C型激光焊缝静力性能与工艺关键因素研究

古志皓

(上海航空发动机制造有限公司,上海 201906)

0 引言

远程激光焊接作为一种高效精密的焊接方式，与传统钢点焊相比，在精度、效率、用户感知、可达性等方面有诸多优势。应用远程激光焊，可以实现车身轻量化和提升第二表面外观品质的目的。目前，已被广泛应用于白车身钣金零件设计领域：如凯迪拉克CT5应用在发动机舱水箱横梁区域，代替烧焊以提高外观质量；福特在A柱区域使用激光焊接，实现了液压成型零件与车身的连接，等等[1]。

与传统点焊不同的是，激光焊接的焊缝质量对镀锌钣金间隙十分敏感。这是因为激光焊接镀锌钢板时，由于锌的沸点(906 ℃)低于钢的熔点(1 530 ℃)，锌急剧蒸发。如果不留间隙，锌蒸汽在两层板中间会通过小孔排出，排挤熔化金属，导致熔化金属液流动不稳定，容易飞溅，同时激光穿透能力也降低。但若间隙过大，焊接时熔化的金属过多参与间隙填充，焊缝表面凹陷较大。特别是对于薄板焊接，当间隙大于0.3 mm时，凹陷严重[2-5]。因此，研究钣金间隙对激光焊接的影响就显得尤为重要。

激光焊缝可实现多种形状，以往研究表明，相比于I型、S型以及O型焊缝，C型焊缝最大拉剪力相对更优。因此，本文作者重点研究C型焊缝。通过大量料片试验，获得了不同开口方向、不同圆弧直径大小以及不同间隙的C型激光焊缝外观质量以及力学性能表现，确定了开口方向、最佳圆弧直径以及从薄板到厚板焊接时钣金间隙的最佳值。

1 试验料片选取及试验方法

料片材料选取车身钣金常用的CR3与CR340组合，料厚选取常用的0.8 mm与2.1 mm以及突破点焊1∶3料厚比限制的0.65 mm与2.6 mm组合，镀锌层均为HD60G60G，如表1所示。通过激光搭接焊接方式获得C型焊缝试样。分析焊缝外观形貌以及金相组织，研究搭接间隙对焊缝质量的影响；进行剪切拉伸试验，研究激光搭接焊的力学性能。图1为焊接样件示意图。

表1 不同料片组合

图1 焊接样件示意

2 C型焊缝开口方向和圆弧直径研究

为确定C型焊缝开口方向对激光焊接力学性能影响，选择上板为薄板、下板为厚板进行研究。以两板之间焊缝受到上板力的方向做区分，焊缝示意图如图2所示，虚线表示两板之间焊缝受到上板力的方向，图2(a)和图2(b)分别为指向C型焊缝中心方向和远离焊缝中心方向。

图2 C型焊缝不同开口方向(俯视图)

图3为不同开口方向下剪切力的载荷-位移曲线。

图3 不同开口方向C型焊缝剪切方向载荷-位移曲线

由图可知，弹性变形阶段，起始斜率较小，随后载荷迅速上升；到达屈服阶段时，上升缓慢，屈服阶段载荷略微有波动；当达到屈服极限时发生断裂时，载荷最大，随后急剧下降。两种开口方向焊缝可承受的最大剪切力分别为4.64 kN和4.79 kN，数值比较接近，仅相差3%。可见，C型焊缝开口方向对焊缝力学性能影响不明显，即C型焊缝不同开口方向对最大剪切力值没有表现出明显的各向异性，可以认为是各向同性。由此，在实际应用中，不必过多考虑C型激光焊缝的开口方向。

以往研究表明，长度为22.5 mm的激光焊缝强度可等效于一个点焊强度。为确定C型激光焊缝圆弧直径对力学性能影响，保持焊缝总长22.5 mm不变，分别选择焊缝圆弧段直径为5.5、6.0 mm进行试验。图4为两种焊缝的载荷-位移曲线，两种焊缝可承受最大剪切力分别为4.79、4.25 kN，圆弧直径为5.5 mm的力值高12.7%，二者发生屈服时的位移分别为3.0 mm和3.05 mm，几乎完全一致。对比可知，保持长度22.5 mm不变，从薄板到厚板焊接的C型激光焊缝，圆弧直径为5.5 mm的力学性能优于6.0 mm。因此，在后续试验中，为控制变量，统一C型焊缝方向与图2(b)相同，即焊缝受上板力方向为远离焊缝中心方向，圆弧直径5.5 mm。

图4 不同圆弧直径C型焊缝剪切方向载荷-位移曲线

3 不同间隙激光焊缝力学性能研究

为研究钣金间隙对激光焊接性能的影响，需要确定焊缝不焊穿时的最大间隙。通过测试两种料片组合发现，由薄板向厚板焊接，在0.65 mm+2.6 mm组合间隙大于0.3 mm或0.8 mm+2.1 mm组合间隙大于0.4 mm时，焊缝收弧处会有连接不上的情况发生。因此，确定由薄板向厚板焊接两种料厚组合的最大间隙分别为0.3、0.4 mm。

表2给出了9组不同间隙的料片组合的失效模式和平均最大拉剪力，其中每组包含9个样件。表中可以看出，无论哪种材料组合，从薄板到厚板焊接，间隙为0.15 mm时剪切力均比其他间隙要大，且外观质量最好；从厚板到薄板焊接时，0.65 mm+2.6 mm组合下0.3 mm间隙和0.8 mm+2.1 mm组合下0.4 mm间隙与各自0.15 mm间隙时的平均最大拉剪力相差不大。

表2 不同间隙料片组合失效模式和平均最大拉剪力

图5为每组样件断裂位置照片。图5(a)显示，间隙为0时，焊缝断裂。主要是因为间隙为0时飞溅很大，焊缝缺陷严重，拉伸时不是断裂在热影响区，而是断裂在焊缝上。对于其他间隙，当从薄板到厚板焊接时，如图5(b)、5(c)、5(f)、5(g)所示，断裂位置均为薄板焊缝热影响区；从厚板到薄板焊接时，如图5(d)、 5(e)、 5(h)、 5(i)所示，断裂位置均为薄板焊缝起止点间的母材。这是因为试验采用的料厚组合为0.65 mm+2.6 mm和0.8 mm+2.1 dmm，厚板到薄板焊接，虽然厚板焊缝处凹陷严重，但是厚板发生凹陷处的料厚仍然超过原料厚的2/3，仍然大于薄板料厚，因此断裂均在薄板上。

图5 不同板料间隙断裂位置

图6为每组样件最大剪切力测量值。图6(a)中，间隙为0时的剪切力均比其他间隙时偏小，且波动较大，因此力学性能最差。

图6 不同间隙、不同焊接方向下最大剪切力

图6(a)和(c)中，从薄板向厚板焊接，间隙为0.15 mm时剪切力最大，也最稳定。间隙为0.3 mm或0.4 mm时剪切力相对较小，主要原因是间隙变大，焊缝表面凹陷变大，且收弧处出现未焊接上的现象，造成剪切力小于0.15 mm间隙时的剪切力。

图6(b)和(d)中，从厚板向薄板焊接，间隙为0.15 mm时剪切力波动较大。但其力学性能变化不大，是因为薄板处焊缝较饱满，缺陷大部分集中在厚板部分，拉伸时薄板焊缝起止点间母材断裂，所以对其力学性能没有太大影响。间隙为0.3 mm或0.4 mm时，剪切力上下浮动范围较小，说明从厚板向薄板焊接，间隙相对较大时更稳定，其力学性能也与从薄板到厚板焊接最佳间隙0.15 mm时的力学性能差不多。但是这种从厚板向薄板焊接的方式所需激光功率高，焊接速度慢。

通过以上研究，可以得出以下结论：

(1)从薄板到厚板激光焊接时，最佳间隙为0.15 mm，力学性能最好；

(2)从厚板到薄板激光焊接时，相对于同样料厚组合从薄板到厚板焊接，达到相同的力学性能，所需激光的功率高，焊接速度慢。

4 不等间隙激光焊缝力学性能研究

在实际生产制造中，考虑生产变动的容差性，由于零件变形、加工精度等原因，零件之间间隙不可能保证完全一致。为了在实际生产中应用，研究不等间隙焊缝是否可与等间隙焊缝的力学性能等效，就显得很有必要。

文中选取两种材料组合分别为0～0.3 mm和0～0.4 mm过渡间隙进行研究，料片示意图如图7所示。表3及图8表明，两种组合变间隙C型焊缝剪切力分别在 5.2和8.1 kN左右，与各自对应的材料组合在最佳间隙0.15 mm时的剪切力数值相当，焊缝成形也差不多，说明不等间隙中间值与最佳间隙0.15 mm差别不大时，不等间隙的C型焊缝可以代替最佳间隙的C型焊缝。其主要原因是0～0.3 mm变间隙时中心处的间隙为0.15 mm，0～0.4 mm变间隙时中心处的间隙为0.2 mm，与最佳间隙0.15 mm相同或差别不大，且C型焊缝平行于板宽方向的长度较小，焊缝相对集中在C型曲线中心相对较近位置。

图7 不等间隙料片示意

表3 不等间隙的C型焊缝最大剪切力

图8 不等间隙的C型焊缝剪切方向载荷-位移曲线

由此试验可知，零件之间间隙在最佳间隙附近有微小变化时，对焊缝性能影响不大。因此远程激光焊接可以在实际生产中进行应用。

5 结论

文中通过料片试验，综合研究了C型激光焊缝的开口方向、圆弧半径以及板料间隙对外观质量以及力学性能的影响，可以得到如下结论：

(1)开口方向对焊缝力学性能影响不大，焊缝基本表现为各向同性；

(2)保持焊缝长度22.5 mm不变，从薄板到厚板焊接，圆弧直径为5.5 mm的力学性能优于6.0 mm；

(3)从薄板到厚板激光焊接，最佳间隙为0.15 mm，外观质量和力学性能均较好；

(4)从厚板到薄板激光焊接，相对于同样料厚组合从薄板到厚板焊接，达到相同的力学性能，所需激光的功率高，焊接速度慢;

(5)零件之间间隙在最佳间隙附近有微小变化时，不等间隙的C型焊缝可以与最佳间隙的C型焊缝等效。