点焊工艺在镀锌钢板搭接接头激光螺旋点处的运用分析

点焊工艺在镀锌钢板搭接接头激光螺旋点处的运用分析
摘要：目前汽车用镀锌钢板搭接接头多采用电阻点焊技术，新型激光点焊技术——激光螺旋点焊(Laserscrewwelding)以其高效率、高柔性有望逐渐替代电阻点焊。

关键词：镀锌钢板搭接接头激光螺旋点；点焊工艺；运用
为了提高工艺对于镀锌钢板搭接过程中的间隙适应性，本文采用了一种新型
的激光点焊方法—激光螺旋点焊（Laserscrewwelding）进行镀锌钢板的搭接。

该
方法具有以下优势：（1）相对于激光缝焊，螺旋激光点焊所形成的熔合面直径
较大，母材金属的熔化程度增加，从而使得该种方法适用于间隙较大的情况。

（2）螺旋的扫描形式有利于气体的逃逸，减少锌蒸汽因逃逸不顺而形成的缺陷[20]。

本文对新型激光螺旋点焊方法的成形过程展开了研究，对不同间隙下的焊
点成形与力学性能进行了分析，得出了成形良好，性能优异的搭接接头的工艺窗口。

另外，由于锌蒸汽逃逸对焊缝的影响较大，本文着重探讨了不同间隙下的锌
蒸汽逃逸问题，以及锌逃逸情况对于接头微观形貌，断口形貌和接头力学性能的
影响。

1 镀锌钢板激光螺旋点焊随扫描速度的成形过程分析
焊点界面形貌主要分为三种状态：（1）指状焊点，（2）U型焊点，（3）H
型焊点。

当扫描速度为125mm/s时，单个激光焊缝较窄，相邻的焊缝没有形成搭接区域，焊点截面为多个不相邻的指状焊缝。

这是由于过快的扫描速度导致了热
输入量的不足，从而使得焊点熔化情况较差。

随着扫描速度的继续减小，焊点的
热输入量也随之增加，当扫描速度减小到105mm/s时，相邻焊缝实现一定程度的搭接，但下板没有完全熔化为U型焊缝。

当扫描速度减小到75mm/s时，下板能
够完全熔化，熔池表面在重力的作用下发生一定程度的凹陷，继而形成H型焊缝。

由上述焊点形貌变化规律可知，激光螺旋点焊的成形过程是深熔焊模式的相邻焊
缝在较大热输入情况下相互搭接形成焊点的过程，这与传统激光点焊依靠激光辐
照位置单一熔池的逐渐扩大有着明显差别。

2 间隙对焊点形貌的影响规律
在汽车制造业中，传统激光焊技术的一个主要难点是工艺对间隙的适应性，
为此，本研究下面将系统分析不同搭接间隙对焊点成形的影响规律。

首先基于上
述研究，将激光扫描速度设置为75mm/s，并根据汽车车体焊接的实际工况，将
间隙设置为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm。

结果在0.1-
0.4mm间隙范围内，焊点成形较好，除两处焊点背面有小的缩孔外，未有明显的
缺陷。

当搭接间隙继续增大到0.6mm时，焊点正面与背面变得凹凸不平，焊点表面不能实现平滑的过渡。

这是由于当间隙增大之后，熔池稳定性变差，部分液态
金属用于填充间隙造成下塌，难以形成平整表面。

当间隙增大到0.8mm时，适当提高功率到5.5kW，焊点正面与背面过渡均匀，但焊点正反面凹陷明显。

当间隙
由0.1mm逐渐增大到0.6mm时，焊点正面直径逐渐减小，熔合面直径逐渐增大，而焊点背面直径未有明显线性变化。

这是因为当间隙增大后，受重力的作用更多
的液态金属填充在间隙位置，而使热量集中到了焊点的中下部，焊点正面直径减小。

另外，试验获得的焊点最大下塌量随着间隙的增加呈现先减小后增大的趋势，并在0.2mm间隙时取得最小值0.6mm。

这是因为搭接间隙能够影响搭接位置锌
蒸汽的逸出从而影响飞溅，当搭接间隙为0.1mm时，间隙较小锌蒸汽逃逸受阻冲击熔池，飞溅带走了大量的液态金属，故下塌量较大。

而当搭接间隙增加到
0.2mm时，锌蒸汽逃逸的改善有效地避免了焊接飞溅，保留了更多的液态金属，
所以最大下塌尺寸减小。

随后继续增大搭接间隙，下塌尺寸增大。

推测是因为此
时锌蒸汽已经能够得到充分的逃逸，其逃逸情况对接头成形的影响不明显，同时
填充间隙的金属继续增多，从而引起下塌尺寸增大。

由焊点成形结果可知，当搭
接间隙在0.2mm时，能够获得成形最好的焊点，而当间隙大于0.6mm后，过多
的液态金属填充搭接间隙造成焊点下塌严重，因此建议最大间隙不应超过0.6mm。

3 间隙对焊点力学性能的影响规律
其中0.1mm和0.6mm搭接间隙时焊点断裂形式为纽扣型（Partialthickness-partialpulloutfailureout），裂纹在焊点边缘产生，载荷在达到最大值后急速下降，焊点从一块试板上完整撕出，留下一个空洞；而0.2-0.5mm搭接间隙的焊点在达
到最大承载载荷后均有一段过渡，焊点从两块板上撕出，并最终在焊点边缘和母
材位置发生断裂，为焊点撕出型（Pulloutfailure）。

焊点撕出型断裂位移量较大、吸收的能量更多，在实际应用中是一种较为理想的断裂形式，值得一提的是，尽
管增大间隙使得更多的金属用于填充间隙，从而减小了承载面积，但0.6mm搭接间隙的最大载荷也大于0.1mm搭接间隙，因此对二者进行了断口分析。

如图1(a)
所示，0.1mm间隙所得的断口左侧起裂位置存在气孔，这是导致0.1mm间隙时
力学性能较差的原因，而0.6mm间隙所得的断口则更为平整。

对图1(a)中气孔区
域进行观察，如图1(c)-(d)所示，发现有较多浅色颗粒附着于气孔内壁。

对A*、
B*、C*三处位置进行能谱分析，结果气孔内颗粒物质的锌元素含量较高，说明此
处气孔是焊接过程中聚集的锌蒸汽所造成的。

这与前文中间隙对成形的影响规律
相一致，较小的间隙下锌蒸汽会逃逸不顺，从而导致焊点边缘存在缺陷成为裂纹
的萌生源，严重降低了焊点的力学性能。

图1 断口形貌（a）0.1mm搭接间隙宏观断口形貌；（b）0.6mm搭接间隙
宏观断口形貌；（c）150x；（d）2500x
综上所述，焊点强度主要受到以下两点因素影响：（1）锌蒸汽的逃逸情况：当间隙较小时，锌蒸汽逃逸不顺而聚集形成气孔，因此降低焊点强度。

而当间隙
超过0.2mm时，Zn蒸汽能够得到有效地溢出，从而减少了对焊点成形以及强度
的影响；（2）焊点处的承载面积：液态金属能够在重力以及表面张力的作用下
形成H型焊点，增大间隙使得更多的金属用于填充间隙，从而减小了承载面积。

电阻点焊在板材中间形成了椭圆形的焊核，熔合面直径为6.93mm，激光点焊熔
合面直径为6.86mm，激光缝焊焊缝熔宽为1.78mm，激光缝焊焊缝长分别为
30mm和15mm。

拉剪试验结果显示30mm的激光缝焊所能承受的载荷最大为16.57kN，但三个测试试样差别较大，这是因为缝焊时焊接过程不稳定会造成焊缝表面不平整进而影响力学性能。

电阻点焊和激光螺旋点焊的焊点最大承载载荷分
别为14.40kN和15.72kN，波动较小。

15mm的激光缝焊最大承载载荷在8.06kN，约为30mm的激光缝焊的一半。

力学测试说明：激光螺旋点焊的拉剪力学性能低
于试板宽度30mm的激光缝焊，但高于同尺寸电阻点焊，满足应用要求。

参考文献
[1] 刘庆永, 孟根巴根, 杜雁冰. 搭接间隙对镀锌钢板激光焊接接头组织性能的
影响[J]. 焊接, 2017, No.533(11):52-56+81.
[2] 谷亚飞. 镀锌钢板的激光钎焊工艺及缺陷抑制机理研究[D]. 2014.
[3] 张帆, 李芳, 王诗恩,等. 镀锌钢板搭接光纤激光焊接中搭接间隙的研究[J]. 中
国激光, 2014, 41(010):107-112.。