（光学工程专业论文）镀锌钢冷轧钢异种板材激光焊接工艺试验研究.pdf

摘要 随着全球环境的恶化和能源危机的不断加剧，“轻量化”和“安全性”作为汽车 产业的重要问题己受到人们的重视，节能减排成为新一代汽车设计和制造面临的 重要问题。激光拼焊作为一种新技术，在汽车车身成型中得到广泛应用，通过这 种技术可以把不同材质、厚度、强度、表面状况的板材拼焊在一起，从而既可以 设计出强度合理，数量尽可能少的车身件，又可以达到减轻车身重量，降低生产 成本的目的。 本文开展了镀锌钢冷轧钢异激光焊接种板材工艺试验研究。首先，对镀锌钢 冷轧钢异种板材在激光移动热源作用下的三维瞬态温度场进行了有限元分析，模 拟了激光功率与上临界焊接速度的关系以及激光功率、焊接速度等工艺参数对焊 缝尺寸的影响，为试验工艺参数的选择提供参考；其次，利用光纤激光器及其配 备的机器人对镀锌钢冷轧钢异种板材进行焊接试验；最后，对激光焊接试件接头 进行了显微组织、力学性能及硬度分布等检测和分析。获得如下研究成果： ( 1 ) 建立激光焊接热传导模型，利用a n s y s 有限元软件对激光焊接温度场进 行移动热源条件下三维瞬态有限元分析，模拟了激光功率、焊接速度等工艺参数 对工件表面及内部温度场的影响。发现工件表面温度场基本呈椭圆形分布，工件 内部温度场基本呈抛物线分布，当光斑中心位于两板对接中心上，温度场分布不 均匀，向镀锌钢一侧偏移。通过研究深熔焊临界状态，得到了激光焊接镀锌钢 冷轧钢异种板材的激光功率与上临界焊接速度的关系以及激光功率、焊接速度等 工艺参数对焊缝尺寸的影响规律。 ( 2 1 结合理论分析，采用正交试验法对镀锌钢冷轧钢异种板材进行了焊接试 验，通过检测焊缝表面质量，对工艺参数进一步调整，得到本试验条件下较合理 的工艺参数，在此工艺参数下，焊接接头的抗拉强度、屈服强度等综合力学性能 较好。 ( 3 ) 检测焊缝表面，发现激光光斑处于两板对接中心时，焊缝向镀锌钢一侧 偏移，因此，在进行同等厚度镀锌钢冷轧钢异种板材激光焊接时，激光光斑中心 宜向冷轧钢一侧偏移，以克服因其物理性质差异所导致的焊缝与拼接中心间的偏 离，保证焊接接头强度和性能。通过检测试样的显微组织，发现焊缝没有出现气 孔、裂纹等缺陷，硬度测试表明，接头硬度高于母材，没有热影响区软化现象。 拉伸试验结果试样断于冷轧钢板一侧，焊接接头的强度与母材冷轧钢板相当。 关键词：激光焊接；异种板材；镀锌钢冷轧钢；温度场；质量检测 i i a b s t r a c t w i t ht h ed e t e r i o r a t i o no fg l o b a le n v i r o n m e n ta n dg r o w i n ge n e r g y c r i s i s ， ”l i g h t w e i g h t ”a n d ”s e c u r i t y ”a r ep a i dg r e a t a t t e n t i o ni nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y e n e r g ys a v i n gb e c o m e sac r u c i a lis s u ei na u t o m o t i v ed e s i g na n d m a n u f a c t u r e t a i l o r w e l d e db l a n k sa r ew i d e l yu s e di na u t ob o d ym o l d i n g t h et e c h n i q u ec a n c o n n e c tt w o o rm a n ys t e e l p l a t e s ，w h i c h a r e c o p i e d w i t hd i f f e r e n tk i n d so fs t e e l ，v a r i o u s t h i c k n e s s e s ，d i v e r s es t r e n g t ha n dd i f f e r e n ts u r f a c ea p p e a r a n c e s n o to n l yar e a s o n a b l e s t r e n g t ha n dn u m b e rb o d yc a nb ed e s i g n e d ，b u ta l s ot h eb o d yw e i g h ta n dp r o d u c t i o n c o s tc a nb er e d u c e d i nt h i sp a p e r ，t h et h e o r ya n de x p e r i m e n to fl a s e rw e l d i n go fd i s s i m i l a rm e t a l p l a t e sb e t w e e ng a l v a n i z e d s t e e la n dc a r b o ns t e e la r er e s e a r c h e d f i r s t l y ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l do fd i s s i m i l a rm e t a lp l a t e sb e t w e e ng a l v a n i z e ds t e e la n dc a r b o ns t e e l i sa n a l y z e di nt h ec o n d i t i o no ft h em o v i n gh e a to f3 dt r a n s i e n tf i n i t ee l e m e n t n o t o n l vt h er e l a t i o no fl a s e rp o w e ra n dc r i t i c a lw e l d i n gs p e e d ，b u ta l s ot h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r s ，v a r i a t i o ns u c ha sl a s e rb e a mp o w e ra n dw e l d i n gs p e e dt ot h ew i d t ha n d d e p t ho fw e l d i n gs e a ma r es i m u l a t e d t h er e f e r e n c ef o rt h ec h o i c eo fw e l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r si sp r o v i d e d s e c o n d l y ，t h ef i b e rl a s e r a n de q u i p p e dr o b o ta r eu s e dt o c o n n e c tt h eg a l v a n i z e ds t e e la n dc a r b o ns t e e li nt h es t u d yo fe x p e r i m e n t s f i n a l l y ，t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fj o i n t sa r ea n a l y z e da n dd e t e c t e d t h e m a j o rc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g s ： ( 11m a t h e m a t i cm o d e lo ft h e r m a lc o n d u c t i o no fl a s e rw e l d i n gi s e s t a b l i s h e di n t h i sp a p e r ，t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y si su s e dt oa n a l y s i st h et e m p e r a t u r e f i e l do fl a s e rw e l d i n gi nt h ec o n d i t i o no ft h em o v i n gh e a to f3 dt r a n s i e n tf i n i t e e l e m e n t t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r s v a r i a t i o ns u c ha sl a s e rp o w e ra n dw e l d i n g s p e e dt ot h et e m p e r a t u r ef i e l do fs u r f a c ea n d i n t e r i o ra r es i m u l a t e d t h et e m p e r a t u r e f i e l do fs u r f a c ei sf o u n dt ob ee l l i p t i c a l ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do fi n t e r i o ri sf o u n dt ob e p a r a b o l i c w h e nt h ec e n t e ro fl a s e rb e a mi s l o c a t e di nt h eb o t hp l a t e s c e n t e r ，t h e d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di sa s y m m e t r i c ，o f f s e t i n gt ot h es i d eo fg a l v a n i z e d s t e e l b ys t u d y i n gt h et r a n s i t i o n ，t h er e l a t i o no fi a s e rp o w e ra n d c r i t i c a ls p e e di nl a s e r p e n e t r a t i o nw e l d i n go fg a l v a n i z e ds t e e la n d c a r b o ns t e e li sa c q u i r e d ，t h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r sv a r i a t i o ns u c ha sl a s e rp o w e r a n dw e l d i n gs p e e dt ot h ew i d t ha n dd e p t ho f w e l d i n gs e a ma r es i m u l a t e d i i l ( 2 ) b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s ，u s i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l m e t h o d ，t h ef i b e rl a s e ra n de q u i p p e dr o b o ta r eu s e dt oc o n n e c tt h eg a l v a n i z e ds t e e l a n dc a r b o ns t e e li nt h ee x p e r i m e n t a f t e rj o i n tq u a l i t yd e t e c t i o no ft h es p e c i m e na n d w e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s a d j u s t m e n ti nt h ee x p e r i m e n t ，a no p t i c a la n dr e a s o n a b l e w e l d i n gp a r a m e t e r sa r ea t t a i n e d u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e s ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n d y i e l ds t r e n g t ho fjo i n t sa r em o r ep r o m i n e n t ( 3 ) t h es u r f a c eo f j o i n t si sd e t e c t e d ，a n dw h e nt h ec e n t e ro fl a s e rb e a mi sl o c a t e d i nt h eb o t hp l a t e s c e n t e r ，t h ej o i n t s c e n t e ri sc l i n e do f f s e tt ot h eg a l v a n i z e ds t e e l i ti s a d v i s i b l et h a tl a s e rb e a mc e n t e ro f f s e tab i tt ot h ec a r b o ns t e e ls i d es oa st op r e v e n tt h e u n c o i n c i d i n gb e t w e e nt h ec e n t e r l i n e o fj o i n ta n db u t tc a u s e db yt h em a t e r i a l s p h y s i c a lp r o p e r t i e sd i f f e r e n c e ，a n dt ok e e pt h ec o n t i n u i t yo fs t r e n g t ha n dp e r f o r m a n c e i nt h ej o i n td u r i n gt h el a s e rw e l d i n gd i s s i m i l a rm a t e r i a l sb e t w e e ng a l v a n i z e ds t e e la n d c a r b o ns t e e l t h em i c r o s t r u c t u r eo fw e l d e dj o i n t sa r ed e t e c t e d ，a n dt h ed e f e c t ss u c h a ss t o m a t aa n dc r a c ka r en o tf o u n di nt h ej o i n t s t h es u r f a c eh a r d n e s si nt h ew e l d e d j o i n ta r eh i g h e rt h a nt h a to fb a s em a t e r i a l s ，a n dh e a ta f f e c t e dz o n es o f t e n i n gi sn o t f o u n d t h et e n s i l e s t r e n g t ho ft h ew e l d e dj o i n ti sr e a s o n a b l ee q u a lt ot h a to ft h e c a r b o ns t e e lu n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：l a s e rw e l d i n g ；d i s s i m i l a rm e t a lp l a t e s ；g a l v a n i z e ds t e e l c o l dr o l l e ds t e e l ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；q u a l i t yt e s t 1 v 第1 章绪论 1 1 前言 自1 9 6 0 年发明第一台激光器以来，人们对激光的特性进行了研究，并论证了 激光的应用前景。进入2 1 世纪以来，随着激光技术的迅速发展，激光的应用范围 日趋广阔。激光在汽车、微电子、钢铁冶金、航空航天、机械、纺织、化工等领 域得到了广泛的应用，有些行业已经达到了较高的水平。 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、 表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术，涉及到光、机、电、材料及检测 等多门学科。作为激光加工的重要组成部分，激光焊接具有焊缝强度高、深宽比 大、热影响区小、焊接变形小、焊接速度快、焊接过程的自动化程度和可靠性高 等优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段。 汽车行业是激光焊接应用的重要领域之一，随着全球环境和能源危机的不断 加剧，“轻量化”和“安全性”作为汽车产业的重要问题已受到人们的重视，节能减 排成为新一代汽车设计和制造面临的重要问题。研究表明，减少汽车自身重量是 降低燃油消耗、减少尾气排放、节约材耗的最有效措施。在不增加成本，维持车 身功能与抗冲击安全性的情况下，采用新型材料以及新的成型方法成为减轻车身 重量的重要手段，镀锌钢板是解决上述问题的一种优选材料1 2 1 。，激光拼焊作为一 种新技术，在汽车车身成型中得到广泛应用，通过这种技术可以把不同材质、厚 度、强度、表面状况的板材拼焊在一起，从而既可以设计出强度合理，数量尽可 能少的车身件，又可以达到减轻车身重量，降低生产成本的目的【3 1 。 例如，1 9 8 5 年奥迪汽车将激光焊接用于轿车底板焊接，2 0 0 0 年，美国三大汽 车公司已经有5 0 的电阻点焊生产线被激光焊接生产线取代；日本丰田采用激光 拼焊5 种不同厚度和3 种不同表面镀层轿车侧框件，模具数量由2 9 副降至4 副， 材料利用率增加2 5 。国内宝钢公司1 9 9 9 年已经完成多家汽车车身激光焊接技 术工艺研究，并从瑞士引进了先进的激光拼焊生产线，服务于部分汽车厂对激光 焊接的要求；2 0 0 5 年湖南大学李力钧研制的p h c 1 5 0 0 型c 0 2 激光器已应用于上 海大众p o l o 车门高强度镀锌钢板的激光拼焊。 1 2 激光焊接的原理及特点 1 2 1 激光焊接的原理 激光焊接是将激光束直接照射在材料表面，通过激光与材料相互作用使材料 内部熔化实现焊接的。大功率激光焊接时，通常根据是否产生d ：- 孑l 焊接过程被分 为两种模式：热传导焊接和深熔焊接。这两种焊接方式有着不同的焊缝形成机理、 能量耦合机制和焊接效果【4 1 。 当激光功率密度小于1 0 5 w c m 2 时，金属材料表面被加热到熔点与沸点之间。 焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能量被转变为热能，从而使金属材料表面 温度升高而熔化，然后用热传导方式把热能传向金属内部，熔化区不断扩大而形 成焊缝。在此状态下进行的激光焊接即为热传导焊，其特点是激光功率密度低， 材料熔化较少，没有明显的气化现象，横截面呈半圆形，焊接熔深浅。主要应用 于薄板( 厚度 l m m ) 、小工件的焊接加工。 当激光功率密度大于等于1 0 6 w c m 2 时，材料表面在激光的照射下被迅速加 热，其温度在极短的时间内升高到沸点，使金属熔化或气化，产生等离子体，同 时被焊材料在较大的气化膨胀压力下，产生小孔，有助于材料对激光能量的吸收， 进入小孔的激光能量几乎被全部吸收，在d , q 。l 底部产生剧烈的蒸发。当光束能量 所产生的金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继 续加深，形成深度稳定的小孔，该状态下的激光焊接为深熔焊。小孔随着光束的 移动而运动，其形状和尺寸是稳定的。 与热传导焊相比，激光深熔焊焊接具有焊接速度快、焊件变形小、焊接效率 高、热影响区小以及深宽比大等特点，是实际焊接过程中最期望得到的焊接模式。 就对激光被金属材料的吸收而言，激光热传导焊接和深熔焊接最根本的区别就是 小孔的出现。出现小孔之前，金属材料表面对激光的吸收率随着表面温度的升高 而逐渐变化，而一旦金属材料出现气化并形成小孔和等离子体，金属材料表面对 激光的吸收率将会发生突变，其吸收率几乎不再与金属特性、激光波长和材料表 面状况有关，而主要取决于小孔效应以及等离子体与激光的相互作用等因素。 如图1 1 所示，反映了在不同辐射功率密度下熔化的演变过程1 5 j 。 加热舞量鲁俦导捍整澡熔e l t 接等膏子体豹殂蕊 蒸蒸熬、蓥 i 矿w ，c m 。功率鬻旋 0 、, v j cr n 3 图1 1 不同辐射功率密度下熔化的演变过程【5 】 1 2 2 激光焊接的特点 与传统的焊接方法相比，激光焊接具有其独到的优点 6 】： ( 1 ) 激光具有很高的功率密度，可以对高熔点、难熔金属或异种金属材料， 甚至非金属材料进行焊接，焊后无需热处理。例如，用传统焊接方法很难焊接的 a 1 7 0 0 0 系列，采用激光焊接可以获得高强度的焊缝和良好的可成形性。 ( 2 ) 激光聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，焊接应力和 变形小，熔深宽比可达5 ：1 ，最高可达8 ：1 。激光焊接属于非接触性焊接，焊接装 置易与计算机联机，能精确定位，具有很大的灵活性，易于实现自动化。 ( 3 ) 能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备简单。激光不受电磁场的影 响，光束几乎不会发生偏移，激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，可 以穿过玻璃等透明物体进行焊接。 ( 4 ) 激光可以在空间中长距离传播而衰减小，可以对一些难以接近的部位进 行焊接：可通过光纤、棱镜等光学方法传输、偏转、聚焦，适合于微型零件及可 达性很差部位的焊接。 ( 5 ) 激光焊接具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属；焊后高的冷却速度又易 于使焊缝组织细化，激光焊缝组织均匀，晶粒小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械 性能、抗腐蚀性和电磁学性能上优于常规焊接方法。 ( 6 ) 一台激光器可提供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又可用 于切割、合金化和热处理，一机多用。 激光焊接也存在以下局限性【7 j ： ( 1 ) 对焊件加工、组装、定位要求比较高，且要求光束在工件上的位置不能 有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑直径小、焊缝窄、不加填充材料。若工件 装配精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。 ( 2 ) 激光器特别是大功率激光器及相关系统价格比较昂贵，一次性投入计较 大。 1 3 激光拼焊的应用及意义 激光拼焊技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术，是 通过高能量的激光将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体 板再冲压生产，以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。拼焊板工艺的出 现解决了由传统单一厚度材料所不能满足的超宽板及零件不同部位具有不同工艺 性能要求的工艺问题。汽车工业一直致力于在不降低轿车结构稳定性的同时减轻 车重。其中在提高汽车结构安全性的同时降低车重方面使用最成功的一项新技术 便是激光拼焊技术的应用。 1 9 8 5 年德国t i s s e n 钢铁公司与大众汽车公司合作，全球第一块激光拼焊板被 成功的用在a u d i l 0 0 车身上，又先后在美国及印度尼西亚建立了合资公司，主要 为凯迪拉克新车型提供激光拼焊车门以及其他板件。此后，汽车用激光拼焊板便 在欧、美、日各大汽车厂商的整车制造中得到广泛应用 8 1 。2 0 0 2 年武汉蒂森克虏 伯中人激光拼焊有限公司成立，我国第一条激光拼焊板专业化商业生产线正式投 入运行一j 。随即，合资生产的高品质车型如帕萨科、别克、奥迪、雅阁等都开始 采用激光拼焊板。中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行 国际合作，遵循国家引进消化后再创新的科技发展战略，攻克激光拼焊若干个关 键技术，于2 0 0 6 年9 月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线，并成功开发了机 器人激光焊接系统，实现了平面和空间曲线的激光焊接。目前激光拼焊技术如图 1 2 所示i l ，已经被广泛的运用在纵梁、保险扛、门内板、地板等结构件中。诸 如通用公司、大众公司、福特公司、丰田公司、菲亚特公司等大型汽车公司都已 经在他们的新车型中采用此项新技术。 图1 2 汽车拼焊板在车身中的应用 1 0 l 利用激光焊接技术生产的拼焊板具有巨大的优势，根据国外学者的研究，其 优点达3 7 条，主要体现在以下几方面【1 1 】： ( 1 ) 减轻最终车身的重量。在汽车结构件的应用中，激光拼焊板的使用，减 少了加强件的使用，从而降低了整体的车身重量。在同一块钢板中，通过不同材 质、厚度以及强度的组合，整体的车身结构可以在很大程度上被简化。 ( 2 ) 汽车的零部件数量的减少。大大提高了轿车车体结构的精度，缩减许多 加工工序和冲压设备。例如在车身设计中，门内板的应用对冲压成形性能有较高 的要求，这就需要采用稍微薄一点和软一点的材料。然而，在同一门内板的前部， 铰链与门相连接的部位又需要足够的强度来承受门的频繁使用。在传统工艺的方 法中，通过使用加强板的方法来增强门内板这一地方的强度。这件多余的板件在 车间中则需要经过很多工序来完成加工，而现在，通过激光拼焊技术，在冲压工 序之前，先将一块软一点、大一点的、薄一点的材料与硬一点、小一点、厚一点 的材料连接成一件门内板，然后再冲压成一件整体件，从而在根本上减少了对加 强件的需要。 ( 3 ) 提高了原材料的利用率，大大减少了废料的生成。通过在结构件特定的 部位有选择性的使用各种高强度、厚度的材料从而大大提高了材料的利用率。在 落料工序中通过采用排料技术，使各种钢板得到合理组合，从而材料的废料率得 以大大的降低。 ( 4 ) 大大提高了结构功能。由于通过激光拼焊技术，根据不同的需要，合理 组合材料的强度、厚度，大大改善了结构的刚度。同时也提高了结构抗腐蚀的性 能，使用激光拼焊技术主要的作用，就是通过不同强度与厚度的组合，大大提高 了结构件的抗碰撞性。同时在有碰撞要求的部位，使用高强度钢或厚板，而在要 求低的部位，使用低强度钢或薄板，从而大大提高了汽车零部件抗碰撞的能力。 激光拼焊技术正是适应这种需要，通过薄板和厚板的连接或者是低强度钢与高强 度钢的连接，在提高汽车安全性方面跟钢板厚度或强度等级没有变化的情况相比， 优势很明显。与传统点焊工艺相比，使用激光拼焊板大大的提高了冲压件的形状 精度和尺寸。从而改善车身的装配精度。这将降低了汽车的噪声和减少了整体装 配的缺陷。 ( 5 ) 提供了生产宽体车的可能性。由于钢厂轧机的宽度限制了钢板的宽度， 而随着汽车工业的发展，t 汽车对大宽度钢板的需求却日趋紧迫，采用激光拼焊技 术却不失为一种经济而有效的工艺方法。 1 4 国内外激光拼焊研究现状 激光拼焊源于上世纪8 0 年代。国内激光冷轧钢板拼焊技术9 0 年代末起步， 陈洁【l2 j 等人采用不同的激光焊接工艺参数对不同厚度的b 1 7 0 p 1 高强度钢进行焊 接，并对焊后试样进行拉伸试验，研究不同激光焊接工艺参数对拼焊板力学性能 的影响。试验结果表明：在焊接质量合格的情况下，焊接功率越高，焊接件的塑 性和韧性越差。雷玉成【l3 j 等人选取2 0 m m ，1 5 m m 厚的h s a 3 4 0 板材和0 7 m m 厚 的h 3 4 0 l a d + z 板材，按强度相近，厚度不同的原则，两两搭配进行激光拼焊板 试验。焊后选取具有代表性的焊缝横截面进行金相组织检验，并对焊缝接头各区 域进行硬度测量，分析了激光接头各区域会相组织及硬度的变化。王琦【1 4 】等人采 用激光拼焊的方法对0 3 m m 厚和0 5 m m 厚的镀铝锂合金薄板进行激光焊接试验， 采用正交试验法研究了激光焊接不同厚度的铝锂合金薄板，并且对焊接试样进行 拉伸试验，分析了各种工艺参数对焊缝宽度和抗拉强度的影响。通过极差法对试 验工艺参数进行处理，得到了激光焊接不同厚度的铝锂合金薄板的优化工艺参数， 确定了各种焊接因素对焊缝强度影响的大小顺序。王春燕【l5 1 等人首先对组成某轿 车车身侧围内板的3 种不同厚度的激光拼焊板进行拉伸试验，得到了3 种拼焊板 的力学性能参数。然后在试验结果的基础上，提出了基于“混合计算法”求解不同 厚度的激光拼焊板焊缝处的力学性能的方法，最后将试验结果与理论分析结果进 行了对比，分析采用此种计算方法产生误差的原因。 国外很多学者也对激光拼焊进行了大量的研究。r a d l y m a y r 和s z i n y u r 1 6 】用直 径1 0 0 m m 半球拉伸评估了焊速在成形中的作用，并进行了双相等拉伸试验。 w a n g i l7 】等人针对不同厚度和强度的拼焊板采用激光焊和滚压焊技术，测试了焊道 的实际性能，发现激光焊道硬度高于母材，滚压焊道与母材等同。w a g o n e r 1 8 1 等 人自9 0 年代开展了拼焊板成形的研究，在焊接工艺对拼焊板的变形影响方面已取 得重要结果，有关技术已试用于g m 、c h r y s l e r 等公司。 1 5 本课题研究的内容及目标 在激光焊接技术方面，国内外学者针对材料对激光束吸收、焊接温度场小孔 效应、焊接过程检测及监控技术控制、焊接缺陷等开展了一系列的研究，取得了 一系列的研究成果。在围绕汽车车身覆盖件方面尤其是关于汽车车身板、镀锌钢 板、冷轧钢板等材质的激光焊接研究方面，国内外研究学者大都局限于单一材质的连接， 在这类材料激光焊接中，因元素挥发等导致的气孔及淬火热裂纹的抑制是需解决的主要 热点问题。但对于不同材质不同厚度的板材激光焊接，由于材料不同，热物理参数存在 较大的差异，在连接时更易产生裂纹，淬硬倾向性大，目前，在医学界主要开展了金铂、 镍铬、纯钛等异种合金( 金属) 的激光焊接可行性研究，而涉及汽车车身覆盖件 方面的镀锌钢板、冷轧钢板的异种板材间激光焊接研究相对较少，且应用尚不成 熟。 本课题来源于湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金资助 项目：汽车车身覆盖件异种金属板材的激光焊接机理及其关键技术研究 ( 3 0 9 7 5 0 0 1 ) 和国家自然科学基金项目：激光辅助加热成形切削工程陶瓷的机理及 其关键技术研究( 5 1 0 7 5 1 3 5 ) 。本文在以上两个项目的基础上，通过对镀锌钢板与 冷轧钢板异种进行焊接试验，为汽车车身用镀锌钢板与冷轧钢板焊接工艺选择提 供理论依据和试验依据。主要内容包括： ( 1 ) 对激光焊接进行理论分析，建立激光焊接热传导模型。利用a n s y s 有限 元软件对激光焊接温度场进行移动热源条件下三维瞬态有限元分析，分析激光焊 接工艺参数对温度场的影响，通过模拟激光功率与上临近焊接速度的关系以及激 光功率、焊接速度等工艺参数对焊缝尺寸的影响，确定工艺参数的大体范围，为 焊接试验工艺参数的选择提供参考。 ( 2 ) 在理论分析的基础上，通过正交试验法对镀锌钢和冷轧钢进行激光焊接 试验，通过观察焊缝成形质量对工艺参数进一步调整，确定较合理的工艺参数。 ( 3 ) 对接头进行了显微组织和力学性能分析及硬度测试。研究了激光功率、焊 接速度、离焦量等工艺参数对焊缝宽度及熔深的影响。 6 第2 章激光焊接温度场的模拟 激光焊接所用的工艺参数决定了激光焊接接头的组织和性能。在不同的工艺 参数条件下，激光束对板材的加热过程以及熔池的温度场分布都不同，而用试验 手段不容易测量熔池的温度，成本也比较高。因此，先用有限元数值模拟不同工 艺参数条件下，激光焊接过程中温度场的分布，测量不同工艺参数下的焊缝尺寸， 确定大体工艺参数范围，为下一步试验做准备。 2 1 热传导问题的描述 热传导就是物体各个部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子以及自由 电子等微观离子的热运动而产生的热量传递过程。在自然界和生产技术中到处存 在着温度差，所以热量传递成为自然界和生产技术中一种很普遍的现象。热量传 递有热辐射、热对流和热传导三种基本形式，它们既可以单独存在，也可以同时 发生【1 9 】。 单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度。法国物理学家约瑟夫傅里叶 提出了热传导的基本定律一傅里叶定律【2 0 】： g 一五g r a d t 一旯豢玎一五 娶o x “等，+ 署七) c 2 m 册 鲫 眩 j 式中 q 一热流密度，单位为w m 2 ： 力一物体的导热系数，单位为w ( m k ) ： 丁一温度，单位为k ： 删刀一温度梯度，单位为k m ； 刀锄边界外法线方向上的温度梯度。 激光焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。整个焊件的 温度随时间和空间急剧变化，材料的热物性参数也随温度剧烈变化，同时还存在 熔化和相变潜热的现象。因此，焊接热传导问题属于典型的非线性瞬态热传导问 题【2 1 1 。 在一般的三维传热问题中，瞬态温度场的场变量r ( x ，y ，z ，f ) 满足下列导热微分 控制方程： 俨i o t ：i 0 ( 乞i o t ) + 昙( 后，罢) + 昙( 屯娶) + q q ( 2 2 ) 俨百2 瓦( 乞瓦) + 瓦( 勺瓦) + 瓦( 吃i ) + ( 2 2 ) 此方程为热量平衡方程。式中从左往右第1 项为微体升温需要的热量；第2 ， 3 ，4 项分别为由z 、y 和z 方向传入微体的热量；最后1 项是微体内热源产生 的热量。上述微分方程表明：微体升温所需要的热量应当平衡于传入微体的热量 以及微体内热源产生的热量。 对于各项同性的导热材料，t = 七，= t = k ，所以上面的方程化简为： 鲁叫警+ 窘+ 害，+ q c 2 百2j | ( 丽+ 萨+ 可) + ( 2 3 ) 因为焊件内部不产生热量，所以o = o 。 求解导热问题，实质上归纳为对导热微分方程式的求解。对于实际解答工程 问题而言，求得的解不仅要满足导热微分方程本身，而且又要满足实际问题的附 加条件。一般情况下，瞬态热传导问题包括两个条件：初始条件和边界条件。 ( 1 ) 初始条件：即为初始时刻温度场的分布情况。一般来说，7 1 b = 丁( x ，y ，z ) 。 若在初始时刻，温度场内各处温度相同，则初始条件为丁b = 瓦。 ( 2 ) 边界条件2 2 1 ：物体边界上温度或换热情况。常见的边晃条件可归纳为以 下三类： 1 ) 给定了边界上的温度值，称为第一类边界条件： 一o t ：0 ( 2 4 ) 砌 特殊情况是等温边界条件，即物体边界上的温度值相等。 2 ) 给定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件： 旯娑：q ( 7 x ，y ，z ，f ) ( 2 5 )九_ 2 ，z ，f ， l z ) j 式中q ( x ，y ，z ，t ) 为边界上给定的热流密度，单位为w m 2 。 3 1 给定了边界上物体与周围介质之间的换热系数以及周围介质的温度，称为 第三类边界条件： 允娑：口( 疋一1 ) ( 2 6 ) 儿_ 5 口l 。一，) l 厶o j 式中 口一换热系数，单位为w ( m 2 k ) ； 疋一焊接温度，单位为k ； z 一环境温度，单位为k 。 2 2 焊接温度场有限元计算模型 2 2 1 有限元模型的建立及网格划分 模拟材料为同等厚度的镀锌钢板与冷轧钢板，工件尺寸为 1 6 0 m m x 4 0 m m 1 5 m m 平板。建立三维有限元实体模型，单元类型采用8 节点热 单元s o l i d 7 0 ，它既可以用于稳态热分析也可以用于瞬态热分析。定义在水平面内 沿焊接方向为y 方向，垂直于焊接方向为x 方向，沿板厚方向向上为z 方向。为 8 了节省计算时间，保证焊缝及其附近高温区域得到较精确的温度分布，采用了较 小的尺寸单元，在远离焊缝处，由于温度变化不明显，温度梯度小采用比较大的 尺寸单元【2 3 1 。有限元网格共生成1 4 8 7 9 个单元，1 3 0 9 9 个节点，对接中心处最小 网格尺寸0 5 m m ，有限元网格划分如图2 1 所示。 图2 1 模型网格划分示意图 2 2 2 激光焊接热源模型的选取 激光焊接有两种基本模式：激光热传导焊和激光深熔焊。针对激光热传导焊， 计算温度场一般采用二维面热源处理。二维面热源的能量分布为高斯分布，如图 2 2 所示【2 4 1 ，其函数表达式为： 图2 2 表面高斯热源模型1 2 4 】 撕) _ g 脚( 一 3 d 2 意 式中 g ( ，) 一热源有效加热范围内半径为厂处的热流密度； g 。一热源加热斑点中心处的最大热流密度； ，一a 点离光束中心的距离； ( 2 7 ) ( 2 8 ) r 一热源的有效加热半径。 针对激光深熔焊，由于激光束具有能量密度高，加热范围集中及存在小孑l 效 应等特点【25 1 ，用于模拟普通熔化焊的高斯热源模型不适于描述这一过程，而较多 采用双椭球体热源模型 2 6 1 。如图2 3 所示为双椭球体热源模型 2 7 1 。 图2 3 双椭球体热源模型2 7 1 图中前半部分是l 4 个椭球，后半部分是1 4 个椭球。参数口、b 、g 、c ，可 有不同的值，它们是相互独立的。设前后两部分椭球的能量分数分别为石、五且 石+ 正2 2 。 前半部分椭球内热源分布函数： 卅，= 鬈唧m 州洲圳 亿9 ， 后半部分椭球内热源分布函数： 拈，= 舞唧卜 ( 抓州捌 亿呐 有关试验研究表明，三维的热源模型计算能真实体现焊接的热过程，因此， 本文选用双椭球体热源作为热源模型。 2 2 3 材料物理性能参数的确定 金属材料的物性参数如比热容、导热系数、换热系数、密度等一般都随温度 的变化而变化。当温度变化范围不大时，可采用材料物性参数的平均值进行计算。 但焊接过程中，焊件局部加热到很高温度，整个焊件温度变化剧烈，如果不考虑 温度变化对材料物性参数的影响，那么计算结果一定会有很大的误差，所以在焊 接温度场的模拟计算中一定要给定材料的各项物理性能参数随温度的变化值 2 8 - 2 9 1 。由于密度受温度影响很小，本文只考虑热传导系数、比热容以及换热系数 1 0 的温度相关性，通过查阅相关资料，可以获得镀锌钢、冷轧钢部分温度下的物理 性能参数，如表2 1 、2 2 所示【3 0 3 。 表2 1 镀锌钢的物性参数1 3 0 川1 2 2 4 初始条件和边界条件的处理 焊件的边界由于与外界存在温度差而与周围介质换热，其中包括对流和辐射 换热【3 引。研究表明，在焊接时热量的损失主要是通过辐射，而对流作用相对较小。 温度越高则辐射换热作用越强烈。为了方便计算考虑总的换热系数，即加大对流 系数来实现边界条件的简化。因此，因边界换热而损失的热量可表示为： q o = p ( r r o )( 2 1 1 ) 式中：丁焊件表面温度； 瓦一周围环境温度； 一表面换热系数。 其中= 屈+ 孱，屈为对流换热系数，屈为辐射换热系数。 由于本文焊后钢板处于自然冷却状态，换热系数参考文献 3 3 ，3 4 ，取= 1 5 w m 2 。 初始条件：t i ，= o = 2 0 ( 环境温度) 。 选用第三类边界条件：表面换热系数= 1 5 w m 2 。 2 2 5 相变潜热的处理 在焊接的过程中存在两中相变问题：一中是材料的金相组织转变，即为固态 相变；另一种是材料的凝固和熔化，即为固液相变。材料发生相变时，会释放或 者吸收一定的热量，所以在模拟焊接温度场时，必须要考虑相变潜热的问题，否 则，计算结果出现很大的误差。 同固态相变潜热相比，一般情况下固液相变潜热要小的多，通常将其忽略， 但是在焊接高强钢时必须要考虑它的影响。处理固液相交潜热很多方法，例如等 温法、等价比热容法和热焓法等【”1 。 ( 1 ) 等温法 当材料凝固或熔化时，假定此时的温度不变，当潜热全部放出或吸收之后， 温度继续下降或上升。设此时的熔化潜热为q l ，比热容为c 1 ，则令正= q c 1 ，当 加热过程中，如果某点的温度在某一时刻超过熔点乙后，令该点温度丁仍将为乙， 此时a t = l 丁一li 。然后再计算下一个时间步长，当丁的积累量达到a t = 正时， 此后潜热的影响结束。如果该点温度继续上升，将以同样的方法处理。 ( 2 ) 等价比热容法 单位质量的物体降低单位温度时所释放出来的热量称为比热容。此外比热容 也可以理解为单位质量金属在凝固温度范围内降低单位温度所释放的热量，实际 上比热容包括物体的真正比热容和潜热引起的比热容的增加量，此比热容被称为 有效比热容或等价比热容。可按下列式子计算： e = a q r ( 2 1 2 ) c 。= e + c ( 2 13 ) 其中c 为不考虑潜热时的比热容，e 为潜热引起的比热容增加量，丁为凝 固温度区间，a q 为熔化潜热。 ( 3 ) 热焓法 通过输入材料的焓值随温度的变化来处理相变过程中的潜热，焓的定义为： h = u + p v ( 2 1 4 ) 式中h 为焓，u 为内能，尸、矿分别为压力和体积。 1 2 a h ( t ) = i p c ( o a r ( 2 15 ) ； 其中h 为热焓，p 、c 、t 分别为密度、比热和绝对温度，当某一节点的温 度跨过熔点或相交点时，会有一定的焓变，通过这个焓变值就可以把潜热考虑进 去。 本文选择等价比热容法，考虑相变潜热的影响，通过查阅文献 3 6 ，3 7 可知， 纯铁的熔化潜热为2 6 9 5 5 j g ，由于合金的熔化潜热要比相对应的纯金属低，镀锌 钢的熔化潜热大约为2 2 0j g ，冷轧钢的熔化潜热大约为2 4 0j i g ，丁大约为1 0 0 ，所以镀锌钢的e = a q a t = 2