数控激光焊接（laserwelding）是一种*的现代制造技术，它是以高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接的方法。在汽车工业中，激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接。高强度钢板多用于汽车车身安全件，采用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度，可满足汽车车身“轻量化”的要求。

 

　　在实际激光焊接中，需要专门的夹紧和设备技术，这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅相成的，试验研究采用的LCK－12×25型数控精密激光加工机床是一种新型激光切焊设备。近年来，国内外在高强度钢的激光焊接应用方面虽做了大量的工作，但仍需作进一步的研究与探索。对1.5mm厚高强钢板进行了深熔焊接工艺试验，获得了较好的焊接效果，并对焊接接头性能评价等方面做了一定的研究，并给出了一套可以有效控制焊接板材加工质量的工艺参数。

 

　　1试验条件及方法1.1试验条件焊接材料是瑞典生产的高强钢（DOGAL800DP），工件尺寸为100mm×30mm×1.5mm。

 

　　1.2试验方法焊接接头采用对接直焊缝方式，依靠夹具来保证被焊件的装配精度。由于影响高强钢激光焊接工艺的参数较多，若采用单因素轮换的全面试验设计法，试验量过大，而且在试验设计中没有考虑各因素之间的交互效应。因此，本项研究采取了正交试验法，以优化出高强钢的*佳焊接工艺规范。图1为激光焊接板材试验设备的总体布局示意简图。

 

　　2激光焊接的主要影响因素影响激光焊接的因素主要有激光功率、焊接速度、焦点位置、焊接角度、保护气体流量及等离子体的控制、防止焊接飞溅等。

 

　　2.1激光能量激光的能量密度与光束波长、光束与材料之间的耦合能力等都密切相关，是激光焊接中的一个关键参数。激光深熔焊接的前提是聚焦激光焦斑有足够高的功率密度，激光深熔焊接时，熔深直接与光束功率密度有关，而且是入射光束功率和光束直径的函数。熔深h约与激光功率P的0.7次方成正比例，即：h∞P 0.7 2.2焊接速度焊接速度主要影响熔池和焊缝形状，随着焊速的增加，熔池的流动方式和尺寸将会改变。提高速度会使焊接熔深变浅，甚至工件未被*焊透；但速度过低又会导致材料过度熔化、使焊缝加宽，表面凹陷，严重时使工件焊穿。所以，对一定激光功率和厚度的某一特定材料都有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得*大熔深。

 

　　2.3聚焦位置*佳聚焦位置是由接头的几何形状、类型、方向、间隙、错位和所需焊缝强度、熔深、焊道宽度及材料偏置决定的。在对接接头形式下产生*大熔深，此时的聚焦位置即为*佳聚焦位置。

 

　　离焦量是指*佳光斑尺寸与工件之间的距离，离焦量不仅影响工件表面光斑直径的大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊缝形状、熔深和横截面积有较大影响。焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要，对大多数激光焊接应用场合，通常将焦点位置设置在工件表面下大约所需熔深的1／4处。

 

　　2.4焊接角度光束呈一定倾角入射时会增大工件表面的光斑面积，降低功率密度，即使焊接速度不变，也会减小深熔，因此焊接时应尽量避免使光束产生倾角。如果不能避免，也应尽量倾角*小，同时*小倾角应能保证聚焦光束不烧蚀邻近工件或夹具。

 

　　2.5保护气体成分和流量激光焊接过程使用惰性气体来保护熔池，大多数应用场合则常采用氦、氩、氮等气体。如等离子体存在过多，熔深变浅，焊接熔池表面变宽。等离子体云尺寸随采用的保护气体不同而变化，氦气*小，氮气次之、使用氩气时*大，即：Ar→N 2→CO 2→He。氮气作为保护气体*经济，也*常用，本试验采用氮气作为保护气体。

 

　　在气流量方面，若气流量过小，不能驱离等离子体，对焊缝及镜片的保护效果也不好；气流量过大，带走大量热能，而且会加大紊流度，对熔池搅拌作用加剧，易造成焊缝气孔等缺陷。

 

　　2.6焊接飞溅及其防止焊接过程中产生的飞溅堆积在聚焦镜上会严重影响焊接质量。随着焊接飞溅和其他残渣在聚焦镜和透镜表面上越积越多，镜片将会吸收能量从而产生热变形，降低焊接质量，减小熔深。

 

　　为防止焊接飞溅，可以在聚焦装置上安装一个空气刀，打开空气刀时就会在聚焦镜前面形成一个气层，起到阻碍飞溅的作用。另外，还可以在铜镜表面涂覆一层保护金属，有效防止焊接飞溅对贵重光学器件产生危害。

 

　　3分析与讨论3.1焊缝的力学性能试验试验在WDW－100微机控制电子试验机上进行，拉伸速度0.5mm／min，夹头间距60mm，对焊件拉伸试验所做的应力－应。可以看出焊件焊缝强度与母材大体相当，没有出现焊缝的软化现象，在选择优化的工艺参数下，焊缝强度甚至高于母材强度。

 

　　3.2焊缝金相及显微硬度组织激光焊接金属及热影响区的组织和硬度是由化学成分和冷却速度决定的。在焊缝区和热影响区会得到淬硬组织马氏体，产生这一结果的原因与激光焊接的特殊性和材料的特性有关，接头淬硬倾向一般可由显微硬度来反映。焊缝区的金相组织是上贝氏体＋低碳马氏体，热影响区的金相组织是羽毛状上贝氏体＋低碳马氏体＋铁素体。

 

　　在负载400克，保持载荷时间5秒的条件下，焊缝的显微硬度如下：热影响区为441HV，焊缝区为438HV。对比母材区的显微硬度（271HV），热影响区的显微硬度约为母材区的1.7倍。接头组织获得了板条状低碳马氏体，焊缝区的组织得到细化，因而接头硬度会比母材区有较大提高，同时金相观察也没有发现任何裂纹。

 

　　MM－6型卧式金相显微镜下不同倍数的金相及显微硬度组织测试图示3.3焊接接头的SEM能谱分析利用扫描电镜SEM（JSM－5610LV）和能谱仪－OXFORD对焊接接头进行能谱分析，内容主要包括点扫描分析焊缝区相对母材组成元素的变化及分析。

 

　　从高强钢板激光焊接接头的点扫描结果图中可以看出，焊缝区和母材组成元素及其元素原子百分数发生了相应的变化。从焊缝到基体，Mn、Cr、Si、S、Al、Zn和Fe元素的分布则出现了不同程度的波动，说明各相中的成分存在一定的差异。

 

　　3.4焊缝盐水腐蚀试验及分析把试件用金相砂纸打磨掉表面的锈蚀产物，露出基体表面，用丙酮清洗样品表面多次，并在蒸馏水中超声清洗15min，取出烘干。把上述经表面处理的样片，浸泡在制备的3％NaC1，pH值为7.0的溶液中，以七天为一个周期，即浸泡1天，晾干6天。

 

　　通过实验观察，对高强度镀锌钢焊件通过干湿比为6：1，经过为期五周观察发现，焊接试件及母材的腐蚀情况相差不大。甚至有些焊件在腐蚀试验后几周情况还比母材要好，由此可以看出，即使再继续腐蚀试验下去，情况也基本差不多，说明高强钢焊件有很好的耐蚀性能。焊接试件及母材腐蚀后金相组织的白色腐蚀生成物主要为：ZnCl2，Zn（OH）2或NaC1等。

 

　　3.5高强钢焊接缺陷分析气孔和裂纹是激光焊接过程中*常出现的缺陷。焊缝气孔是深熔焊接的一个直接结果，由于焊缝深而窄，冷却速度又快，焊接过程中产生的气体不一定有足够的时间从熔化区逸出。对于非穿透焊缝，问题比较严重，较易在焊缝的根部出现分散的气孔。

 

　　激光焊接过程中产生裂纹的原因和传统焊接工艺相同。淬火裂纹同样限制了高碳钢、高合金钢的激光焊接。热裂纹产生在焊缝*凝固之前、其强度不足以承受收缩应力的情况。因而那些具有宽的结晶温度范围的材料、且有高的碳、硫、磷含量的材料容易产生裂纹。通过工艺优化，选取合适的焊接工艺参数，检测焊接试件显示焊接接头没有出现气孔和裂纹。此外还可以通过预热、加焊丝或调整焊接参数等措施来减少以至消除裂纹。

 

　　4结论（1）在数控激光焊接高强钢板时，综合考虑影响激光焊接质量的主要因素，通过正交实验，得到一组优化后的工艺参数，作为本试验激光焊接*终采用的工艺参数范围。

 

　　（2）通过在实际加工中的工艺总结，对高强钢焊接焊缝进行拉伸强度、金相组织、显微硬度、成分偏析及焊缝腐蚀试验研究表明：激光焊接1.5mm板厚高强钢时，保证焊缝成形、强度和质量的*优化工艺参数是在以氮气作为保护气体同轴气流量为3.0m 3／h，激光功率在1300W，离焦量为－0.4mm，焊接速度在0.90m／min，侧吹气流与水平方向成40°夹角，侧吹气流量为2.1m 3／h，就能得到满意的焊缝，可以保证高强钢的焊接质量。