提高激光拼焊板焊缝强度的激光焊接核心参数优化方法与流程

本发明涉及焊接
技术领域：
，具体涉及一种提高激光拼焊板焊缝强度的激光焊接核心参数优化方法。
背景技术：
：激光拼焊板是现代汽车业为适应汽车轻量化而发展起来的制造工艺技术。影响激光拼焊板焊缝质量(包括焊缝强度)的因素有很多，其中包括待拼焊钢板拼焊边的质量、拼焊过程中待拼焊钢板间间隙控制、焊接速度、激光入射角度、激光器的功率大小、激光在待焊钢板上的离焦量、激光焦点与焊缝中心线的偏移量等。目前，国内加工汽车冲压用激光拼焊板过程中，激光焊接参数的调节主要通过改变激光焊接速度(一旦激光器选定激光功率一般较固定)和激光入射角度，以改变拼焊板焊缝的形貌及质量。对于不等厚激光拼焊板来说，调整这2项参数，只能解决焊缝一部分质量问题。影响拼焊焊缝强度(焊缝质量)的另外两个核心参数——激光在待焊钢板上的离焦量和激光焦点与焊缝中心线的偏移量，通常是激光器(目前量产应用的都是国外的)厂家安装调试时提前设定并固化好的，并不会让拼焊板生产厂家所知(技术人员也无法在设备或技术说明书中查知)。但是，要解决焊缝厚板与焊缝、焊缝与薄板之间焊缝金属过渡平顺性、焊缝自身的结构最优化及焊缝微观金属组织的细化，从而进一步的提高焊缝强度，减小拼焊缝冲压过程中焊缝开裂率，需要对激光在待焊钢板上的离焦量、激光焦点与焊缝中心线的偏移量对焊缝质量的影响有更深入的研究分析，找出规律。技术实现要素：本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种可大大减小正交试验次数的提高激光拼焊板焊缝强度的激光焊接核心参数优化方法。本发明采用的技术方案为：一种提高激光拼焊板焊缝强度的激光焊接核心参数优化方法，该优化方法包括如下步骤：步骤一、设计初次正交试验方案，设定多个分别以离焦量δ和偏移量η为变化参数的拼焊试验组，拼焊测试样板；步骤二、对各试验组拼焊后的测试样板进行对应的金相试验和焊缝杯突试验，根据试验结果，分析偏移量η和离焦量δ的取值对焊缝形貌、焊缝强度的影响规律；步骤三、参考偏移量η和离焦量δ对焊缝形貌、焊缝强度的影响规律，并基于初次正交试验对偏移量η和离焦量δ进行取值，分别以偏移量η和离焦量δ为变化参数，设计多个拼焊试验组，实施二次正交试验方案；步骤四、进行与二次正交试验方案对应的焊缝杯突试验，根据试验结果，绘制不同离焦量δ下对应的平均杯突试验值曲线，以及不同偏移量η下对应的平均杯突试验值曲线，获得杯突试验值≥10mm时离焦量δ取值范围和偏移量η的取值范围。按上述方案，在步骤一中，各试验组中测试样板、激光功率、焊接速度均相同，部分试验组以离焦量δ为变化参数，其余试验组以偏移量η为变化参数。按上述方案，在步骤二中，根据金相试验结果和焊缝杯突试验结果，分析焊缝断面形貌好、焊缝强度高时离焦量δ和偏移量η的变化规律。按上述方案，焊缝形貌好的判断方法为：拼焊的厚板金属熔化充分并填充焊缝间隙，未出现焊缝表面凸起或下凹，焊缝与两侧拼焊板之间过渡平滑。按上述方案，在步骤三中，二次正交试验中离焦量δ和偏移量η的取值均不超出初次正交试验的取值范围。本发明的有益效果为：本发明所述方法通过初次正交试验及对应的金相试验和焊缝杯突试验，初步得出偏移量η和离焦量δ的变化对焊缝形貌、焊缝强度的影响规律；再根据得出的规律在初次正交试验的基础上设计二次正交试验，及对应的金相试验和焊缝杯突试验，根据试验结果绘制不同离焦量δ下对应的平均杯突试验值曲线，以及不同偏移量η下对应的平均杯突试验值曲线，并最终确定偏移量η和离焦量δ的边界范围。本发明所述方法可以大幅缩减正交试验的轮数，不再选择随意设定正交试验数据的参数，而是参考初次正交试验分析得到的规律，在较小的范围内进行参数的设置调整，采取这种方式设定试验数据，显著减少后期的正交试验的次数。本发明所述方法利用试验结果研究分析激光在待焊钢板上的离焦量δ、激光焦点与焊缝中心线的偏移量η这两个核心技术参数在激光焊接过程中厚薄板金属熔化的量及形貌的变化而对焊缝结构及微观组织的影响，从而最终对焊缝强度的影响，找出偏移量η和离焦量δ与焊缝强度的关系，并在实际应用中，通过调整偏移量η和离焦量δ，提高激光拼焊强度，继而提高激光拼焊板冲压过程中焊缝的安全裕度，降低激光拼焊板焊缝开裂率，降低激光拼焊板的报废率，节约成本。附图说明图1为激光拼焊示意图。图2为本实施例中初次正交试验对应的金相试验结果示意图。具体实施方式为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。如图1所示为激光拼焊示意图。激光在待焊钢板上的离焦量δ分为三种情况：激光光束焦点1位于厚板2上表面上方，离焦量δ为+；激光光束焦点1位于厚板2上表面，离焦量δ为0；激光光束焦点1位于厚板3上表面下方，离焦量δ为-。焊缝6位于厚板2和薄板5之间，激光光束7如图。激光光束中心线4与焊缝中心线3的偏移量η分为三种情况：激光光速中心线4位于焊缝中心线3靠厚板1的一侧，偏移量η为+；激光光速中心线4与焊缝中心线3重合，偏移量η为0；激光光速中心线4位于焊缝中心线3靠薄板5一侧，偏移量η为-。一种提高激光拼焊板焊缝强度的激光焊接核心参数优化方法，该方法包括如下步骤：步骤一、设计初次正交试验方案，设定多个分别以离焦量δ和偏移量η为变化参数的拼焊试验组，拼焊测试样板：各试验组中测试样板、激光功率、焊接速度均相同，部分试验组以离焦量δ为变化参数，其余试验组以偏移量η为变化参数。初次正交试验中，各试验组内离焦量δ和偏移量η根据具体焊接材料及行业相关要求取值。本实施例中，初次正交试验方案包括编号分别为1a、1b、1c、2a、2b、2c这6个拼焊试验组，各试验组的测试样板相同，为汽车常用激光拼焊板，包括两块厚度分别为1.4mm和0.7mm的、材质为dx56d+z的钢板(对此两块钢板进行拼焊)；各试验组的焊接参数中，激光功率均为4kw，焊接速度均为8m.min-1，其中编号为1a、1b、1c的3个试验组以离焦量δ为变量，偏移量η相同；编号为2a、2b、2c的3个试验组以偏移量η为变量，离焦量δ相同。具体试验参数图表1所示。表1初次正交试验方案相关参数初次正交试验组编号激光功率/kw焊接速度/(m.min-1)离焦量δ/mm偏移量η/mm1a4810.051b48-0.40.051c48-1.60.052a48-0.40.32b48-0.40.082c48-0.4-0.15步骤二、对各试验组拼焊后的测试样板进行对应的金相试验和焊缝杯突试验，根据试验结果，分析偏移量η和离焦量δ的取值对焊缝形貌、焊缝强度的影响规律。本实施例中，金相试验结果如图2所示，焊缝杯突试验结果如表2所示，确定离焦量δ和偏移量η。表2初次正交试验对应的焊缝杯突试验结果初次正交试验组编号平均杯突试验值/mma101b10.51c9.82a9.82b10.22c9.7结合两项试验结果分析，在其他参数不变的前提下，离焦量δ为-0.4mm或偏移量η为0.08mm时，通过金相照片观察(如图2所示)，焊缝断面形貌好(判断方法为：拼焊板厚板接受激光的热输入量合适，拼焊的厚板金属熔化充分，熔化的金属充分填充焊缝间隙，未出现焊缝表面凸起或下凹，焊缝与两侧拼焊板之间过渡平滑)，对应的焊缝杯突试验值最高(杯突试验测试的是激光焊缝从变形开始开裂时的样品冲压深度，杯突试验值是衡量激光拼焊焊缝强度的一种参数，杯突试验值越高，焊缝塑性越好，焊缝强度越高)，焊缝强度最高。具体分析如下：偏移量η为负值时，厚板热输入量不足，造成金属熔化不足，最终造成焊缝间隙金属填充量不够，焊缝表面下凹；当偏移量η为正值且值过大时，厚板热输入量太足，金属熔化过量，造成一部分金属填充焊缝间隙和流向薄板侧外，剩余的来不及流动而快速冷却堆积在焊缝表面，造成焊缝表面过渡不圆滑。离焦量δ为小负值时，厚板整个厚度方向都接近激光光斑焦点，激光焦点附近能量密度最高，厚板热输入量最充分，金属熔化也最充分，焊缝过渡也最圆滑，无明显尖角，离焦量δ为小正值时，仅厚板表面层金属接近激光光斑焦点，厚板中间以下层金属还是远离焦点，下层金属还是会熔化不充分，造成焊缝下表面咬边。由于激光光斑能量密度是正太分布的，焦点处能量密度最高，而离焦量δ为大的正或负值时，能量密度较低，因此厚板边缘接受的热输入量不足而没有熔化，产生尖角，该尖角经过激光扫描进行了热处理，硬度变高，焊缝塑性变差，影响冲压过程。因此，可得出结论：偏移量η在小的正值变化和离焦量δ在小的负值变化时，焊缝形貌最好，焊缝强度最高。步骤三、参考偏移量η和离焦量δ对焊缝形貌、焊缝强度的影响规律，并基于初次正交试验对偏移量η和离焦量δ进行取值，分别以偏移量η和离焦量δ为变化参数，设计多个拼焊试验组，实施二次正交试验方案。根据上述结论，可以大幅缩减正交试验的轮数，不再选择随意设定正交试验数据的参数，而是选择在离焦量δ在小的正值变化范围内进行设置调整，而偏移量η在小的负值范围内来设定试验数据，采取这种方式设定试验数据，显著减少后期的正交试验的次数，能够高效、准确确定，再设计一轮正交试验方案，可以确定离焦量δ和偏移量η的最合适的边界范围。本实施例中，从初次正交试验的结果分析可知，偏移量η在小的正值变化和离焦量δ在小的负值变化时，焊缝形貌好，焊缝强度高；且当离焦量δ为-0.4mm或偏移量η为0.08mm时，焊缝形貌最好，焊缝强度最高，故二次正交试验中离焦量δ和偏移量η的取值分别如表3所示，二者取值范围不超出初次正交试验的取值范围(比如二次正交试验中离焦量δ取值范围为-0.7～0.1，落入初次正交试验的取值范围-1.6～1内)。二次正交试验方案包括编号分别为3a～3h、4a～4h这8个拼焊试验组。二次正交试验方案除了偏移量η和离焦量δ的取值不同外，其设计均与初次正交试验方案相同，具体参数设计如表3所示。表3二次正交试验方案相关参数二次正交试验组编号激光功率/kw焊接速度/(m.min-1)离焦量δ/mm偏移量η/mm3a48-0.70.053b48-0.50.053c48-0.450.053d48-0.380.053e48-0.30.053f48-0.250.053g48-0.20.053h48-0.10.054a48-0.40.24b48-0.40.154c48-0.40.124d48-0.40.14e48-0.40.074f48-0.40.034g48-0.40.024h48-0.40步骤四、进行与二次正交试验方案对应的焊缝杯突试验，根据试验结果，绘制不同离焦量δ下对应的平均杯突试验值曲线，以及不同偏移量η下对应的平均杯突试验值曲线，获得杯突试验值≥10mm(焊缝杯突试验开裂时深度≥10mm)时离焦量δ取值范围和偏移量η的取值范围。表4二次正交试验对应的焊缝杯突试验结果二次正交试验组编号平均杯突试验值/mm3a9.43b9.63c10.23d10.53e10.33f9.83g9.63h9.54a9.54b9.74c9.84d10.24e10.44f10.14g9.84h9.6本实施例中，二次正交试验对应的焊缝杯突试验结果如表4所示。结合表3和表4可知，对于拼焊板1.4mm厚板，离焦量δ在-0.5～-0.25mm之外时，平均杯突试验值显著减小(试验组3a、3b、3e、3f可以明显看出来)；在实际应用中，可以绘制不同离焦量下对应的平均杯突试验值曲线，基于绘制的曲线得到离焦量δ的范围值。离焦量δ在-0.5～-0.25mm(也即-1/3t～-1/5t，t为厚板的厚度)和偏移量η在0.03～0.1mm之间，基于上述表4和表5可以看到，偏移量η在0.3～0.1之外时平均杯突试验值显著减小(4c与4d以及4f与4g的试验组可以明显看出来)；在实际应用中，可以绘制不同偏移量η下对应的平均杯突试验值曲线，基于绘制的曲线得到偏移量η的范围值，焊缝杯突试验开裂时深度≥10mm(行业及公司技术标准一般规定激光拼焊板杯突值≥10mm)。因此，本实施例最终确定出激光拼焊2个核心参数离焦量δ和偏移量η的取值范围如表5所示。表5偏移量η和偏移量η的取值范围离焦量δmm-1/3t～-1/5t(t为厚板的厚度)偏移量ηmm0.03～0.1如表5所示，为常规的厚度为0.6～1.0mm的薄板与厚度为1.2～1.8.mm的厚板拼焊时，以及板厚比≤2.0下的不等厚板拼焊时，偏移量η的取值范围；对于拼焊板的板厚差＞0.8mm、板厚比为2.0～3.0的大厚度比板拼焊下的偏移量值，视实际调试效果而定，板厚差及板厚比越大，偏移量的η值越大。经试验验证，利用该结果调整的激光参数，实际冲压用激光拼焊板焊缝形貌与上述分析结果也一致，实际冲压后，焊缝开裂率降到1‰以下(之前焊缝开裂率为1％～1.5％)。本发明提高了激光拼焊强度，从而提高了激光拼焊板冲压过程中焊缝的安全裕度,降低激光拼焊板焊缝开裂率，降低了激光拼焊板的报废率，节约了成本。最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12