汽和保护气体在高温作用下电离，从 而在匙孔中形成一个高温高压的等离子体。当匙孔完全开放时，部分等离子 体从匙孔中逸出，处于工件上方。由于液态金属流动不规则，导致匙孔通常 是不稳定的，匙7 l 开口处在一个确定的频率范围内不断收缩| l “j 。当匙孔开 口处收缩时，就会抑制等离子体的外逸，导致工件上方的等离子体变得很 小，同时，由于激光束连续热辐射作用，匙孔内等离子体压力不断增大。当 此压力值足够大时，等离子体从匙孔中爆发而出，等离子体尺寸增大。等离 子体爆发过程中将从匙孔中带出定量的液态金属【2 “，形成飞溅，最终导 致在焊缝中形成空穴，此时如果没有足够的液态会属回填空穴，得到的焊缝 将是粗糙且不规则的。 13 2 m s1 5 4 m s1 7 6 m s19 8 m s22 0 m s2 4 2 m s 图i - 94 5 号钢双光束激光表面堆焊过程中等离子体1 】 同样在双光束激光焊接中也观察到了波动状态的等离子体，但其波动幅 度相对要小得多，如图1 9 所示。在确定情况下，双光束等离子体非常稳 定，其尺寸变化很小。这种稳定的等离子体可能暗示着在双光束条件f 匙小 孔一直处于开放状态，从而使得等离子体从匙 l 中不断地逸出，匙孔内等离 子体的压力值始终保持在一个较低的水平。因此，不会出现剧烈的等离子体 从匙孔内爆发而出的现象，使得焊接过程中飞溅较少，得到的焊缝较为光 滑。 另外，文献中对高速焊接下( 7 6 2 m m i n ) 双光束激光等离子体进行了 观察，偶尔会发现存在两个等离子体，如图1 1 0 所示。这意味着在试验给 定的双光束排布方式下，当焊接速度较高时可能产生了两个匙孔，而当焊接 速度低于7 6 2 m m i n 时只存在一个等离子体。即当焊接速度小于7 6 2 m m i n 时焊接机制属于第一类，高于7 6 2 m m i n 时则转变为第二类。 2o2 2 m s 图卜1 0 焊接速度为7 ，6 2 m r a i n 时出现的两个等离子体 对单、双光束激光等离子体波动状态的观测与描述赢接揭示了单、双光 束激光等离子体稳定性差异，这就为双光束激光焊接方法能够有效改善激光 焊接质量提供了依据。 1 4 拼焊板的激光焊接研究现状 由于人们对汽车性能和功能如节能、减少污染、驾驶安全等要求越来越 高，拼焊板的应用也越来越受关注。所谓拼焊板是指冲压成形前将不同厚 度、不同材质或不同表面涂层的平板坯料焊接在一起形成的平板坯料1 2 ”。 汽车车身主要是由一些薄板构件组成，由于多数冲压件形状不规则，冲 剪下料时板材废料占有相当大的比例。拼板焊接的应用可使板材利用率大大 提高，而且它能够根据优化强度设计及使用条件剪裁成不同厚度、不同表面 复层及材质焊成一个整体坯板，然后一次冲压成形。这样不仅减轻了车体重 量、简化了生产工艺，而且大大降低了生产成本【2 j 。 在国内，拼板的焊接技术尚处于研究阶段，还没有自主的成形技术 担”。随着汽车工业的不断发展，拼焊板的应用量必将不断增加，国内对拼 焊板生产技术的深入研究也将势在必行。 国外对拼焊板的研究和生产主要采用激光焊接1 2 “。如s m c h a n 等人 应用激光焊接方法进行了同种材料、不同厚度冷轧钢板对接焊试验，研究了 不同厚度比对成形性能的影响，试验结果表明随着厚度比率的增加，拼焊板 的成形性能下降【2 ”。t o m a sf o r s m a n 采用c 0 2 激光器分别进行了不同厚度碳 钢和不锈钢的对接焊试验，并对焊件进行了胀形( 杯突) 试验，研究结果表 明，在焊缝处薄板向厚板的光滑过度或者突变并不影响拼焊板的成形性能， 哈尔滨_ _ r _ 业大学工学硕上学位论文 杯突深度值很大程度上取决于焊缝微观组织及其几何形状“。 在国内，1 9 9 6 年攀枝花钢铁研究院的梁雪平通过对几大汽车厂和钢厂中 激光拼焊研究现状的总结分析指出，拼板焊接设备主要是固体激光器和气体 激光器，影响激光焊缝熔深的主要因素是激光功率、焊接速度、光斑直径和 离焦量，激光焊接接头具有良好的成形性、疲劳性能和较高的强度。同 一年，华中科技大学的刘建华等人对汽车板激光拼焊工艺进行了大量试验研 究，详细分析了激光焊接接头的各项性能，。同时分析了工艺参数和焊缝宽度 之间的关系，并给出了经验公式 2 7 。2 0 0 2 年东北大学的王炳德等人分别采 用激光焊接和钨极氩弧焊进行了拼板焊接试验，对比分析了两种焊接方法的 拼焊特点。研究结果表明，激光焊接方法具有焊接速度高、焊缝成形好等优 点，但其焊接成本高，焊前准备时间长；钨极氩弧焊接方法具有成本低、使 用方便等优点，更重要的是它能焊接铝板，但其焊接速度慢、热影响区宽 1 2 8 。后来华中科技大学的郏启光等人对不同形状、不同厚度及不同表面覆 层的剪裁钢板进行激光高速拼焊试验，研究了工艺参数( 激光模式、激光功 率、措焊速度等) 对激光拼焊质量的影响，并对激光拼焊的0 8 a i 剪裁铡板进 行拉伸，胀形( 杯突) 以及汽车钢板结构模拟试件的冲压性能试验，试验结果 表明，激光拼焊的剪裁板能满足汽( 轿) 车钢板结构件对冲压性能的要求”。 2 0 0 3 年上海交通大学的瞿丰通过试验研究了不同厚度工件的搭接和对接 激光焊接工艺参数对接头成形的影响。试验结果表明，若焊接参数选取适 当，能够获得焊道成形良好，接头性能符合要求的焊接接头；单道搭接焊接 头性能和对接焊接头基本相似，均优于一般的焊接方法；激光焊接具有非常 窄的熔化区( o 5 l ，5 r a m ) ：当不同厚度的板材金属被焊在一起时，从较厚板 材向较薄板材金属过渡的焊缝形貌非常平滑。华中科技大学的余震等人 对薄板激光拼焊间隙c c d 检测系统进行了研究，进行了具体的软硬件设 计，所研制的系统克服了以前薄板激光拼焊前间隙控制效率低、实时性差等 缺点f 3 1 】。 由目前拼板的激光焊接现状看，大多采用单光束激光进行焊接。在前 面已经提到，采用单光束激光进行不等厚板材拼焊存在一些很难克服的问 题，如由于激光柬光斑尺寸很小，并且要同时落在两板边缘处，光斑位置难 以控制，这对接板边的准直度和端面平整性有很高要求；一般激光焊缝宽度 为o ，5 1 m m ，在无填丝情况下，焊缝表面必然有一定的凹度，此凹度与对 接板边间隙是直接相关的 2 】。有研究表明使用并行排布双激光束进行焊 接，能够提高激光焊接对间隙量的适应程度。通常情况下，在采用单激光束 哈尔滨 业人学丁学硕l 学位论文 焊接时，对接接头两工件间隙量应小于板厚度1 0 ，而采用并行排布的双 激光束焊接专用毛坯件时能够明显提高所允许的问隙量i j “。 采用可旋转双光束激光焊接汽车拼板，两束光光斑更容易控制，对工件 的加工精度及萁装配精度要求降低，对对接接头间隙量的要求相对宽松，焊 接适应性更好，可提高生产效率；另外由于双光束条件下，焊接过程更稳 定，可以明显改善焊接质量，减少焊接缺陷。 ， 1 5 本文的主要研究内容 本文旨在通过试验较深入地研究双光束激光焊接方法在不等厚度钢板对 接焊中的焊接特性，并与单光束激光焊接进行对比分析。具体研究内容如 下： ( 1 ) 进行不等厚板双光束激光焊接熔化特性研究。针对拼焊板成形性能 及对焊缝成形的要求，分析双光束的能量配比、光束作用位置及有效光束尺 寸对不等厚板焊接熔化特性的影响。 ( 2 ) 对双光束激光焊接的间隙适应性进行试验研究。针对不等厚板的熔 化特性，研究有效光束尺寸、光束旋转角度、光束入射角度等参数对焊缝 表面凹陷率的影响。并深入研究在激光束垂直入射和倾斜入射两种情况 下，接头间隙量对焊接速度的影响规律。并对单、双光束激光焊接效率进 行对比分析。 ( 3 ) 应用c c d ，c m o s 视觉传感系统对单、双光束激光焊接等离子体及 熔池匙孔图像进行采集，初步分析双光束激光焊接熔池匙孔形态和等离子 体的稳定性，并以此讨论分析双光柬激光焊接方法对焊接质量的改善。 哈尔滨 ：业人学工学硕l 学位论文 第2 章不等厚板双光束激光焊接的熔化特性 2 1 试验系统与试验方法 2 ，1 ，l 试验材料与试验设备 试验材料选用低碳钢q 1 9 5 。对接板材厚度分别为1 4 m m 、0 8 m m ，板 材尺寸为3 0 m i n x l 0 0 m m 。焊前工件表面经丙酮去油污处理。材料的主要化 学成分及力学性能指标如表2 1 所示。 表2 - l 碳钢q 1 9 5 的主要化学成分及力学性能指标m 材料 c m n s i s p 盯6 ，m p a4 0 ， q 1 9 5 0 0 6 0 1 2o 2 5 0 5 0( o ，3 00 4 2 8 试验设备主要包括：德国r o f i n s i n a r 公司扩散冷却射频激励c 0 2 激 光器，配四轴控制c n c 数控系统及平面工作台，c c d ，c m o s 图像采集设 备。图2 1 为试验用c 0 2 激光器加工系统。激光器主要技术参数见表2 - 2 。 图2 1 试验用c 0 2 激光器加二【系统 表2 - 2 试验用c o z 激光器主要技术参数 额定功率( k w )输出方式波k ( i _ t m ) 模式 焦口e ( m m ) 聚焦赢径( r a m l 3 连续或脉冲 l o 6 t e m 0 1 1 9 00 2 0 哈尔i 宾i , 2 k 人学工学硕l 学位论文 2 ，1 ，2 双光束的分光原理及能量的调节 目前为止，双激光束的产生主要有两种方式：一种是采用两台n d ：y a g 激光器，激光由两柬光纤传输然后聚焦；另一种是采用分光镜将一束c 0 2 激光分成两束平行光。本文采用后一种方法，其分光原理如图2 - 2 所示。 图2 - 2c 0 2 激光器分光系统 角 图2 2 中所采用分光镜的分光机制是镜表面的上下两部分不在同一平 面上，而是互成一定角度。本文试验中分别使用了光束间距为o 6 r a m 2 o m m 两种不同的分光镜。图2 3 所示为两种分光镜实物。 图2 - 3 分光镜 在实际应用双束激光进行焊接时，涉及到两束激光能量比的问题。为研 究两束激光能量比对焊缝质量的影响，本文采用分光镜将一束c 0 2 激光分 成两束平行光，光束间距一定，两束激光能量配比可调，但调节范围有限。 分光后两束激光能量比的调节原理为：通过单激光束在分光镜镜面上下 两部分照射面积比的调节来实现两光束能量比的调节，而照射面积比的调节 哈尔滨t 业人学工学硼，l 学位论文 是在单激光束入射位置固定的基础上，改变分光镜的位置来实现。具体实现 办法是在分光镜镜座的固定螺丝上添加垫片。 图2 - 4 能量配比调节示意图 图：7 - 4 所示为能量配比调节的实现过程示意图。从图中可以看出，分光 镜相对于激光器固定部分的左右移动，可以改变单激光束在分光镜上、下两 部分镜面上的面积分布，从而改变分光后两激光束的能量比。每添加一个垫 片，分光镜向远离激光器固定部分方向移动】m m 的距离，此时激光束在分 光镜上半部镜面上的面积减小，在下半部分镜面上的面积增加，在光束平面 投影图中可表示为激光光斑( 小圆形区域) 相对向右移动l m m 的距离。在投 影平面上计算中心线左右两部分光斑面积比印为两激光束能量比，当平面投 影区内两种颜色区域所代表的圆相切时，能量比达到上限。表2 3 所示为计 算结果。 表2 3 计算所得垫片数量与能量比对麻关系 垫片数量( 个) 01234 56 能量比1 ：1 5 l ：1 2 1 ：1 1 ：1 2l ：t5l ：1 9 l ：2 ，3 2 1 。3 试验方法 试验采用激光连续无间隙对接焊方式，氩气保护。主要分析了双光束能 ! ! 查堡三些查耋三兰堡圭兰堡篁兰 量比、双激光束在板材对接边缘作用位置、有效光束尺寸对焊缝成形的影 响。试验过程中采用三种光束形式，即并行排布、4 5 。交叉排布及单光束。 主要试验参数范围如表2 - 4 所示。 表2 4 主要试验参数 激光功率( k w ) 08 2 焊接速度( m l m i n ) 2 间隙量g ( m m ) ， o 光束排布方式并行，单光束，4 5 。交叉排布 光束入射角度( 。) 9 0 光束间距( r a m ) 06 保护气体及其流量( l r a i n l a l1 8 聚焦状态工件表面聚焦 2 2 不等厚板双光束焊接的熔化特性 在不同厚度板材对接接头的焊接中，由于板材厚度的差异导致其焊缝成 形与等厚板材对接焊缝成形有所不同，焊缝上表面存在一定倾斜角度。其 中，较厚板材对接边缘金属熔化状态直接影响焊缝表面成形，如焊缝表面宽 度、薄板与厚板的板闻过渡形态等，迸雨影响焊接接头的成形性能。文献 2 5 】中通过胀形( 杯突) 试验研究了激光焊接不等厚度板材对接接头的成形性 能，试验结果表明，表面宽度最小的焊缝具有最良好的成形性能，薄板与厚 板的板间过渡圆滑与否并不影响焊接接头的成形性能。另外，从焊缝外观和 抗腐蚀性能来看，焊缝表面宽度也应以窄小为好f 2 7 】。 针对焊缝表面成形对接头成形性能的影响，本节采用双光束激光焊接方 法进行不等厚板对接焊试验，研究能量比不同、光束作用位置不同以及有效 光束尺寸不同条件下，双光束激光焊接不等厚板熔化特性，分析得到以_ l 二光 束参数对焊缝表面成形的影响规律。 2 2 1 不同光束能量比下的熔化特性 试验选用两组工艺参数( 激光功率，焊接速度) 进行焊接分别为 1 6 5 k w ，1 4 m m i n ；1 8 5 k w ，1 8 m m i n 。两光束并行排布，双光束问距为 o 6 m m ，光束垂直入射，无对接间隙量。图2 5 所示为双光束在对接板边缘 作用位置示意图。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 5 双光束作用位置示意图 图2 - 6 所示为试验所得焊缝上表面与焊缝横截面。 a 1 能量比1 ：1 2 b ) 能量比l ：2 、3 妒= 1 6 5 k w ，= 1 4 m r a i n ) c ) 能量比1 ：1 2 d ) 能量比1 ：2 3 ( p = 1 8 5 k w ，= 1 8 m r a i n ) 图2 - 6 不同能量比下的焊缝表面及横截面 由图2 - 6 可看出，在激光功率、焊接速度定条件下，两光束能量比增 大，焊缝表面宽度减小。对图2 - 6 中不同参数下焊缝上表面宽度的测量结果 哈尔浜r 业大学工学硕士学位论文 表明，在p = 1 6 5 k w ，= 1 4 m m i n 条件下，双光束能量比出1 ：1 2 增加到 1 ：2 3 后，焊缝上表面宽度下降幅度为3 1 2 5 ：在尸= 18 5 k w ，。 1 8 m m i n 条件下，双光束能量比由l ：l2 增加到l ：2 3 后，焊缝上表面宽度 下降幅度为4 1 3 8 。可见，在两组工艺参数下，光束能量比增加后，焊缝 表面宽度下降辐度都较大。 分析光束能量比对焊缝表面成形影响的原因，主要是由于在光束能量比 为1 1 2 时，两束激光能量接近，薄板与厚板边缘同时熔化形成焊缝，且薄 板在激光束作用下板材熔化量相对较大；当光束能量比增大到l ：2 3 ，两束 激光能量相差较大，薄板在小能量光束作用下板材熔化量迅速减小，焊缝主 要由厚板边缘板材熔化来形成，与光束能量比l ：1 ，2 条件下焊缝由两板边缘 熔化金属共同形成相比，焊缝表面宽度下降。 2 2 2 不同光束作用位置下的熔化特性 针对上一小节中给出的拼扳成形性能、外观表现等对焊缝宽度的要求， 本节通过改变双光束在对接板边缘的作用位置来改变薄板与厚板边缘的熔化 状态，进而改变焊缝表面成形。光束工艺参数同2 2 1 。试验中所采用的光 束位置形式有两种，如图2 7 所示。 图2 - 7 双激光束光斑位置示意图 在本文所有试验中，通常均采用图2 7 中第一种光束位置形式。采用第 二种光束位置形式，即大能量光束放在焊缝中心，小能量光束位于厚板边 缘，目的是降低薄板熔化金属量，使得熔敷金属主要来自厚板边缘，从而可 以降低焊缝表面宽度。图2 8 所示为两种能量比条件下，改变光束位置前 后得到的焊缝上表面及横截面。激光功率、焊接速度均为1 8 5 k w , 18 m r a i n 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a ) 光束位置形式1