激光螺旋点焊和电阻点焊DC06镀锌钢接头组织和性能_周斌.pdf

激光螺旋点焊和电阻点焊 DC06 镀锌钢接头组织和性能周斌1,2，陈捷狮1,2,3，张杨1,2，张文帅1,2，杨尚磊1,2，陆皓3(1.上海工程技术大学,上海,201602；2.上海市激光先进制造技术协同创新中心,上海,201620；3.上海交通大学,上海,200240)摘要：对比研究了激光螺旋点焊和电阻点焊工艺对 DC06 镀锌钢接头成形、微观组织和力学性能(显微硬度和剪切性能)的影响规律.结果表明，两种工艺均能获得成形良好的焊接接头，激光螺旋焊接头微观组织主要为铁素体(F)和少量渗碳体(Fe3C)；电阻点焊接头微观组织主要为贝氏体(B)和铁素体(F).由于内外散热不均匀，激光螺旋点焊熔核区中心形成不同硬度的等轴晶，周围为具有明显取向的柱状晶，硬度值为 130 160 HV10；电阻点焊熔核区冷速相近，无明显硬度梯度，硬度在 190 HV10 左右.激光螺旋点焊拉剪承载载荷为 10.14 kN，比电阻点焊的8.82 kN 提升了 13.02%.接头失效形式分析发现：激光螺旋点焊和电阻点焊的失效形式分别为撕出型和拔出型，激光螺旋点焊由于热影响区组织塑性较好，接头受到拉剪作用时更易产生大角度转动而吸收更多的能量，具有更好的力学表现.最后，还对搭接间隙和锌镀层对激光螺旋点焊接头力学性能的影响进行讨论.创新点：(1)针对 DC06 镀锌钢的激光螺旋点焊与电阻点焊对比研究.(2)激光螺旋点焊熔合区存在明显硬度梯度，而电阻点焊不明显.(3)激光螺旋点焊抗拉剪能力较电阻点焊接头提高了 13.02%.关键词：镀锌钢板；激光螺旋点焊；电阻点焊；力学性能；可靠性中图分类号：TG456.7;TG47文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.202207170020序言DC06 超深冲镀锌钢板由于良好的加工性能和耐腐蚀性，以及低廉的成本，在汽车车身部件上被广泛使用1.电阻点焊是汽车工业中应用最广泛的车身连接技术，汽车上的点焊数量从 2000 到 5000不等，显示了电阻点焊在汽车装配中的广泛应用.但电阻点焊仍存在生产效率、夹具设计和可达性等不足2-3，如采用机械焊接夹具反复移动和接触，生产效率低2.接触电极由于金属附着力容易损坏电阻焊头发生故障，具体的结构设计和几何轮廓也需要不同的焊接夹具形状，也存在接头可达性问题3.激光螺旋点焊(Laser Screw Welding)是一种新型激光焊接技术，高功率激光通过激光器产生，经过高速偏转的振镜系统，使激光以预设的路径运行.区别于传统的激光焊接的机械运动调整激光路径，使用振镜系统调整光路具有反应灵敏，自由度高，焊接速度快，焊接光斑小，能量利用率高等优点，可以实现工件的精密焊接4-5.Thiel 等人6研究了静态光束与振荡光束对铝合金的焊接效率的影响，发现在相应振荡振幅下，光束直径 df=100 m的焊接效率比光束直径 df=450 m 和 df=150 m的静态光束得到了提高，并且节省了 1/4 的激光功率，而孔隙数量和面积以及焊缝的表面质量都没有受到负面影响.Yamazaki 等人7使用振镜扫描激光和金属焊丝进行窄间隙的焊接，他们发现振镜激光可以实现缝隙宽度 3 5 mm，间隙角 3 4的窄间隙焊接，对比于静态光束，使用振镜激光焊接焊接变形小，产生的焊接应力区域小，可以防止在焊缝底部的不良焊接.李俐群等人8研究了搭接间隙对激光螺旋点焊成形和力学性能的影响，他们发现焊点强度主要受到锌蒸气逃逸情况和焊点处承载面积的影响，适当增加间隙有利于锌蒸气的逃逸，可以避免焊接缺陷，提高剪切强度.Hao 等人9研究了奥氏体不锈钢光纤激光扫描焊接的焊缝形成收稿日期：20220717基金项目：国家自然科学基金(51805316)；上海市科委专业技术服务平台(21DZ2294200)；上海市科委地方高校能力建设项目(20030500900).第44卷第6期2 0 2 3 年 6 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(6):41 49June 2023机制，发现在焊接速度低于 24 m/min 的锁孔模式下，焊接渗透度与焊接速度成反比并急剧下降.而振镜激光可以实现焊接速度大于 48 m/min，形成的热传导模式中焊接渗透深度与焊接速度几乎保持稳定，从而形成稳定可靠的焊缝.综上所述，激光螺旋点焊具有生产效率高、装配精度要求低和可达性强等电阻点焊无法比拟的优势.但是目前关于两种工艺对比研究较少.因此，文中以汽车广泛用的 DC06 镀锌钢为研究对象，设计了激光螺旋点焊和电阻点焊两种焊接接头，对比研究了两种工艺对 DC06 镀锌钢接头成形、微观组织和力学性能(显微硬度和剪切性能)的影响规律，为 DC06 镀锌钢板连接的工程应用提供参考.1试验方法1.1试验材料试验所用的母材为 DC06 超深冲冷轧镀锌钢板，公称板厚为 1.2 mm，镀锌层厚度为 50 m，DC06 镀锌钢板化学成分如表 1 所示，力学性能如表 2 所示.表1DC06 镀锌钢板化学成分(质量分数，%)Table1ChemicalcompositionofDC06galvanizedsteelsheet CSiMnPSTiAlFe0.0050.0300.2000.0200.0150.030 0.0800.010 0.060余量 表2DC06 镀锌钢板力学性能Table2Mechanical properties of DC06 galvanizedsteel 屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A80(%)塑性应变比r应变硬化指数n120 170270 350 41 2.1 0.220 1.2试验内容激光螺旋点焊试验所使用的激光设备为Trumpf TruDisk16002 型激光器，激光波长 1 030 nm，最大激光输出功率 8 kW，光斑直径 540 840 m.搭配电镀 PFO 镜头为 Blackbird intelliWELD II FT，摆动频率 0 6 kHz，扫描范围(220 70)mm(220 70)mm.激光试验前将原材料切成 100 mm 20 mm 的板材，使用标准垫片制造搭接间隙，使用夹具固定两端，试验平台原理如图 1 所示.试验中激光扫描路径采用 R1 R5依次增大的 5 段涡状线形成的闭环.保护气体采用 82%Ar+18%CO2，气体流量 15 L/min，进行侧吹保护，其它工艺参数如表 3 所示.电阻点焊试验所使用的设备为 HFDB-100 中频电焊机，额定容量 2 80 kW，最大短路电流 38 kA，额定负载持续率 20%，次级电压 9.6 V，冷却水消耗量 25 L/min，其它工艺参数如表 4 所示.1.3测试手段沿焊接接头中心切开制作金相试样，打磨、抛 驱动电机 1驱动电机 2间隙 焦距d振镜 1振镜 2激光发生器塞尺夹具上板1.2 mm1.2 mm下板R3R3R1R1R2R2R5R5R4R4开始点开始点结束点结束点入射角由内向外由外向内r 图1试验平台示意图Fig.1Schematicdiagramofthetestplatform42焊 接 学 报第44卷光后使用 4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，在 VHX-5000 型三维显微镜下观察接头截面的宏观形貌及微观组织.对样品进行机械抛光，然后使用 90%CH3COOH+10%HClO4 的溶液在 0.3 A 电流，18V 电压和 24 下电解抛光 30 s，使用 LYRA3TESCAN 聚焦离子束扫描电镜观察微观组织，工作时电场电压 15.0 kV，焦距 10 mm.使用电子背散射衍射仪(EBSD)研究其晶粒尺寸及取向，使用全自动显微硬度计测试焊接接头及母材区域硬度分布.拉剪试验在 MTS 600 kN 级万能试验机进行，拉伸速度 2 mm/min，拉伸试样为非标准样，具体尺寸如图 2 所示，进行拉伸时上下采用垫板使接头处于 受 力 中 心.拉 伸 试 验 完 成 后 使 用 LYRA3TESCAN 聚焦离子束扫描电镜观察断口形貌，分析拉伸试样的主要断裂机制.1752525焊点搭接间隙 图2拉伸件尺寸示意图(mm)Fig.2Schematic diagram of the dimensions of thetensileparts 2试验结果及分析2.1焊接接头宏观形貌分析图 3 为激光螺旋点焊不同热输入下接头表面成形及截面形貌，可以看出，根据热输入量从小到大截面分为 U 形接头、H 形接头和 V 形接头 3 种形貌特征.当热输入小于 505 J/cm 时，如图 3a 所示，接头表面形貌呈起伏不平的椭圆形，截面呈现U 形，上板金属仅有部分与下板熔接，但并未熔透，接头熔合处形成两段趾状形貌，这是由于热输入不足导致金属熔化不充分，相邻两道焊缝未能形成良好的搭接区域；当热输入在 505 610 J/cm 时，如图 3b 所示，接头表面呈光滑的正圆形，截面呈H 形，金属被充分熔化，熔池受重力作用向下发生一定凹陷，接头完全熔透；当热输入大于 610 J/cm 表3激光螺旋点焊焊接工艺参数Table3Laserscrewweldingprocessparameters 激光功率P/kW扫描速度vs/(mms1)板间间隙g/mm扫描方向扫描路径l/mm离焦量D/mm3.5 5.585 1050 0.5由内向外R1=0.7，R2=1.4，R3=2.1，R4=R5=2.85 +5 表4电阻点焊焊接工艺参数Table4Resistancespotweldingprocessparameters 预压时间t1/ms预热电流I1/kA预热时间t2/ms冷却时间t3/ms焊头压力P1/MPa焊接电流I/kA作用时间t/ms50330200.45 0.557 10200 400 1 mm1 mm1 mm(a)低热输入(b)中热输入(c)高热输入孔隙 图3不同热输入下接头表面(见插图)及截面形貌Fig.3Surface(seeinset)andcross-sectionalshapeofthejointunderdifferentheatinputs.(a)lowheatinputl;(b)mediumheatinput;(c)highheatinput第6期周斌，等：激光螺旋点焊和电阻点焊 DC06 镀锌钢接头组织和性能43时，如图 3c 所示，接头表面呈带缺口的圆形，截面上部呈现 V 字缺口，这是由于激光能量过大，激光在熔池产生了匙孔效应，对熔池产生了过大的搅拌作用，快速冷却之后形成表面缺口，同时也在接头内部产生了较大的孔隙.E=P 在确定焊接工艺中热输入的情况下，根据激光热输入公式10(为激光效率，P 为激光输出功率，为焊接速度)可以确定合适的工艺窗口，试验中激光效率 选取为 0.8.图 4 为激光螺旋点焊工艺窗口，激光热输入低于 505 J/cm 时，接头处于未熔合状态，热输入在 505 610 J/cm 时接头正常熔合，当热输入大于 610 J/cm 时接头过熔合.通过对低功率低速度与高功率高速度两种方案进行对比发现，高功率高速激光螺旋点焊形成的接头质量较好，高速焊接可以减少激光对熔池的作用，减小熔池波动，避免材料过度汽化而造成塌陷、气孔等焊接缺陷11.3.03004005006007008003.54.04.5额定功率 P/kW未熔合610 J/cm热输入 E/(Jcm1)5.05.56.0 图4激光螺旋点焊工艺窗口Fig.4Laserscrewweldingprocesswindow 图 5 为不同工艺参数下电阻点焊熔核区尺寸图，控制焊头作用时间 t 为 200 ms，图 5a 焊头压力P1与焊接电流 I 均最小，熔核区尺寸最小；图 5b 仅增大焊头压力 P1，熔核区尺寸增大，上下表面向内凹陷，板间夹缝明显；图 5c 仅增大焊接电流 I，熔核区尺寸最大，上下表面向内轻微凹陷.对比发现焊接电流 I 对熔核区尺寸影响最大，焊头压力 P1会对板间夹缝造成影响.2.2焊接接头微观组织分析