陳 東 趙明揚(yáng) 朱天旭 朱思俊

1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,沈陽,110016 2.中國科學(xué)院研究生院,北京,100049 3.遼寧科技大學(xué),鞍山,114044

間隙對不等厚板激光拼焊焊縫質(zhì)量的影響及其補(bǔ)償方法研究

陳 東1,2,3趙明揚(yáng)1朱天旭1朱思俊1

1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,沈陽,110016 2.中國科學(xué)院研究生院,北京,100049 3.遼寧科技大學(xué),鞍山,114044

焊縫凹陷是激光拼焊板的常見缺陷之一,嚴(yán)重影響焊縫強(qiáng)度,間隙是產(chǎn)生焊縫凹陷的主要原因。基于理論分析和工藝試驗(yàn),研究了間隙的產(chǎn)生原因和對焊縫質(zhì)量的影響,分析了間隙與工藝參數(shù)等因素的關(guān)系。研究結(jié)果表明:在不等厚板激光拼焊中,允許間隙的大小主要與偏移量、板厚組合、焊縫寬度以及薄板最小熔寬有關(guān),薄板最小熔寬主要與鋼板的材料有關(guān)?？梢圆捎谜屏繉﹂g隙進(jìn)行補(bǔ)償。該研究通過建立最大允許間隙和偏移量的計(jì)算公式,給出了間隙的偏移量補(bǔ)償方法,從而提高了激光拼焊對間隙的適應(yīng)能力。該結(jié)果可為優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論指導(dǎo)。

激光拼焊;間隙;偏移量;不等厚板

0 引言

激光焊接技術(shù)是現(xiàn)代焊接技術(shù)的重要組成部分之一,具有高效率、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。激光拼焊是指將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼板在沖壓成形前用激光焊接在一起,然后進(jìn)行成形的技術(shù)。激光拼焊板在汽車車身制造上得到了廣泛的應(yīng)用,它對減輕汽車重量、減少材料消耗、減少加工工序、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)等都有十分重要的作用[2-3]。以汽車制造業(yè)為主要應(yīng)用背景的激光拼焊技術(shù)在國內(nèi)有很大的發(fā)展空間。

由于間隙對焊接質(zhì)量的影響較大,國內(nèi)外很多學(xué)者對其進(jìn)行了較深入的研究。采用向間隙填絲或填粉的方法可以消除或減小間隙的不良影響[4-5],但此類方法在焊縫中增加了異種材料,同時需要專門的填絲、填粉機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為,在激光拼焊中,由于冷卻收縮對兩側(cè)料片的拖曳作用,間隙在焊接過程中會縮小,因此當(dāng)間隙小于光斑直徑一半時,可以得到合格的焊縫。但該結(jié)論不適用于自動拼焊線,因?yàn)樽詣悠春妇€的夾緊系統(tǒng)限制了板材的自由移動[7]。

本文以中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的國內(nèi)首條全自動激光拼焊生產(chǎn)線為基礎(chǔ),對間隙與焊接質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行分析與研究,為減小間隙的影響提供補(bǔ)償方法,從而提高激光拼焊板的焊接質(zhì)量。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)在激光拼焊1號線上進(jìn)行(圖1)。激光器采用德國通快公司H L4006D型號Nd:YAG固體激光器,工作功率為 4kW,激光波長為1.06μm,光斑直徑為0.6mm,焦距為223mm 。焊縫質(zhì)量檢測設(shè)備有加拿大Servo-robot系統(tǒng)、多目倒置金相顯微鏡(5XB-PC)、三坐標(biāo)測量儀、硬度計(jì)等。

圖1 激光拼焊生產(chǎn)線1號線

焊接材料是普通冷軋鋼板(DC06),試驗(yàn)用鋼板厚度為0.5～3mm,材料的化學(xué)成分見表1,機(jī)械性能見表2。焊接時采用對接接頭直線焊縫,焊縫長度為400mm。

表1 材料的化學(xué)成分

表2 材料的機(jī)械性能

1.2 試驗(yàn)方法

為了研究間隙的影響,試驗(yàn)中采用形狀規(guī)則、尺寸準(zhǔn)確的間隙。焊前精銑板材接邊(焊接時的對接邊緣)以提高直線度,用塞尺測定間隙尺寸。試驗(yàn)中調(diào)整間隙、板厚組合和工藝參數(shù)(偏移量、激光功率、焊接速度、離焦量等),研究各因素間的相互關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 間隙的產(chǎn)生原因與影響

2.1.1 間隙的產(chǎn)生原因

由于激光的光斑直徑很小,焊接熔池的寬度有限,因此對焊接前兩板對接間隙有嚴(yán)格限制,過大的間隙將導(dǎo)致漏光及熔化的金屬不足,造成焊縫表面凹陷,嚴(yán)重降低抗拉強(qiáng)度,因此研究間隙對激光拼焊的影響及其補(bǔ)償方法很有意義。圖2為間隙對激光拼焊的影響示意圖。

間隙主要與板材接邊直線度和定位誤差有關(guān)。過盈量機(jī)制[8]的定位結(jié)果如圖3所示,此時對接間隙只與接邊直線度誤差 Δ1和Δ2有關(guān),定位后間隙會在[0,Δ1+Δ2]之間波動。普通剪板機(jī)的剪板精度為0.1mm/m,對于剪切下料的鋼板,間隙會在0～0.2mm之間波動。

圖2 間隙對激光拼焊的影響示意圖

圖3 間隙的產(chǎn)生過程

2.1.2 間隙對焊縫質(zhì)量的影響

為研究間隙大小對焊縫截面形貌和強(qiáng)度的影響,對厚度為1.5mm與2.5mm的鋼板組合,在0和0.2mm間隙下進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接時激光功率為3.5kW,焊接速度為3.5m/min,偏移量為0,離焦量為-1mm。從焊接結(jié)果可以看出,間隙G為0時(圖 4a)焊縫飽滿、平滑整齊;間隙G為0.2mm時(圖4b),熔化的金屬量不足以填滿料片間隙,焊縫余高不足,形成焊縫凹陷。圖5為對該組試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的結(jié)果,凹陷焊縫在3.1kN力作用下在焊縫處斷裂,而正常焊縫在4.4kN力作用下在母材處斷裂,可以看出凹陷焊縫強(qiáng)度明顯降低。

圖4 不同間隙的焊縫形貌

2.2 間隙的影響因素分析

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

間隙直接影響激光拼焊的焊縫質(zhì)量,下面通過數(shù)學(xué)模型來表達(dá)間隙、工藝參數(shù)以及其他相關(guān)因素之間的關(guān)系。為簡化問題,忽略焊縫表面與母材接觸處的過渡圓角,假設(shè)焊接前后無密度變化。

圖6a所示為在不等厚板焊接過程中,厚板上方熔化的金屬向薄板上方和焊縫間隙方向流動,焊接后形成如圖6b所示標(biāo)準(zhǔn)形狀焊縫。

圖5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖6 焊縫的形成

根據(jù)體積不變的原則,厚板上方被熔化金屬的體積應(yīng)該等于補(bǔ)償?shù)胶缚p間隙和薄板上方的體積,即

由式(9)變換可得

式(9)體現(xiàn)了間隙、偏移量、板厚組合之間的關(guān)系,從中可以看出,間隙與偏移量成正比,大的正偏移量適應(yīng)大的間隙,但其不可以無限增大。在激光總的熔化寬度(焊縫寬度)一定的條件下,正偏移量增加了熔化金屬的總量,導(dǎo)致薄板熔化寬度δ減小,而過小的薄板熔化寬度不利于焊縫的形成,甚至發(fā)生咬邊,因此偏移量受到薄板最小允許熔化寬度的制約。

根據(jù)圖7所示幾何關(guān)系可得薄板熔化寬度:

式中,δmin為薄板最小熔化寬度。

圖7 薄板熔化寬度

將式(9)、式(10)代入式(11)得

式中,Pmax為最大允許偏移量;Gmax為最大允許間隙。

2.2.2 偏移量作用分析與試驗(yàn)

在激光線能量與離焦量不變的情況下,激光的熔化寬度是一定的,正偏移量(激光光斑向厚板偏移)可以增加厚板的熔化寬度,即增加了熔化金屬的總量,因此可在一定程度上補(bǔ)償間隙的影響。當(dāng)采用正偏移量時,可用于補(bǔ)償?shù)慕饘袤w積S1增大,而需補(bǔ)償?shù)捏w積S2減小,即此時可以適應(yīng)更大的間隙。這與式(12)中的結(jié)果是一致的。

為研究光斑偏移量變化對焊縫截面形貌的影響,在不同偏移量下,對厚度為1.5mm與2.5mm鋼板組合進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接時激光功率為3.5kW,焊接速度為3.5m/min,離焦量為-1mm,焊縫間隙為0.15mm。如圖8a所示,光斑偏移量為-0.2mm時,激光熔化的金屬量不足以填滿間隙以形成平滑整齊的焊縫,焊縫余高不足,形成明顯的焊縫表面凹陷;在無偏移量的情況下(圖8b),焊縫表面略有凹陷;光斑偏移量為+0.2mm時(圖8c),熔化金屬量增加,得到的焊縫較為飽滿,表面平順。

2.2.3 薄板最小熔寬的確定

式(13)表達(dá)了間隙與薄板最小熔寬的關(guān)系,為確定薄板最小熔寬,對0.9mm與1.5mm鋼板組合進(jìn)行焊接試驗(yàn),焊接時有規(guī)律地調(diào)整偏移量(表3),焊接時的激光功率為4.0kW,焊接速度為5.5m/min,離焦量為0,焊縫間隙為0.06mm。

圖8 不同偏移量下的焊縫形貌

表3 偏移量數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)偏移量增大到0.42mm時薄板側(cè)出現(xiàn)輕微咬邊,偏移量為 0.47mm時(圖9),出現(xiàn)嚴(yán)重咬邊缺陷。假設(shè)焊縫截面形狀是標(biāo)準(zhǔn)的,通過式(11)可以計(jì)算出DC06車用鋼板的最小允許熔寬δmin為0.1mm。經(jīng)過對不同板厚、不同材料的鋼板進(jìn)行試驗(yàn),可知薄板的最小熔寬主要與鋼板的材料有關(guān),該參數(shù)需試驗(yàn)測定。

2.2.4 平均焊縫寬度的確定

式(13)表達(dá)了間隙與各參數(shù)間的關(guān)系,但模型中焊縫寬度是待定的。文獻(xiàn)[8]在研究激光深熔焊穿透能力時建立的數(shù)學(xué)模型,是體現(xiàn)焊接時平均焊縫寬度與激光能量、焊接速度以及材料屬性等關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,在聚焦良好的情況下,該模型可用于估算在指定焊接條件下的平均焊縫寬度,其模型可表示為

圖9 焊縫截面(P=0.47mm)

式中,PL為激光功率,kW;rf為材料的反射率;v為焊接速度,m/s;ρ為材料的密度,kg/m3;cP為材料的質(zhì)量定壓熱容,J/(kg?K);Tmelt為材料的熔化溫度,K。

3 討論與應(yīng)用

本文研究了能得到合格焊縫的最大允許間隙,間隙的大小決定于拼焊線定位精度和板材接邊直線度,而接邊直線度取決于下料方法,不同下料方法(剪切、精銑等)的精度、效率和成本是不同的。本文的研究結(jié)果可從精度要求角度為下料方法的選擇提供依據(jù)。本文明確了焊接質(zhì)量、間隙、工藝參數(shù)、板材厚度等因素之間的相互關(guān)系,可為焊接工藝參數(shù)的制定提供理論指導(dǎo)。

為驗(yàn)證研究結(jié)果,做如下試驗(yàn):采用厚度為0.9mm與1.5mm鋼板組合進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接時激光功率為4.0kW,焊接速度為5m/min,離焦量為-0.7mm。

由式(15)計(jì)算的該條件下的焊縫寬度為W=0.88mm,代入式(13)得最大允許間隙為Gmax=0.12mm,代入式(12)得需采用的偏移量為P max=0.27mm。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性,焊接定位中設(shè)定0.12mm的間隙,用上述工藝參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。通過工藝參數(shù)優(yōu)化,得到了較理想的焊縫形貌。

圖10 采用優(yōu)化參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

①焊接中容許的間隙大小主要與光斑偏移量、板厚組合、焊縫寬度以及薄板最小熔寬有關(guān);薄板最小熔寬主要與鋼板的材料有關(guān),其參數(shù)需試驗(yàn)測定。②對于不等厚板的激光拼焊可以采用正偏移量對間隙進(jìn)行補(bǔ)償,正偏移量的最大值受薄板最小熔寬制約。③本文的研究結(jié)果可為工藝參數(shù)的制定和下料方法的選擇提供理論指導(dǎo)。

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Research on Effectsof Gap on Weld Quality of Unequal-thickness Blanks Tailored Laser Welding and Its Compensation Method

Chen Dong1,2,3Zhao Mingyang1Zhu Tianxu1Zhu Sijun1
1.Shenyang Institute of Automation of the Chinese Academy of Sciences,Shenyang,110016 2.Graduate School of the Chinese Academ y of Sciences,Beijing,100049 3.Liaoning University of Science and Technology,Anshan,Liaoning,114044

Sunken weld is one of the common defects of tailor welded blanks,which seriously affects the strength of w eld,and gap is themain reason for sunken weld.The effects of gap on weld quality and reasons for gap were studied,and the relationship between gap and process parameters was discussed based on theoretical analyses and experiments.The results show that gap relates to offset,blank thickness,w eld w idth and theminimum meltingw idth of thinner blanks.Them inimum melting width of thinner b lanks w as related to the materials of b lanks.Positive offset can compensate the harm fu l effects of gap.Themodels for them aximum gap and offset to lerancewere proposed,and a com pensation method w as also given,thus the adap tability o f the gap was enhanced.The resu lts can p rovide theoretical guidance for the optimization of p rocess parameters.

tailored laser welding;gap;offset;steel sheet o f different thickness

TG456.7;TG439.4

1004—132X(2011)12—1489—05

2010—08—13

中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(07F7060701)

(編輯 何成根)

陳 東,男,1972年生。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、中國科學(xué)院研究生院博士研究生。遼寧科技大學(xué)講師。主要研究方向?yàn)榧す馄春浮０l(fā)表論文5篇。趙明揚(yáng),男,1958年生。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研究員、博士研究生導(dǎo)師。朱天旭,男,1975年生。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所助理研究員。朱思俊,男,1978年生。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所副研究員。