數(shù)控激光焊接（laserwelding）是一種先進的現(xiàn)代制造技術，它是以高強度的激光束輻射至金屬表面，通過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。高強度鋼板多用于汽車車身安全件，采用激光焊接技術，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。

 

　　在實際激光焊接中，需要專門的夾緊和設備技術，這種設備的精確程度與激光焊接的質(zhì)量高低是相輔相成的，試驗研究采用的LCK－12×25型數(shù)控精密激光加工機床是一種新型激光切焊設備。近年來，國內(nèi)外在高強度鋼的激光焊接應用方面雖做了大量的工作，但仍需作進一步的研究與探索。對1.5mm厚高強鋼板進行了深熔焊接工藝試驗，獲得了較好的焊接效果，并對焊接接頭性能評價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試驗條件及方法1.1試驗條件焊接材料是瑞典生產(chǎn)的高強鋼（DOGAL800DP），工件尺寸為100mm×30mm×1.5mm。

 

　　1.2試驗方法焊接接頭采用對接直焊縫方式，依靠夾具來保證被焊件的裝配精度。由于影響高強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設計法，試驗量過大，而且在試驗設計中沒有考慮各因素之間的交互效應。因此，本項研究采取了正交試驗法，以優(yōu)化出高強鋼的*佳焊接工藝規(guī)范。圖1為激光焊接板材試驗設備的總體布局示意簡圖。

 

　　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、焦點位置、焊接角度、保護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、光束與材料之間的耦合能力等都密切相關，是激光焊接中的一個關鍵參數(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，熔深直接與光束功率密度有關，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，熔池的流動方式和尺寸將會改變。提高速度會使焊接熔深變淺，甚至工件未被完全焊透；但速度過低又會導致材料過度熔化、使焊縫加寬，表面凹陷，嚴重時使工件焊穿。所以，對一定激光功率和厚度的某一特定材料都有一個合適的焊接速度范圍，并在其中相應速度值時可獲得*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、錯位和所需焊縫強度、熔深、焊道寬度及材料偏置決定的。在對接接頭形式下產(chǎn)生*大熔深，此時的聚焦位置即為*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，因而對焊縫形狀、熔深和橫截面積有較大影響。焊接時，為了保持足夠功率密度，焦點位置至關重要，對大多數(shù)激光焊接應用場合，通常將焦點位置設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會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，也會減小深熔，因此焊接時應盡量避免使光束產(chǎn)生傾角。如果不能避免，也應盡量傾角*小，同時*小傾角應能保證聚焦光束不燒蝕鄰近工件或夾具。

 

　　2.5保護氣體成分和流量激光焊接過程使用惰性氣體來保護熔池，大多數(shù)應用場合則常采用氦、氬、氮等氣體。如等離子體存在過多，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氣體不同而變化，氦氣*小，氮氣次之、使用氬氣時*大，即：Ar→N 2→CO 2→He。氮氣作為保護氣體*經(jīng)濟，也*常用，本試驗采用氮氣作為保護氣體。

 

　　在氣流量方面，若氣流量過小，不能驅(qū)離等離子體，對焊縫及鏡片的保護效果也不好；氣流量過大，帶走大量熱能，而且會加大紊流度，對熔池攪拌作用加劇，易造成焊縫氣孔等缺陷。

 

　　2.6焊接飛濺及其防止焊接過程中產(chǎn)生的飛濺堆積在聚焦鏡上會嚴重影響焊接質(zhì)量。隨著焊接飛濺和其他殘渣在聚焦鏡和透鏡表面上越積越多，鏡片將會吸收能量從而產(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空氣刀，打開空氣刀時就會在聚焦鏡前面形成一個氣層，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金屬，有效防止焊接飛濺對貴重光學器件產(chǎn)生危害。

 

　　3分析與討論3.1焊縫的力學性能試驗試驗在WDW－100微機控制電子萬能試驗機上進行，拉伸速度0.5mm／min，夾頭間距60mm，對焊件拉伸試驗所做的應力－應。可以看出焊件焊縫強度與母材大體相當，沒有出現(xiàn)焊縫的軟化現(xiàn)象，在選擇優(yōu)化的工藝參數(shù)下，焊縫強度甚至高于母材強度。

 

　　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成分和冷卻速度決定的。在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)會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，接頭淬硬傾向一般可由顯微硬度來反映。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。

 

　　在負載400克，保持載荷時間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)的組織得到細化，因而接頭硬度會比母材區(qū)有較大提高，同時金相觀察也沒有發(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對焊接接頭進行能譜分析，內(nèi)容主要包括點掃描分析焊縫區(qū)相對母材組成元素的變化及分析。

 

　　從高強鋼板激光焊接接頭的點掃描結(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數(shù)發(fā)生了相應的變化。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，說明各相中的成分存在一定的差異。

 

　　3.4焊縫鹽水腐蝕試驗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，以七天為一個周期，即浸泡1天，晾干6天。

 

　　通過實驗觀察，對高強度鍍鋅鋼焊件通過干濕比為6：1，經(jīng)過為期五周觀察發(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)腐蝕試驗下去，情況也基本差不多，說明高強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高強鋼焊接缺陷分析氣孔和裂紋是激光焊接過程中*常出現(xiàn)的缺陷。焊縫氣孔是深熔焊接的一個直接結(jié)果，由于焊縫深而窄，冷卻速度又快，焊接過程中產(chǎn)生的氣體不一定有足夠的時間從熔化區(qū)逸出。對于非穿透焊縫，問題比較嚴重，較易在焊縫的根部出現(xiàn)分散的氣孔。

 

　　激光焊接過程中產(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、其強度不足以承受收縮應力的情況。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。通過工藝優(yōu)化，選取合適的焊接工藝參數(shù)，檢測焊接試件顯示焊接接頭沒有出現(xiàn)氣孔和裂紋。此外還可以通過預熱、加焊絲或調(diào)整焊接參數(shù)等措施來減少以至消除裂紋。

 

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

 

　　（2）通過在實際加工中的工藝總結(jié)，對高強鋼焊接焊縫進行拉伸強度、金相組織、顯微硬度、成分偏析及焊縫腐蝕試驗研究表明：激光焊接1.5mm板厚高強鋼時，保證焊縫成形、強度和質(zhì)量的*優(yōu)化工藝參數(shù)是在以氮氣作為保護氣體同軸氣流量為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，可以保證高強鋼的焊接質(zhì)量。