激光焊接技术在车身高强钢小焊缝焊接中的应用

邵长春，黄思德

Shao Changchun1，Huang Side2

（1.广西柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545000；2.北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 101300）

0 引 言

在汽车生产中，焊接是一个非常重要和关键的环节，选取恰当的焊接方式能够使车身的抗碰撞能力得到提升，有利于车身减重、降低成本和油耗以及总装工序简化。在诸多焊接方式中，激光焊接在其工艺过程、焊接速度和质量改进等方面有着极大的提升空间，因此对激光焊接在高强钢中的运用进行研究，有着重要的意义。

激光发明于1960年，历经50多年的发展，特别是军用需求的巨大驱动，使其在21世纪进入高速发展阶段。目前激光发生器向着大功率、轻便化和经济化的方向发展，激光焊接由于线能量密度集中和热影响区小，而且激光束具有可以在大气中焊接的优点，既可以对高强钢大型构件深度熔焊，又可以进行微型精密焊接，将成为今后高强钢焊接的主要手段。并且激光焊接符合优质、低耗、清洁、热影响区窄、接头变形小、操作灵活等技术发展方向，21世纪将逐渐成为激光焊接的时代[1]。

激光焊接在高强钢的焊接特别是小焊缝焊接过程中，有其独特的优势：首先激光波长范围很窄，其中CO2激光波长为10.6μm，YAG激光波长为1.06 μm；其次，激光聚焦能力非常强，线能量密度可达108W/cm2；第三，焊接过程中加热范围小，能量利用效率高；第四，激光焊接为非接触焊接，能有效避免电弧焊过程中的夹渣、飞溅等；第五，激光焊接热影响区狭小，焊接件变形程度低。

高强钢的小焊缝焊接过程往往采用激光深熔焊接的方法，也就是在高强的线能量密度激光的照射下，焊接材料发生蒸发效应，并形成小孔。由于激光的照射，空腔内的温度可达2500℃左右，这样高的温度使得包围着小孔周围的材料融化，由于热传导作用，小孔外的材料熔液不断流动，并且不断填充着小孔。随着激光光束的移动，熔融的材料填充完小孔并冷凝，留下焊缝。在高强钢焊接过程中，焊缝的宽度和深度影响着焊接质量。

1 激光在高强钢小焊缝焊接中的试验

1.1 待焊材料的选择

在激光焊接试验中选取的待焊材料为低合金调质高强钢JFE980S，该钢的拉伸屈服强度为980 MPa，是高强钢的一种。待焊接材料取80×60×8 mm规格的样板，如图1所示。

待焊接材料的主要化学成分见表1。

表1 待焊接材料的主要化学成分（质量分数）

激光发生器选取10 kW的YAG激光发生器，YAG激光发生器属于半导体激光，用光纤传输，如图2所示。

1.2 试验过程及相关数据分析

激光焊接试验时为了获得很高的能量密度，要求取用短焦距。焦距较短时光斑小，同时要求待焊工件间隙较小。如果焦距较大时，得到的线能量密度低，但是能保持一定的值。如果待焊工件接头处要求精度不高，可以选择长焦距，但前提是保持一定的线能量密度以保证焊接。本次试验过程中，焊缝很小，所以采用短焦距，把焦距选择为+1.25 mm。

在进行焊接试验过程中，待焊接的材料统一用15°的“V”型坡口，把焊缝设置为0.1 mm、0.3 mm，首先进行不同速度的焊接，观察激光焊接高强钢的深度与焊接速度的关系。焊接速度的取值范围设置在2～20 m/min之间，取10～15个速度样点，进行连线绘图，见图3。

通过数据分析不难发现，激光在高强钢焊接过程中，其焊缝深度与焊接速度及焊缝之间的宽度有着密切的关系。

如果焊接速度保持不变，设为5 m/min，取焊缝宽度0.1 mm，0.3 mm和0.5 mm 3种，待焊件都为低合金调质高强钢JFE980S，分别进行焊接，焊接样品如图4所示。

低合金调质高强钢JFE980S焊接样品分析：间隙为0.1 mm的焊缝利用激光焊接得到的焊缝截面均匀饱满，“V”型坡口通过热效应变形，达到水平状态；间隙为0.3 mm的焊缝截面已经出现下凹现象，焊缝的填充不均匀，有部分缺焊现象；间隙为0.5 mm时，焊缝填充发生严重缺陷，而且没有办法把高强钢焊透。由此可见，在激光焊接速度及功率保持一定的情况下，焊缝宽度对焊接质量的影响起着非常重要的作用。

2 结 论

1）通过对激光在高强钢JFE980S小焊缝焊接试验中的焊接图样进行分析，发现在小焊缝高强钢焊接过程中，焊接速度保持不变的情况下，焊缝宽度影响焊接的深度，同时焊接速度的选择应该根据焊缝宽度的大小和焊接深度来确定。如果速度过快会造成焊接不透，如果速度过慢则会有焊穿工件的可能。

2）高强钢的小焊缝焊接过程采用激光深熔焊接的方法，也就是用激光发出的高密度线能量在很短时间内熔化待焊接材料，使得焊缝内部在激光的照射下变成熔融液体，从而达到焊接的目的。这种焊接没有填充其他材料，焊件融合程度较高。

3）由于实验室条件的限制，在试验过程中没有对焊接件进行屈服强度测定，同时没有对焊缝是否有气孔和凝固后焊缝是否有脆化现象进行检测，需要后续试验继续研究。

[1]吕奎清.新型特种焊接材料[J].现代制造，2005（12）：41.

[2]武亚鹏，侯建伟.高强钢的焊接分析[J].金属加工：热加工，2011（4）：36-40.

[3]雷振，王旭友，滕彬，等.JFE980S高强钢焊接接头软化分析[J].焊接学报，2010(11):37-41.

[4]滕彬，李小宇，雷振，等.低合金高强钢激光—电弧复合热源焊接冷裂纹敏感性分析[J].焊接学报，2010（11）：65-68.