張文廣，劉巖，杜安娜，楊棧琳，李博

（沈陽(yáng)大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院 b.遼寧省先進(jìn)材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110044）

隨著制造業(yè)的發(fā)展，汽車節(jié)能減排和高安全性成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)，汽車質(zhì)量每降低10%，汽車燃油效率將增大6%～8%[4-6]。因此，輕質(zhì)、高強(qiáng)的材料在汽車結(jié)構(gòu)中的使用率越來(lái)越高。為滿足汽車不同零部件的各種使用場(chǎng)景，多種性能符合的材料得到使用，如鋁合金、鎂合金、超高強(qiáng)度鋼、碳纖維復(fù)合材料等[7-9]。其中超高強(qiáng)度鋼以其成形載荷小、回彈量小、成形精度高等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽車車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件和安全零部件制造中，如汽車A 柱、B 柱、防撞梁等[10-12]。

熱成形鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)度和機(jī)械安全性，在高溫加熱后冷卻，會(huì)使其內(nèi)部奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。一般熱成形鋼的強(qiáng)度在1 000 MPa 以上，并且使用熱成形工藝能解決普通高強(qiáng)度鋼成形困難、回彈嚴(yán)重等問(wèn)題，以及高強(qiáng)鋼強(qiáng)度與塑性之間的矛盾[13-15]。與氬弧焊、混合氣體保護(hù)焊相比，以激光焊接的方式對(duì)高強(qiáng)度鋼進(jìn)行焊接，具備密度集中的特點(diǎn)，所得到的焊縫熱影響區(qū)較小，焊縫深寬比大，宏觀形貌較為美觀[16-18]。Li 等[19]使用500 W 低功率光纖激光器對(duì)A304 不銹鋼進(jìn)行了激光焊接，結(jié)果表明，增大激光功率會(huì)導(dǎo)致熔深和熔寬增大，但熔寬增大得并不明顯，而提高焊接速度會(huì)降低焊縫熔深和熔寬。韋春華等[20]使用IPG-YLS-6000-S4 型激光器對(duì)1.4 mm 的DP980 高強(qiáng)雙相鋼進(jìn)行了激光拼焊，研究發(fā)現(xiàn)，減少熱輸入可以減短接頭焊縫的寬度；在合格的宏觀形貌下，可以通過(guò)降低熱輸入來(lái)獲得合適的焊縫寬度。田飛等[21]使用IPG-YLS-6000 型光纖激光器對(duì)DP780 高強(qiáng)鋼進(jìn)行了對(duì)接焊接，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱輸入較低時(shí)，接頭橫截面形貌呈現(xiàn)上面寬、下面窄的狀態(tài)；增大熱輸入會(huì)減小焊縫上下寬度差。徐佳偉等[22]使用IPGYLS-6000 高功率激光器對(duì)921A 鋼板進(jìn)行了焊接，研究發(fā)現(xiàn)，增大激光功率可直接提高激光束的線能量密度，獲得較大的熔深、熔寬；正向增大離焦量能夠增大光斑直徑，獲得較寬的焊縫；增大焊接速度，可以獲得寬度較小的熔寬（單位時(shí)間內(nèi)熱輸入減?。in等[23]對(duì)316 不銹鋼在雙光斑激光焊接下的焊縫表面進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)估，對(duì)環(huán)形雙光斑和單光斑進(jìn)行了比較。通過(guò)調(diào)整中心和環(huán)形激光束的功率分布，發(fā)現(xiàn)環(huán)形光斑激光焊接過(guò)程中的飛濺大大減少，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定。

目前，對(duì)1 500 MPa 級(jí)以上熱成形鋼進(jìn)行激光焊接工藝的研究較少。常規(guī)激光焊接具備高熱輸入和快速冷卻的特點(diǎn)，其焊接接頭容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而產(chǎn)生焊接裂紋。對(duì)于薄板材料，其本身的力學(xué)強(qiáng)度較低，更容易出現(xiàn)焊接裂紋的問(wèn)題。雙光斑技術(shù)可精確控制焊接能量的分布，不僅可有效降低焊接接頭的應(yīng)力集中、減少裂紋的產(chǎn)生，還能夠減少激光焊接中飛濺等問(wèn)題?；诖耍疚牟捎秒p光斑激光焊接技術(shù)對(duì)1.4 mm 厚的2 000 MPa 級(jí)熱成形鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)單項(xiàng)變量法獲得了多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)焊接接頭的宏觀形貌進(jìn)行了分析，揭示了不同工藝參數(shù)（激光功率、焊接速度、芯環(huán)比、離焦量）對(duì)焊接接頭正背面形貌以及熔深和熔寬的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

選用由本鋼公司生產(chǎn)的PHS2000 型熱成形鋼作為焊接母材，其化學(xué)成分如表1 所示。實(shí)驗(yàn)采用的焊接方式和鋼板的尺寸如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)使用的激光設(shè)備如圖2 所示。本次實(shí)驗(yàn)采用TRUMPF TruDisk 5000型雙光斑激光器，其焦距為564 mm，最大工作功率可以達(dá)到5 000 W。芯環(huán)比是雙光斑激光器的關(guān)鍵參數(shù)，中心光斑功率占總功率的百分比即為芯環(huán)比。雙光斑激光焊接能夠利用光斑外環(huán)前部、中心光斑和外環(huán)尾部來(lái)分別達(dá)到預(yù)熱材料、形成匙孔、穩(wěn)定熔池的作用，搭配德國(guó)Kuka 焊接工業(yè)機(jī)器人對(duì)鋼板進(jìn)行對(duì)接焊接。焊接保護(hù)氣體選用99.99%純度的高純氬氣，氣體流速設(shè)置為20 L/min。本實(shí)驗(yàn)基于不同的激光功率（4 100～4 700 W）、焊接速度（50～250 mm/min）、芯環(huán)比（50%～75%）和離焦量（?4～0 mm）設(shè)置了5組不同參數(shù)，得到了20 組焊接接頭形貌圖。

圖1 焊接方式及尺寸Fig.1 Welding method and size

圖2 激光焊接設(shè)備Fig.2 Laser welding equipment

表1 PHS2000 型熱成形鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of PHS2000 hot stamping steel wt.%

在焊前預(yù)處理階段，使用砂紙對(duì)試件焊接面進(jìn)行打磨，并采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液清潔焊接表面的油脂和雜質(zhì)。焊接接頭熔深、熔寬測(cè)量方法如圖3 所示。焊后采用型號(hào)為OLYMPUS BX51M 的金相顯微鏡（OM）觀察焊縫熔深和熔寬的變化，對(duì)比焊接接頭的宏觀形貌，并通過(guò)計(jì)算得到深寬比。

圖3 熔深、熔寬測(cè)量方法Fig.3 Measurement method of melting penetration and melting width

2 結(jié)果與分析

2.1 激光功率對(duì)焊接接頭宏觀形貌的影響

在焊接速度為150 mm/min、芯環(huán)比為65%、離焦量為?2 mm 條件下，在4 100～4 700 W 區(qū)間內(nèi)增大激光功率，增量設(shè)為300 W。不同激光功率下焊接接頭正背面形貌與橫截面如圖4 所示，可以看到，當(dāng)激光功率為3 500～4 400 W 時(shí)，焊接接頭的正面、背面成形均良好，焊縫的寬度略有增大。而當(dāng)激光功率進(jìn)一步增大到4 700 W 時(shí)，在圖4e 中發(fā)現(xiàn)焊縫后半部出現(xiàn)燒穿缺陷。這主要是因?yàn)榇藚?shù)的激光功率密度過(guò)高，導(dǎo)致焊接試件過(guò)熱。當(dāng)激光輻射區(qū)域的金屬受到高能激光束作用時(shí)，其溫度迅速上升并達(dá)到熔點(diǎn)以上，導(dǎo)致金屬發(fā)生熔化現(xiàn)象。在這個(gè)過(guò)程中，部分區(qū)域甚至被氣化，而金屬整個(gè)板厚也逐漸熔化。然而，由于激光能量高度集中和焊接冷卻快速的特點(diǎn)，若熔化金屬未能及時(shí)填充最底部板材的區(qū)域，就容易產(chǎn)生圖4e 中的燒穿情況。

圖4 激光功率對(duì)焊接接頭宏觀形貌的影響Fig.4 Effect of laser power on macroscopic morphology of welded joints

激光功率對(duì)焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響如圖5 所示。在激光深熔焊中，高能激光束輻射至焊接試板內(nèi)部，形成匙孔并引起菲涅爾吸收效應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致功率密度升高，從而對(duì)焊縫的熔深和熔寬產(chǎn)生影響[24]。由圖5 可知，深寬比呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)，并在4 100 W 功率時(shí)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。在該拐點(diǎn)處，深寬比值為1.22。焊接接頭的熔寬在3 500 W 時(shí)最小，為1.10 mm，在4 400 W 時(shí)最大，為1.21 mm。熔深在激光功率為3 500～4 400 W 時(shí)呈上升趨勢(shì)，最大值為1.44 mm，而在4 700 W 時(shí)，熔深降低到最小值，為1.35 mm。這主要是因?yàn)殡S著激光功率的增大，提供的熱量更多，使金屬熔化的范圍更廣，但在4 700 W 時(shí)，由于激光功率過(guò)大，焊縫處產(chǎn)生的匙孔貫穿了整個(gè)板厚，并且在此過(guò)程中，由于小孔內(nèi)熔化金屬的流動(dòng)性，部分焊縫金屬因重力作用而向下塌陷，進(jìn)一步影響了熔池的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致熔深下降。

圖5 激光功率對(duì)焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響Fig.5 Effect of laser power on penetration, width and penetration to width ratio of welded joints

2.2 焊接速度對(duì)焊接接頭宏觀形貌的影響

在激光功率為4 100 W、芯環(huán)比為65%、離焦量為?2 mm 條件下，在50～250 mm/min 區(qū)間內(nèi)改變焊接速度，增量設(shè)為50 mm/min。不同焊接速度下焊接接頭正背面形貌與橫截面如圖6 所示。如圖6a 所示，當(dāng)焊接速度為50 mm/min 時(shí)，在焊縫后端發(fā)生了焊縫金屬下塌的現(xiàn)象。從圖6d 可以看出，當(dāng)焊接速度為200 mm/min 時(shí)，焊縫中段出現(xiàn)未焊透的情況。而在圖6e 中，隨著焊接速度繼續(xù)增大到250 mm/min，焊縫背面幾乎全部未被焊透。由圖6d 和圖6e 可以看出，在焊接速度為200 mm/min 和250 mm/min 時(shí)，焊縫后端均出現(xiàn)了局部咬邊缺陷。焊接速度的大小在一定程度上影響著單位時(shí)間內(nèi)的焊接熱輸入，如果焊接速度相對(duì)較慢，小孔內(nèi)熔化金屬則會(huì)增多，而金屬的表面張力無(wú)法維持寬而大的熔池內(nèi)液態(tài)金屬量，反沖壓力和固液表面張力在沒(méi)達(dá)到理想的平衡情況下，會(huì)導(dǎo)致焊縫發(fā)生下塌現(xiàn)象[25]。此外，未焊透的主要原因在于焊接速度過(guò)快，單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入不足，使匙孔熔化深度不夠。在這種情況下，鋼板表面的固相和液相對(duì)激光的吸收率都不足，由材料氣化而產(chǎn)生的等離子氣體與激光相互作用的效果減弱，從而導(dǎo)致焊縫部分區(qū)域出現(xiàn)未熔合的情況。

圖6 焊接速度對(duì)焊接接頭宏觀形貌的影響Fig.6 Effect of welding speed on macroscopic morphology of welded joints

焊接速度對(duì)焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響如圖7 所示。可以看出，隨著焊接速度在50～250 mm/min內(nèi)逐步增大，焊接接頭的熔深、熔寬大體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。熔深從1.42 mm 緩慢下降到1.33 mm，而熔寬從1.44 mm 下降到1.02 mm，變化幅度較大。深寬比最大值出現(xiàn)在焊接速度最小時(shí)，最大值出現(xiàn)在焊接速度最大時(shí)，在焊接速度為150 mm/min 處出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，此時(shí)的深寬比為1.22。隨著焊接速度的增大，激光停留時(shí)間縮短，熔池高溫停留的時(shí)間也變短，導(dǎo)致熱輸入減小，進(jìn)而導(dǎo)致熔池凝固時(shí)間減短，出現(xiàn)熔深、熔寬值降低的現(xiàn)象。但焊接速度也不能過(guò)慢，焊接速度過(guò)慢會(huì)使熱輸入時(shí)間變長(zhǎng)，焊縫金屬在高溫下停留的時(shí)間過(guò)久。這會(huì)導(dǎo)致熔化金屬過(guò)度流動(dòng)，超過(guò)了焊縫所需范圍，進(jìn)而會(huì)燒穿焊縫。此外，過(guò)長(zhǎng)的高溫停留時(shí)間也會(huì)引起熱影響區(qū)的擴(kuò)散，對(duì)周圍材料造成不良影響，降低焊接接頭的質(zhì)量和穩(wěn)定性。在激光功率一定的情況下，合適的焊接速度可以獲得成形良好的焊縫，并且在實(shí)際生產(chǎn)中，焊接速度直接影響了產(chǎn)品生產(chǎn)效率。因此，在選取焊接速度時(shí)，不僅要保證焊接接頭的美觀性，符合其性能的使用性要求，而且同樣要考慮焊接速度對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)效率的影響。

圖7 焊接速度對(duì)焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響Fig.7 Effect of welding speed on penetration, width and penetration to width ratio of welded joints

2.3 芯環(huán)比對(duì)焊接接頭宏觀形貌的影響

保持激光功率為4 100 W、焊接速度為150 mm/min，離焦量為?2 mm 不變，在55%～75%區(qū)間內(nèi)以5%為增量逐漸提升芯環(huán)比。不同芯環(huán)比下焊接接頭正背面形貌和橫截面如圖8 所示。可以看出，隨著內(nèi)環(huán)功率占比的提高（即芯環(huán)比的增大），焊縫背面的成形質(zhì)量逐漸變差。當(dāng)芯環(huán)比為70%時(shí)，焊縫出現(xiàn)局部燒穿現(xiàn)象。而當(dāng)芯環(huán)比為75%時(shí)，焊縫背面出現(xiàn)大面積的燒穿情況。這是因?yàn)楫?dāng)芯環(huán)比超過(guò)一定閾值時(shí)，中心光斑的功率過(guò)高，導(dǎo)致焊縫成形質(zhì)量下降，如圖8d 和圖8e 所示。相反，在芯環(huán)比為50%～65%時(shí)，焊接接頭的成形質(zhì)量相對(duì)較好，如圖8a～c 所示。也就是說(shuō)，當(dāng)芯環(huán)比適當(dāng)時(shí)，焊縫的成形質(zhì)量較好。此外，當(dāng)芯環(huán)比相對(duì)下降時(shí)，熔池的渦流受到外環(huán)能量的抑制效果增強(qiáng)，熔池的動(dòng)態(tài)性相對(duì)穩(wěn)定，有助于焊接接頭的成形和質(zhì)量穩(wěn)定。

圖8 芯環(huán)比對(duì)焊接接頭宏觀形貌的影響Fig.8 Effect of core on macroscopic morphology of welded joints

芯環(huán)比對(duì)焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響如圖9 所示?？芍?，隨著芯環(huán)比在55%～75%內(nèi)逐漸增大，焊接接頭的熔寬呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，熔寬的最大值為1.26 mm，出現(xiàn)在60%芯環(huán)比時(shí)，最小值出現(xiàn)在75%芯環(huán)比時(shí)，為1.01 mm。而熔深在芯環(huán)比為55%～65%時(shí)較理想，此時(shí)外環(huán)前端預(yù)熱金屬、尾部穩(wěn)定熔池的作用較明顯。隨著芯環(huán)比繼續(xù)提升，熔深也開(kāi)始逐步降低至1.31 mm。深寬比總體呈W 形上升，在60%芯環(huán)比時(shí)最低，為1.08，在75%芯環(huán)比時(shí)最高，為1.30。芯環(huán)比對(duì)焊縫的尺寸影響顯著，因此，選擇合適的芯環(huán)比能夠充分體現(xiàn)焊接特性，得到較好的熔深、熔寬以及成形美觀的焊接接頭。

圖9 芯環(huán)比對(duì)焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響Fig.9 Effect of core on penetration, width and penetration to width ratio of welded joints

2.4 離焦量對(duì)焊接接頭宏觀形貌的影響

固定激光功率為4 100 W、焊接速度為150 mm/min、芯環(huán)比為65%不變，使離焦量從0 mm 逐漸降低到?4 mm，每次降低1 mm。不同離焦量下的焊接接頭正背面形貌和橫截面如圖10 所示。從圖10a 可以看出，當(dāng)離焦量為0 mm 時(shí)，焊縫背面出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的燒損變色，并且在焊縫兩側(cè)產(chǎn)生了飛濺。然而，隨著離焦量從0 mm 降到?4 mm，背面焊縫兩側(cè)的燒損變色情況有所減輕，并且在尾部出現(xiàn)了局部未熔合的情況，如圖10d 所示。以上現(xiàn)象表明改變離焦量會(huì)影響激光功率的密度，進(jìn)而對(duì)焊縫成形產(chǎn)生影響。當(dāng)離焦量為0 mm 時(shí)，激光的焦點(diǎn)會(huì)直接作用于工件表面，由于激光焦點(diǎn)的能量密度極高，容易引起比較嚴(yán)重的燒損變色和飛濺。當(dāng)離焦量為?3 mm 和?4 mm 時(shí)，激光焦點(diǎn)與工件的距離較大，焦點(diǎn)的熱能無(wú)法充分集中在焊接區(qū)域，導(dǎo)致焊接部位的熔池量減少，從而影響了熔化金屬對(duì)焊縫的填充，出現(xiàn)尾部未熔合的現(xiàn)象。

圖10 離焦量對(duì)焊接接頭宏觀形貌的影響Fig.10 Effect of defocus amount on macroscopic morphology of welded joints

離焦量對(duì)焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響如圖11 所示?？梢杂^察到，離焦量對(duì)焊接接頭熔深、熔寬和深寬比有一定的影響。在0～?4 mm 區(qū)間內(nèi)，深寬比呈現(xiàn)先減小后增大再較小的趨勢(shì)。在離焦量由0 mm 降至?4 mm 的過(guò)程中，熔深呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)：在離焦量為?2 mm 時(shí)，熔深最大，為1.42 mm，而在離焦量為?4 mm 時(shí)，熔深最小，為1.35 mm。這表明較小的離焦量會(huì)導(dǎo)致焊縫過(guò)深，而較大的離焦量則會(huì)導(dǎo)致焊縫相對(duì)較淺。在離焦量為0 mm 時(shí)，熔寬最小，僅為0.98 mm，在離焦量為?2 mm 時(shí)，熔寬最大，為1.16 mm。焊縫熔寬主要與激光作用面積及能量密度有關(guān)，因此離焦量的變化會(huì)影響熔寬的大小。通常當(dāng)離焦量為負(fù)時(shí)焊接試板內(nèi)部的功率密度較高，熔池內(nèi)部金屬受激光熱輻射充分，容易獲得較大的熔深。

圖11 離焦量對(duì)焊接接頭熔深、熔寬和深寬比的影響Fig.11 Effect of defocus amount on penetration, width and penetration to width ratio of welded joints

3 結(jié)論

探究了不同工藝參數(shù)（激光功率、焊接速度、芯環(huán)比、離焦量）下焊接接頭正背面形貌及其對(duì)熔深、熔寬及深寬比的影響，得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)激光功率為4 100 W 時(shí)，焊接接頭成形較好。隨著激光功率從3 500 W 逐步增大到4 400 W，熔深從1.37 mm 提高至1.44 mm。然而，當(dāng)激光功率達(dá)到4 700 W 時(shí)，焊縫后半部出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象，并且此時(shí)的熔深最小，僅為1.35 mm?？傮w而言，焊縫深寬比呈下降趨勢(shì)。

2）當(dāng)焊接速度為150 mm/min 時(shí)，焊接接頭成形較好。隨著焊接速度從 50 mm/min 逐步增大至250 mm/min，焊接接頭的熔深和熔寬基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在焊接速度為250 mm/min 時(shí)，焊縫背面幾乎完全未被焊透，而深寬比呈上升趨勢(shì)。

3）芯環(huán)比對(duì)焊縫尺寸的影響顯著。隨著芯環(huán)比從50%逐步增大到75%，焊縫寬度增大，且背面成形逐漸變差。當(dāng)芯環(huán)比為65%時(shí)，焊接接頭無(wú)明顯缺陷；然而，當(dāng)芯環(huán)比為75%時(shí)，焊縫出現(xiàn)了大范圍的燒穿現(xiàn)象。

4）當(dāng)離焦量為?2 mm 時(shí)，焊接接頭成形較好。隨著離焦量從0 mm 降低至?4 mm，焊縫背面兩側(cè)燒損變色情況有所減輕，焊縫熔寬在離焦量為0 mm 時(shí)最小，在離焦量為?2 mm 時(shí)最大。而焊縫熔深先增大后減小，在離焦量為?2 mm 時(shí)達(dá)到最大值，深寬比的變化趨勢(shì)是先減小后增大再減小。