手持激光焊技术焊接汽车涂层钢板的试验研究

徐赫唯 王子欣 刘春柏 冯博 周川川 刘国山

（中国第一汽车股份有限公司工程与生产物流部，长春130000）

1 前言

特种车、专用车等车身在生产过程中，由于该类车身尺寸和结构特殊，焊接成整体后不能正常的通过涂装电泳生产线进行清洗和防腐处理。这种情况下常常采用先将大总成清洗电泳后再进行车身总拼焊接，因此产生了带电泳涂层钢板的焊接问题，常规的电阻焊、气体保护焊工艺需要焊接前形成导电回路，若要实现焊接生产，需要焊接前将焊接区的各个表面涂层均打磨掉，虽可以实现焊接，但也将带来如下问题。

a.打磨工作量大，打磨位置难以准确定位；

b.较大面积的涂层被破坏，焊接后工件接触面的涂层不能修复，防腐要求难以满足；

c.焊接过程中热输入量大，尺寸精度难保证，生产环境烟尘大，焊枪可达性难满足生产工艺的要求。

手持激光焊具有操作简单、热影响区小、焊接变形小、可达性好等特点，即可焊接搭接接头的角焊缝，又可以实现搭接接头的熔透焊，对带涂层车身总成的焊接具有独特的优势。

2 手持激光焊试验

试验主要对搭接角焊缝和熔透焊焊缝2 种形式进行研究，如图1 所示。

图1 焊接接头示意

2.1 试验准备

2.1.1 试验试片

试验主要针对带电泳涂层钢板的焊接工艺进行研究，所用材料均为汽车生产中常用普通钢板，选取几组不同厚度的钢板，再对其中一部分试片电泳后进行焊接，试件尺寸与电阻点焊标准试件相同，长100 mm，宽40 mm。对焊接试片进行分组，试验组合如表1 所示。

表1 手持激光焊试验试片组合

2.1.2 试验设备

试验采用库贝尔工业（中国）有限公司的手持激光焊机，设备型号为WST-1500F，可对0.5～3 mm厚的板料进行焊接。

2.2 涂层钢板焊接工艺试验

2.2.1 搭接角焊缝焊接试验

搭接角焊缝焊接试验选取1.0 mm+1.0 mm电泳试片，焊接后观察焊缝的外观质量及焊后涂层情况。按表1 中第1 组、第2 组试件情况分别进行焊接，两侧均采用450 W的功率进行焊接，焊接速度约为15 mm/s，其焊缝表面宽度约为1.41 mm，2条焊缝表面状态均较好，焊缝附近涂层有损坏但影响区域较小，且便于对损坏的涂层修复，如图2所示。

图2 搭接角焊缝

2.2.2 搭接熔透焊试验

搭接熔透焊试验结果表明，随着焊接功率增大，涂层损坏的宽度加大，若上板无涂层，相较于有涂层钢板的焊缝，其焊缝外观质量更好，如图3所示。

图3 搭接熔透焊

经过焊后破坏性试验显示，对于1 mm+1 mm的钢板采用600 W和675 W的焊接功率焊接可以形成完好的激光焊缝，而采用450 W 和525 W 的功率焊接均出现开焊的情况，说明用该功率焊接热输入不足，采用750 W 的焊接功率时会出现上板表面过烧的情况。对0.75 mm+0.75 mm 的钢板和1.2 mm+1.8 mm的钢板进行焊接，经试验表明，分别采用450 W和1 050 W的功率焊接时，焊接质量良好，焊接速度控制在10～15 mm/s范围内，便于手工操作。因此，在采用手持激光焊进行熔透焊接时，焊接功率与板料厚度成正向关系，随着板料厚度的增加所需焊接功率随之增大，如图4所示，阴影部分对应不同厚度钢板焊接所需的最优焊接功率区域。

图4 焊接功率与板厚的关系

2.3 操作注意事项

手持激光焊工艺在焊接带涂层钢板时，将地线夹在手持激光焊枪上形成回路可直接对涂层钢板进行焊接，但此操作存在安全隐患不建议采用，建议生产中将激光束进入的零件上表面涂层去掉，可减少人工误操作带来的风险。对于该工艺的生产操作安全性问题，目前未见相关规定，使用时应做好相应防护。

3 焊接质量分析

3.1 外观质量检验

采用手持激光焊工艺分别对带涂层钢板及无涂层钢板进行焊接实验，其焊缝成型状态良好，观察焊接表面质量，由于涂层钢板在焊接时涂层熔化，其焊缝表面相对于无涂层钢板焊缝表面存在一定杂质，如图5 所示。

手持激光焊工艺对涂层的损坏较小，且损坏的主要是激光束射入的上表面，便于焊后修复，该工艺可以解决先涂装后焊接的问题。当焊接速度相同时，上表面涂层破坏宽度随着焊接功率的增加而增大。

3.2 焊接强度检验

3.2.1 试验设备

强度试验设备采用美特斯液压万能试验机，设备型号为E64.305，设备额定值为300 kN。

3.2.2 焊接强度试验数据

焊接强度与板料厚度、涂层情况、工艺形式、焊接功率等诸多因素有关，采用控制变量法对多组试片进行焊接，如表2 所示。

图5 焊缝表面质量对比

表2 拉伸强度表

3.3 金相检验

3.3.1 试验设备

Leica DMS300 显微镜对焊缝断面进行观察，利用奥林帕斯金相显微镜和体式显微镜观察焊接接头的熔合情况。

3.3.2 焊缝断面金相检验

以1 mm+1 mm 试件为例，观察焊缝的熔合情况，分析焊缝熔合质量及缺陷情况，如表3 所示。

3.4 手持激光焊与点焊、SPR强度对比

对照德国大众点焊标准，比较相同厚度的钢板点焊与手持激光焊的拉剪力，如表4所示，得出手持激光角焊缝或熔透焊强度均大于电阻点焊的强度[1]。因此，手持激光焊工艺焊接的产品在强度上远大于电阻点焊工艺，可以满足产品对焊接强度的要求。

表3 焊接金相照片

表4 手持激光焊接头拉剪力与电阻点焊标准对照

本试验还采用SPR（铆接）工艺对涂层钢板进行了连接试验，并对比了SPR 与手持激光焊接头的拉剪强度，结果见表5。

表5 手持激光焊接头与SPR强度对比

通过拉剪试验表明：

a.手持激光焊焊接强度大于电阻点焊的强度，并且可以通过采用角焊缝+熔透焊或多条熔透焊缝的方法进一步提高接头强度；

b.同等情况下带涂层试件的接头强度低于不带涂层的，金相试验表明造成这一问题的原因是由于涂层的存在会导致焊缝表面成型相对于不带涂层的试件较差，容易产生应力集中，并且在焊缝内部容易产生气孔；

c.在材料厚度相同的情况下，焊接功率越大则接头强度越高；

d.通过SPR 试验，对于相同厚度的钢板，手持激光焊强度大于SPR 接头的强度，如表5 所示。

4 结论

手持式激光焊技术可直接对带有电泳涂层的钢板进行焊接，相较于点焊、电弧焊减少了对电泳涂层打磨的工序，焊后表面状态较好，对漆面损坏较小，钢板接触面间的涂层基本无损坏，外表面可采用喷涂方式进行修补，较好的解决了在汽车专用车身由于车身尺寸过大而需要先电泳后焊接的问题。通过试验研究得出结论如下：

a.手持激光焊接工艺操作简单，上下板均有电泳涂层也可以直接进行焊接，且对涂层损坏很小，焊接设备小巧轻便，有很好的焊接可达性；

b.根据试验，当被焊工件均带有涂层时，建议生产中将激光束进入零件的表面涂层去掉，这样即有利于焊缝质量，也可避免误操作产生激光束时对人员造成伤害，焊后也易于对损坏的涂层进行修复；

c.手持激光焊工艺焊接接头强度高于电阻点焊、SPR 的强度，且可以通过采用多条焊缝的形式进一步提高接头强度。其焊接涂层钢板的生产成本、操作方便性、可达性相比铆接、胶接工艺具有明显的优势。