【摘要】本文论述了超高强钢(UHS)薄板焊接工艺的进展，焊接采用光纤传输固态激光器，确定了焊缝的强暖和成形性能。采用三种不同的光纤传输固态激光器对厚度0.8～15mm、拉伸强度600～1550MPa同种材料和不同材料组合的双相钢(DP)、相变诱发塑性钢(TRlP)、Usibor钢和硼钢进行自发二氧化碳激光焊接试验，以获得穿透的对接搭接双相焊缝。确定了熔合区和热影响区的硬化、软化行为，还分析了激光工艺参数对焊接速度、焊缝形貌及接头性能的影响。
一、概述
提高燃油效率、降低尾气排放的要求促使汽车工业采用高强重比的材料，如采用超高强钢和铝合金来降低汽车的自重。由于75%的汽车燃油消耗直接与汽车重量相关，人们已经认识到采用超高强钢减重的潜在好处。UHS钢的激光焊接技术，应用于拼焊板以及连续或有接缝的白车身，将对汽车减重做出贡献。本论文讲述了UHS钢薄板连接的焊接工艺进展，采用光纤传输的固态激光器确定了焊缝的性能和成形性。研究了一系列UHS钢的对接和搭接焊缝结构，厚度0.8～1.5mm。
二、试验
1．材料
激光焊接试验用材料的厚度为0．8～1.5mm、最小拉伸强度600～150MPa的UHS钢，对接搭接接缝结构。
厚度0.8mm，涂锌DP600钢
厚度1.0mm，涂锌DP800钢
厚度0.8mm，无涂层DP1000钢
厚度0.8mm，无涂层马氏体1200钢
厚度1.5mm，涂锌TRIP700钢
厚度1.5mm，无涂层硼钢
厚度1.2mm，AI/Si涂层，Usibor钢
厚度1.5mm，涂锌低碳钢
2．研究范围
为确定材料结合及工艺参数对激光焊接接缝的硬度、成形性及静态力学性能的影响，采用如下方法进行焊接试验。
采用不同的激光参数进行试验，研究焊接工艺，以获得对接和搭接结构的穿透焊缝。
采用4kW激光器、不同的光斑直径对搭按接缝进行试验，以确定激光光斑直径对激光焊接工艺和焊接性能的影响。
采用4kW激光器、不同的光斑直径，相同的光斑直径、不同的激光功率对钢的对按接缝进行试验，以确定激光功率和激光光斑直径对焊接速度、焊缝形貌和焊接性能的影响。
为降低TRIP钢和硼合金钢(与其他UHS钢相比，其含碳量较高)的焊缝硬化，试验中也将这些钢与低碳钢焊接，其目的是检查焊缝金属中碳含量的减少对焊缝性能的影响。这些钢代表了汽车应用中能够供的UHS种类。低碳钢只用于某些不同材料结合的试验。以上钢种选择的厚度范围适用于汽车应用。
3．所用的激光设备
本论文中所进行的激光焊接试验采用了三种不同的光纤传输固态激光器：4kW连续波长Nd:YAG激光器、5kW的Yb光纤激光器和7kW的Yb光纤激光器。
其中，所用的Nd:YAG激光器为TrumpfHL4006D，4kW灯泵浦激光器，激光通过直径ψ0.6。mm的光纤辐照到工件上。标准的Trumpf光学组件包括200mm的焦距镜头，用来在工件表面产生最小直径0.6mm的激光光斑。
所用的Yb光纤激光器为IPG Yb光纤激光器，该激光器输出功率可以达到7kW。激光输出能量通过ψ300mm的单根光纤传输到激光头。分别采用250mm的聚焦透镜和1660mm的焦距，以产生最小光斑直径，即驴ψ0.6mm、ψ0.4mm。
所用的第二个光纤激光器为IPG YLR5000 Yb光纤激光器，该激光器的最大输出功率为5kW。激光输出能量通过ψ100μm的单根光纤传输到激光头上。分别采用500mm的聚焦透镜和160mm的焦距以产生最小光斑直径约0.4mm、0.2mm的激光。
采用Kawasaki JS6型6轴关节型机器人来移动工件的焊头。采用数控X-Y工作台在固定的焊头下移动试样。
4．激光焊接试验
对搭接和对接接头都进行了激光焊接试验。搭接接头有50mm的接头。无涂层钢紧密夹在一起，而涂锌钢用间隔片夹在一起，以提供0.2mm的预设间隙。搭按接头边部紧密接触、简单地搭在一起。
试验通过激光光束聚焦到工件表面并产生两种接头形貌。对每一组激光功率/光斑尺寸，调整焊接速度以获得穿透的焊缝。
本试验中，不采用保护气体焊接。采用高压气刀保护激光器免受焊接小金属飞溅的伤害。
5．焊缝质量评估
对所有焊缝进行目测，检查表面缺陷。选择焊缝截面，检查焊缝形貌和穿透性。进行横向剪切试验，以确定搭接焊缝的强度；进行拉伸试验，以确定对接焊缝的强度。进行埃氏杯突试验，为所选对接焊缝提供简单的成形性测试。
三、试验结果与讨论
1．搭接接头的激光焊接
图1给出了采用三种不同的光斑直径，在5种不同的钢材(厚度0.8～1.5mm)上获得穿透焊缝所能达到的最大焊接速度。从图1中可以发现，无论材料的成或厚度如何，增大激光能量密度所产生的影响显而易见。例如，光斑直径0.6mm、激光功率4kW、焊接速度2.5～6.5m/min时，这些钢材中都可以获得穿透焊缝；而光斑直径为0.2mm时，只有当焊接速度超过20m/min时才能获得穿透焊缝。
光斑直径的变化对焊缝形貌具有重要影响。当光斑直径较小时，焊缝变窄，热影响区的尺寸也减小。图2给出了激光功率4kW、采用三种不同的光斑直径时Usibor钢焊缝的截面形貌。在光斑直径为0.2mm时，司以达到较高的焊接速度，但是焊缝宽度仅为0.3mm。在其他钢材的焊接中也得到了同样的结果。
图3给出了Usihor钢中激光光斑直径对搭接焊缝硬化形貌的影响。当在两钢板上采用较小的光斑直径进行焊接时，焊缝熔化区的最大硬度略有增大。例如，当光斑直径从0.6mm减小到0.2mm时，焊缝硬度从450HV增大到约550HV。当光斑直径为0.2mm时，即使焊接速度达到17m/min，所有的焊缝也呈现出软化的热影响区。但是，当光斑直径较小、焊接速度较高时，热影响区变窄。
激光光斑直径及激光功率的变化对焊缝剪切载荷的影响不大(与之对焊接速度的影响相比)。图4、图5给出了两钢板中焊缝在失效前所能承受的最大剪切载荷。这里，所测试的焊缝是在不同的激光能量密度(激光功率和光斑直径的不同组合)下得到的。在这些图中也包含界面焊缝宽度的比较。每一焊接条件下的三个数据点取自试样中焊缝的起始、中间和接近末端的区域。当采用较小的光斑直径时，剪切载荷略微减小，界面焊缝宽度电减小。
2．三层搭接
图6给出了在不同参数下，DP600和Mart1200钢板典型的三层搭接焊缝的截面形貌。当焊接速度为3～20m/min时，可以获得没有表面缺陷的穿透焊缝，这取决于机关参数。
3．对接头的激光焊接
（1）焊接速度和焊缝形貌 图7给出了不同钢板中得到穿透对接焊缝时，激光光斑直径对焊接速度的影响。该结果是在激光功率为4kW，两种不同光斑直径的条件下得到。
由于激光能量密度的变化，焊接速度可以激增。当光斑直径为0.6mm，两种激光功率水平分别为4kW和7kW时，也可以获得相同的结果。但是，就最大焊接速度而言，增大激光功率采用较小的激光光斑更为有效。
图8给出了不同钢板中典型搭接焊缝的截面，图9 中则给出了不同材料组合下的焊缝截面。所有这些焊缝都是在激光功率4kW，光斑直径0.6mm下获得的。这些焊缝的形貌尚可，在截面上没有发现裂纹或大孔。不同材料或规格组合获得的焊缝过渡处光滑。
