车用高强钢激光焊接工艺参数优化

冯艳鹏，朱加雷，焦向东，石庭深，张永明,杨宝林，马铭言

（北京石油化工学院 机械工程学院，北京102617）

车用高强钢激光焊接工艺参数优化

冯艳鹏，朱加雷，焦向东，石庭深，张永明,杨宝林，马铭言

（北京石油化工学院 机械工程学院，北京102617）

激光焊接可以实现能量输入连续变化，对薄板焊接优势突出。焊接效果受激光功率、焊接速度、离焦量、气体保护等因素影响。为快速确定高强钢的最佳焊接参数，采用正交试验设计方法，分别分析各因素水平下对接和搭接焊接接头的抗拉伸和抗剪切性能指标。通过方差分析，确定最佳工艺参数的参考值，再结合焊缝形貌，确定最终优化参数。实验表明，针对1 mm厚的DP590高强钢板，当激光功率1.8 kW、焊接速度25 mm/s、正离焦量2 mm时对接焊质量最优；激光功率2.2 kW、离焦量-2 mm、焊接速度15 mm/s时搭接焊质量最优。

车用高强钢；激光焊接；正交试验；力学分析

0 前言

DP590高强钢的微观组织主要为铁素体和马氏体，并且马氏体组织以岛状弥散分布在铁素体机体上。铁素体使高强钢具备较好的成形性，马氏体使其具有较高的强度。与普通高强钢相比，DP590高强钢成分控制更加精确、机械性能更加稳定、具备更好的成形性能，在汽车工业领域具有很好的应用前景。激光焊接具有焊接速度快、热输入可控、焊后变形小、焊接参数稳定便于自动化控制等优点，除此之外，激光焊接过程中产生的小孔效应和壁聚效应能大大改善激光与物质的相互作用，增大焊缝的深宽比，更重要的是，焊接过程中激光对焊缝有净化效应，使焊缝中的有害元素大大减少，表面更加光洁[1-2]。针对DP590材料进行激光焊接工艺的研究，因为激光焊接的控制参数比较多，试验量巨大，采用正交实验设计可以减少实验次数，缩减工作量同时还可以定性和定量的分析各个参数对试验结果的影响程度。本实验的顺利开展将为DP590高强钢板在汽车行业的大量使用打下一定的技术基础。

1 实验程序和设备

试验母材选用200 mm×60 mm×1 mm的DP590高强钢，采用4 kW的IPG光纤激光焊接设备进行焊接。焊接过程采用氩气保护，防止焊缝材料被氧化。焊接接头采用对接和搭接两种形式。调节各工艺参数进行连续激光焊接，焊后对焊缝进行检测，确定无超标缺陷后制作相应的性能测试试件，进行拉伸试验和剪切试验。

2 建立正交试验模型

高强钢激光焊接的影响因素有激光功率、焊接速度、离焦量、保护气体流量、线能量、功率密度等，合适的线能量是焊接成功的前提，但为避开激光功率、速度、线能量的交互效应，选取激光功率、焊接速度、离焦量三个因素进行正交试验设计，每个因素取4个水平，即L1（643），其中激光功率变化1.2～2.2 kW，对接焊速度变化20～35 mm/s，搭接焊接速度变化10～17.5 mm/s，离焦量变化-2～5 mm，查阅正交试数据验表格式，确定试验参数见表1[3]。

表1 试验参数

3 实验结果分析

3.1 测试试样

对接焊缝的拉伸强度和搭接焊缝的抗剪切强度是薄板焊接力学性能最基本也是首要的测试指标，必须进行拉伸性能和抗剪切性能测试实验[4]。选取经检验合格的试板，按照GB2651-89《焊接接头拉伸试验方法》和GB2652-89《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》制作焊接拉伸试件。试件如图1、图2所示。

图1 对接拉伸试样

图2 搭接拉伸试样

3.2 对接实验结果分析

通过实验数据绘制如下因素与指标的趋势图，如图3所示，针对因素水平对实验指标变化的影响趋势进行直观分析。

为保证实验数据的正确性，同一焊接参数下取三个试件实验指标的平均值。通过对图3a分析可知，当激光功率小于1.8 kW时，抗拉强度随着激光功率的提高而快速增大；当激光功率大于1.8 kW时，抗拉强度随着激光功率的提高而缓慢减小；当激光功率等于1.8 kW时，抗拉强度取得最大值，但与2.2kW时的抗拉强度差值不大。通过对图3b分析可知，当焊接速度低于25 mm/s时，抗拉强度随着焊接速度的提高而缓慢增加；当焊接速度大于25 mm/s时，抗拉强度随着焊接速度的提高而快速减小；当焊接速度等于25 mm/s时，抗拉强度达到最大值且与20 mm/s时的抗拉强度差值不大。通过对图3c分析，可以得出当离焦量小于2mm时，抗拉强度随着离焦量的增大而快速增大；当离焦量大于2 mm时，抗拉强度随着离焦量的增加而缓慢减小且与离焦量为5 mm时差值不大。对于离焦量而言，虽然正离焦2 mm的抗拉强度大于5 mm时的抗拉强度，但是离焦量越大，光斑直径越大，对被焊件的组对间隙要求越低，对实际生产越有利。因为激光功率1.8 kW、焊接速度25 mm/s、正离焦量2 mm的参数并没有在正交数据表中，所以在激光功率1.8 kW、焊接速度25 mm/s、正离焦量2 mm最佳参数下进行焊接实验，并与正离焦5 mm下焊接结果进行对比分析。一般情况下，离焦量越大，光斑直径就越大，焊缝宽度就越大。经对比，正离焦量2 mm试件的焊缝和热影响区宽度反而大于正离焦量5 mm的试件且均在母材断裂。原因分析如下，虽然正离焦量5 mm的光斑直径大于2mm的，但正离焦量2mm的功率密度大于5 mm的，由此引起正离焦量2 mm的温度梯度大于5 mm的，导致Marangoni对流和浮力效应引起的对流对熔宽影响作用强于光斑直径对熔宽的影响[5]。在满足力学指标的前提下，窄焊缝相对较好，所以激光功率1.8 kW，焊接速度25 mm/s，正离焦量5 mm下焊接效果更优。

图3 不同因素对抗拉强度影响趋势

3.3 搭接实验结果分析

不同因素对剪切强度影响趋势如图4所示。

图4 不同因素对剪切强度影响趋势

由图4a可知，抗剪切强度随着激光功率的提高而增大。1.5 kW以上时，抗剪切强度差值不大，在2.2 kW时达到最大值。由图4b可知，焊接速度在12.5 mm/s以下，抗剪切强度随着焊接速度的增加而减小；焊接速度在12.5～15 mm/s时，抗剪切强度随着焊接速度的增加而有轻微增加；焊接速度超过15 mm/s时，抗剪切强度又急速减小。由图4c可知，抗剪切强度随着离焦量的增加而减小，在负离焦2 mm时取最大值。

4 正交试验方差分析

表2 对接焊接方差分析数据

表3 搭接焊接方差分析数据

方差分析不仅能够分析作用能力的相对大小，还能分析各因素的显著性水平。通过方差分析，可以为实验因素及因素水平选取提供方向并对选取的因素水平进行合理性验证[6]。用spss软件对实验数据进行方差分析，分析结果如表2、表3所示。由表2可知，对接焊时三因素的Sig.值均小于0.01且Fv> FΔf>Fp，说明焊接速度、离焦量、激光功率是高度显著性因素，同时焊接速度、离焦量、激光功率对抗拉强度影响的作用能力依次减弱。单独从抗拉强度上分析，各因素最佳水平应取在试验指标值最佳处，但焊缝质量还包括焊缝形貌（如熔宽、熔深、焊缝形状等），应再结合外观确定最终的最佳工艺参数。对接焊激光功率1.8 kW，焊接速度25 mm/s，正离焦量5 mm的工艺参数符合方差分析结果，选取合理。由表3可知，搭接焊时三因素的Sig.值均小于0.05且Fv>FΔf>Fp，说明焊接速度、离焦量、激光功率均是显著性因素，同时焊接速度、离焦量、激光功率对抗剪切强度影响的作用能力依次减弱。实际生产中应综合考虑焊缝外观和生产效率。因此搭接焊在首先选定激光功率最佳水平参考值2.2 kW、离焦量最佳水平参考值-2 mm后，对焊接速度进行调整，即进行焊接速度为10 mm/s、12.5 mm/s、15 mm/s下的焊接试验。对比测试结果后发现，15 mm/s的试件力学性能和外观最优。

5 结论

针对1 mm厚的DP590对接和搭接激光焊，采用正交试验设计和方差分析，不仅大大减少了试验数量和耗材，而且利用力学指标的方差分析结果为焊接因素水平提供选取方向，进而快捷、方便的确定最佳参数和各因素对试验指标影响的主次顺序。

（1）在对接焊初选参数范围内，焊接速度、离焦量、激光功率分别在25 mm/s、+5 mm、1.8 kW时，焊接接头外观和力学性能最优且三因素均为显著性因素。

（2）在搭接焊初选参数范围内，激光功率、离焦量、焊接速度分别在2.2 kW、-2 mm、15 mm/s时，焊接接头外观和力学性能最优且三因素均为显著性因素。

（3）对接焊时，三因素对抗拉强度影响的主次顺序为焊接速度、离焦量、激光功率。搭接焊时，三因素对剪切强度影响的主次顺序为焊接速度、离焦量、激光功率。

[1]陈根余，顾春影，梅丽芳，等.激光焊接技术在汽车制造中的应用与激光组焊单元设计[J].电焊机，2010，40（5）：32-38.

[2]徐国建，王虹，唱丽丽，等.激光焊接的特性[J].电焊机，2010，40（11）：57-64.

[3]苏允海，马大海，林金梁，等.高强钢振动焊接工艺参数的优化[J].焊接学报，2014，35(07):105-108.

[4]董丹阳，刘杨，王磊，等.应变速率对DP780钢激光焊接接头动态变形行为的影响[J].金属学报，2013，49（12）：1493-1500.

[5] Limmaneevichitr C，Kou S.Visualization of Marangoni convection-in simulated weld pools[J].Welding Research Supplement，2000：126s-135s.

[6]李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理［M］.北京：化学工业出版社，2008.

Optimization of parameters of laser welding high strength steel for vehicles

FENG Yanpeng，ZHU Jialei，JIAO Xiangdong，SHI Tingshen，ZHANG Yongming，YANG Baolin，MA Mingyan
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

The energy input of laser welding has a continuous range of variation and there are many advantages of using laser welding for thin plates.The quality of welding is impaired by laser power,welding speed,defocusing amount and shield gas flow rate.The experiment utilizes orthogonal test to search for optimum parameters and analyses the effect of different factors on test index of butt welding and lap welding.According to the result of analysis of variance and welding appearance，the final and optimal welding parameters can be confirmed.The experimental results show that，for butt welding of DP590，the optimal welding power is 1.8 kW,the optimal welding speed is 25 mm/s and the optimal defocusing amount is+5 mm;for lap welding of DP590，the optimal welding power is 2.2 kW,the optimal defocusing amount is-2 mm and the optimal welding speed is 15 mm/s.

high strength steel；laser welding；orthogonal test；mechanical property

TG456.7

：A

：1001-2303（2015）10-0030-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.06

2014-05-09；

：2015-01-20

国家自然科学基金青年基金（51205026），（51175 046)；北京市属高校创新团队建设提升计划（IDHT 20130516）；北京石油化工学院优秀青年教师和管理骨干培育计划项目（BIPT-BPOYTMB-2013）；北京石油化工学院大学生研究训练[URT]计划项目（2014J00049，2015J00084）

冯艳鹏（1988—），男，河南卫辉人，硕士，主要从事激光焊接工艺方面的研究工作。