DC04薄钢板的脉冲激光焊接工艺研究

汽
Center of Maanshan Iron ＆ Steel Company，Maanshan 243000，China)
车
Abstract ：Pulsed laser welding 1．0 mm DC04 thin steel sheet is researched by using orthogonal test method，microstructure analysis
析，其中第 7 组焊接工艺试验时由于焊接飞溅比较 严重，使得焊点之间重叠情况较差，且焊缝的正反
专 题
洗干净后吹干备用。焊接设备是德国 ROFIN 激光
两面均出现许多大小不同的缺肉凹坑，如图 1a 所 讨
技术有限公司制造的 SW－500 型脉冲 Nd∶YAG 激 光器。其中焊接控制系统采用 CNC2000 数控软件
在表 4 中列出。对激光扫描得到的焊缝表面形貌观 察发现，经过不同工艺脉冲激光焊接后，整条焊缝
表2 屈服强度σ s／MPa
131
DC04 钢板的力学性能
抗拉强度σ b／MPa
延伸率δ ／％
281
48．2
均由一个个脉冲焊点重叠而成，呈鱼鳞状，但是由 于焊接工艺参数的组合不同，其表面成形表现出很
大的不同。图 1 为正交试验的两组单道激光扫描焊
零
microhardness is weld center area，and the tensile strength of weld joint is higher than the base metal．The microstructure of weld
部
center areas are mainly of ferrite and a small amount of granular bainite, while the microstructure of HAZ is a bit thick ferrite．
摘要：采用正交试验优化和金相组织分析以及力学性能测定，对厚度 1．0 mm 的 DC04 薄钢板进行脉
冲激光焊接工艺研究。试验结果表明，焊接过程中脉冲频率是影响焊缝表面形貌的最大因素。获得最佳
工艺参数组合是焊接电压 260 V、脉冲频率 20 Hz、脉冲宽度 12 ms 和焊接速度 275 mm／min。焊缝中心区
车 身 及
and mechanical property analysis．It is found that pulse frequency is the biggest affecting factor on welding surface morphology．And optimal parameters are 260 V welding voltage，20 Hz pulse frequency，12 ms pulse width and 275 mm／min welding speed．The maximum
论
图 3 可知，试样的拉伸断裂位置发生在母材，经测
︱ ︱
汽 车
水平的焊缝表面成形性表征数值之和；S1、S2、S3 分 别代表四个因素第 1，2，3 水平的焊缝表面成形性 表征数值的平均值。Y 为九组试验焊缝表面成形性
定其力学性能指标抗拉强度为 280 MPa，与母材抗 拉强度基本相当，延伸率为 41．5％，也与母材相当。 进一步观察分析可以发现，母材断裂区域有明显的
脉冲 焊接 焊缝表面 宽度 速度 形貌表征 t／ms v／mm·min－1 数值
250．0 10．0
10．0 225．0
65．0
面形貌如图 2 所示。由图 2 可知，焊缝表面不但焊点 连续重叠均匀，几乎没有焊接飞溅，而且焊缝表面 没有发现有缺肉现象，比优化之前九组试验中焊缝 形貌最好的第 6 组效果还好。
件
Key words：pulsed laser；welding technology；orthogonal test；microstructure；property
焊
接
0 前言
近年来，随着科学技术和工业经济的突飞猛 进，人们对焊接结构件的焊接接头质量和性能提出 了更高的要求，特别是对于一些高性能要求的薄钢 板焊接结构件。许多传统的焊接方法不但生产效率 低，而且得到的焊接接头质量和力学性能也存在很 多不足，无法满足其使用性能的要求。与传统的焊 接方法相比，激光焊接是近年来快速发展的一种现 代化焊接方法[1－3]。激光焊接的最大特点是被焊构件 变形小、焊接深宽比高、热影响区窄，由于获得的焊接 接头质量和性能比传统焊接方法高得多，因此它在汽 车工业上的应用越来越广泛[4]。其次，Nd∶YAG 激光器
件
Δ f＝0。
焊 接
脉冲激光焊接试验首先在 DC04 平板上进行
激光单道扫描焊接，然后再进行平板对接焊接。焊
接试验工艺参数的选择是根据四因素三水平进行
九组正交试验确定的。正交试验设计焊接工艺参数
的因素水平如表 3 所示。利用 HV－1000 显微硬度 计对焊接接头进行硬度分布的测定；拉伸试验是按
a 正交试验中最差焊缝表面形貌
车
表征数值的平均值，R 为极差，且 R＝max邀S1j，S2j，S3j妖－
缩颈现象，说明经脉冲激光焊接得到的焊接接头的
身 及 零 部
min邀S1j，S2j，S3j妖(j 为试验因素)。极差 R 的大小反映了 试验中各因素作用的大小，极差大表明该因素对焊 缝表面成wk.baidu.com性表征数值的影响大，是焊接试验过程
抗拉强度高于母材。这是由于采用高能量密度激光 焊接其快速加热和快速冷却的特点，使得原来经冷 轧连续退火含碳量极低的母材，形成的焊接接头获
域显微硬度最高，焊接接头的抗拉强度略高于母材。焊缝中心区组织主要为铁素体和少量粒状贝氏体，
热影响区组织主要为垂直于焊缝方向的较为粗大的铁素体。
关键词：脉冲激光；焊接工艺；正交试验；组织；性能
专
中图分类号：TG457
文献标识码：A
文章编号：10 01－2303(2010)05－00130－05
题 讨
Research on pulsed laser welding technology of DC04 thin steel sheet
—
S1
81．7 65．0
76．7 71．6
—
2．2 最佳焊接工艺参数的焊接接头性能分析
采用正交试验得到的最佳工艺参数，对 1．0 mm
专 题
S2
83．3 76．7
75．0 81．7
—
S3
65．0 88．3
78．3 76．7
—
讨
R
18．3 23．3
3．3 10．1
—
等厚的 DC04 钢板进行脉冲激光对接焊试验研究， 并对试样进行拉伸试验和焊接接头显微硬度的测 定。经拉伸试验后得到的断裂试样如图 3 所示。由
第5期
1 试验材料与方法
1．1 试验材料
试验所用材料为马钢生产的 DC04 冷轧连续 退火钢板，厚度 1．0 mm，其化学成分如表 1 所示，钢
表 3 DC04 钢板的脉冲激光焊接工艺参数正交试验因素 水平设计
因素
第 1 水平 第 2 水平 第 3 水平
焊接电压 U／V
250
260
270
脉冲频率 f／Hz
在此采用正交试验方法，通过优化 DC04 钢板 的激光焊接工艺参数，研究了对厚度为 1．0 mm 的 DC04 钢板进行脉冲激光焊的工艺与组织、性能的关 系，得到了满足使用性能的最佳工艺参数，为实际 生产应用提供了试验依据。
·130· Electric Welding Machine
专题讨论
孙希庆等：DC04 薄钢板的脉冲激光焊接工艺研究
有出现缺肉凹坑现象，如图 1b 所示，其焊缝表面成 形性总体效果为最好，用数值 100 来表征。其他各 组试验后焊缝成形性评定的表征数值则介于 60～ 100，具体表征数值如表 4 所示。
车 车 身 及 零
组合均可以使用。焊接时采用纯氩气进行保护，气
部
体流量 15～20 L／min。试验过程中始终保持离焦量
b 正交试验中最好焊缝表面形貌 图 1 正交试验的两组激光单道扫描典型焊缝表面形貌对比
表 4 中 K1、K2、K3 分别代表四个因素第 1，2，3
Electric Welding Machine ·131·
专题讨论
第 40 卷
试验 编号和 指标
1
表 4 正交试验结果及分析
焊接 电压 U／V
脉冲 频率 f／Hz
10
15
20
板的力学性能如表 2 所示。
脉冲宽度 t／ms
10
12
14
表 1 DC04 钢板的化学成分
％
焊接速度 v／mm·min－1
225
275
325
w(C) w(Si) w(Mn) w(P) w(S) w(Ti) w(Fe) ≤0．003 ≤0．010 ≤0．020 ≤0．010 ≤0．010 ≤0．080 余量
2
250．0 15．0
12．0 275．0
85．0
3
250．0 20．0
14．0 325．0
95．0
4
260．0 10．0
12．0 325．0
70．0
5
260．0 15．0
14．0 225．0
80．0
6
260．0 20．0
10．0 275．0 100．0
7
270．0 10．0
14．0 275．0
60．0
照 GB／T228－2002 的金属材料室温拉伸试验国家
标准，在 Z050／SN3A 型全自动试验机上进行。采用
OLYMPUS－BX51 金相显微镜对焊接接头的焊缝成
形性以及不同区域的显微组织进行观察分析并照相。
2 试验结果与分析
2．1 最佳焊接工艺参数的确定
根据四因素三水平正交试验的设计原理，对表 3 的工艺参数进行搭配，共有九种组合方式。因此在 平板上进行九组激光单道扫描焊接试验，试验编号
8
270．0 15．0
10．0 325．0
65．0
9
270．0 20．0
12．0 225．0
70．0
K1
245．0 195．0 230．0 215．0 Y＝76．7
图 2 最佳焊接工艺参数激光对接焊的焊缝表面形貌
K2
250．0 230．0 225．0 245．0
—
K3
195．0 265．0 235．0 230．0
第 40 卷 第 5 期 2010 年 5 月
Electric Welding Machine
Vol．40 No．5 May 2010
DC04 薄钢板的脉冲激光焊接工艺研究
孙希庆 1，洪永昌 1，张 武 2
(1．安徽工业大学 材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002；2．马钢技术中心，安徽 马 鞍山，243000)
收 稿 日 期 ：2010－04－01 作 者 简 介 ：孙希庆(1984—)，男，山东临沂人，在读硕士，主要从
事金属材料激光焊接方面的研究工作。
以其波长短、吸收率高以及可用光纤传输，又易于 实现加工过程的自动化等优点而被广泛应用于焊 接加工生产中[5]。激光焊接的迅速发展为汽车用薄钢 板的焊接提供了新的手段，目前国内外普遍采用输 出功率为数千瓦甚至数十千瓦的 CO2 激光器进行 焊接研究[6－9]，在利用中小功率脉冲 Nd∶YAG 激光器 进行稳定深熔焊接方面也进行了一些相关研究[10－11]， 但由于受到输出功率较小的限制，使得可熔深度较 浅，用作稳定深熔焊接存在很多困难，因此有关这方 面的深入研究报道较少。
论
SUN Xi-qing1，HONG Yong-chang1，ZHANG Wu2
︱ ︱
(1．School of Material Science ＆ Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243002，China；2．Technical
示，因此其焊缝表面成形性总体效果为最差，用数
论 ︱
值 60 来表征；而第 6 组焊接工艺试验时由于焊接 ︱
进行焊接编程控制，焊接工作台采用计算机控制，
飞溅较少，焊缝正反两面不但焊点重叠均匀，且没
汽
步进机驱动，可以实现 x、y、z 三轴联动。激光器的主 要技术参数：焊接电压 250～360 V，脉冲宽度 1～20 ms， 脉冲频率 1～500 Hz，然而由于该激光器的最大平 均输出功率为 500 W，因此并不是这些参数的任意
1．2 试验方法
接典型焊缝表面形貌的比较。依据 ISO－5817 焊缝
首先在 HGA 20／4 型液压剪板机上将试板裁
外观评定标准，分别对九组试验结果的焊缝表面成
剪成为 200 mm×150 mm×1．0 mm 的平板试样。为了
形性特征的好坏进行定量表征评定。经观察比较分
减少焊接缺陷，去除表面剪切层油污，先采用砂纸 打磨对焊接头端面，然后分组编号，再用丙酮清洗，