实验研究：不同情况组合下激光拼焊板的成形性能

2005/3/26/13:50来源：摘自:《应用激光》试验材料和条件

    在本试验中，对等厚/不等厚/同材/不同材钢板进行了激光拼焊试验。激光器使用的是CO2快速轴流气体激光器。聚焦透镜焦距为220mm，工艺辅助气体为氦气。激光的输出模式为Q模。

试验用钢的性能数据见表1所示：

    在本研究中，分别进行了同厚/同材，同厚/不同材，差厚/同材，差厚/不同材等不同试验组合进行激光拼焊试验，材料组合见表2所示。

    激光拼焊对对接材料的边部质量要求很高。目前国内外在激光焊接前，对材料端部的准备大致有如下几种􀁽使用高精度剪切的方法：使用机械碾压的方法；使用激光切割的方法；使用双光束的方法；使用精冲的方法等。每种方法都有其优缺点，本试验在进行激光拼焊之前，使用激光切割的方法进行边部准备。激光切割后，边部质量完全达到激光拼焊的要求。

结果与讨论

    1.激光焊接接头的力学性能

    激光拼焊横向拉伸试验时，均断裂在母材部位，所测的性能无法反映焊接接头的情况。而纵向拉伸时，激光焊缝沿整个试样长度方向上分布，能够反映激光拼焊焊接接头的情况。纵向拉伸时，四种不同组合情况下激光焊接接头的屈服强度与抗拉强度的变化见图1所示。

    从试验结果可以看出，其强度比母材有一定程度的提高。这是因为激光焊接焊缝的形成过程是一个快速冷却过程，其强度和硬度必然比母材有一定程度的提高，而塑性有一定程度的降低。从试验结果还可以看出，厚度比率对激光焊强度影响不大，而材料等级的差异，对激光拼焊强度的影响较大。在不同等级的材料激光拼焊后，焊接接头的强度主要取决于低强度等级的材料，而并非为两种材料强度的平均值。

    2.杯突试验

    杯突试验测定试件发生破裂时的最大成形深度。在本研究中，比较了四种不同情况下激光焊焊接接头部位杯突值与母材相比的下降情况，见图2所示。杯突值的降低是以厚度较薄或强度较弱一侧的钢板为基础的。从结果可以看出，激光焊的杯突值较母材都有一定程度的降低，拼焊钢板厚度比率的变化对杯突值的降低影响较大。图3为屈服强度对杯突值降低的影响，从结果可以看出，其影响不大。

    3.极限拱顶高

    测极限拱顶高时，使材料处于纯拉胀变形状态，测定发生破裂时的成形深度。在本研究中，比较了屈服强度对极限拱顶高的影响，见图4所示。从结果可以看出，激光焊焊接接头处的极限拱顶高比母材都有一定程度的降低，屈服强度的影响不大。

    在本研究中，还获得了在四种不同组合情况下激光焊焊接接头处极限拱顶高与母材相比的下降率，见图5所示。从结果可以看出，与母材相比，差厚/不同材时激光焊焊接接头极限拱顶高下降值最大，其它三种组合极限拱顶高也都有一定程度的下降。

    4.扩孔试验

    本试验测定孔边开裂时的孔径与初始孔径的相对差值，用以评价材料的翻边性能。下图为四种组合情况下激光焊焊接接头扩孔率与母材相比的下降率，从结果可以看出，扩孔率的下降与极限拱顶高的下降相比程度较大，在差厚/同材情况时扩孔率下降程度最大。

    图7为屈服强度对扩孔率的影响。从试验结果可以看出，激光焊扩孔率比母材下降程度大。

    5.成形极限图（FLD）

    对在第5种组合情况下的激光拼焊板进行印制网格，成形后用工具显微镜测量变形网格的长短轴􀁯绘制出成形极限图（FLD），见图8。结果显示，由于焊缝影响，材料变形受到牵制，主应变明显下降，成形极限图中的FLD0基板为44%，拼焊板为30%。由此可见，冷轧钢板激光拼焊后，焊缝处的成形性能较母材有一定程度的降低，故其在零部件上所处的位置应避开成形最复杂部位。同时从图中还可以看出，危险区域的最大应变为14%，从而拼焊板部位仍尚有16%的应变余度，这说明激光拼焊板部位仍能满足汽车板冲压要求。

结论

    通过对冷轧钢板在不同组合情况下激光拼焊接头力学性能和成形性能试验研究，结果表明：

    1、激光焊后的焊接接头部位其强度比母材有一定程度的提高。厚度比率的变化对强度的影响没有材料等级比率变化影响大。不同强度等级的激光焊接接头强度主要取决于低强度等级的材料。

    2、焊接接头部位其成形性性能比母材有一定程度的降低。随拼焊板厚度差异和强度差异的增加，成形性能降低。