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汽车用高强度镀锌钢的CO_2激光焊接研究

伍强  
【摘要】: 800MPa级高强度镀锌钢板由于强度高、回弹小、成形性好和良好的抗腐蚀性等特点而成功地应用于白车身的高强度吸能件,如A-B-C柱加强板,门槛,座椅骨架,保险杠加强板,纵梁,横梁等方面。而能否解决高强度镀锌钢板的焊接问题,是关系到车身轻量化,安全性以及该钢种进一步应用的关键问题之一。所以,对其进行焊接性研究,具有重要的理论意义和工程实用价值。 激光焊接是实现高强度镀锌钢板高质量焊接的重要手段,本文首先在热传导温度场模拟研究的基础上,对高强度镀锌钢板以及高强度镀锌钢与普通冷轧钢的拼焊板进行了激光焊接的试验研究;其次在研究激光焊接热循环特征的基础上,对高强度镀锌钢板焊接接头的组织转变与晶粒长大规律进行了深入研究,着重分析了化学成分,晶粒尺寸及显微组织对焊接接头力学性能的综合影响。取得了如下主要结果: 1、建立了激光焊接的热传导数学模型,利用有限差分法对模型进行了求解。当功率较低时,激光焊接属于热传导焊接模式;随着激光功率的提高,当工件表面刚好出现汽化时,则处于热传导焊接向深熔焊接过渡的临界状态。这样,通过研究这种临界焊接状态的情况,得到了激光深熔焊接高强度镀锌钢板的下临界功率与焊接速度的关系。 2、在激光焊接高强度镀锌钢板试验研究的基础上,分析了激光焊接的工艺参数对深熔焊熔化特性的影响,得到本试验条件激光焊接的最优工艺参数。为保证拼焊板良好的机械性能,采用侧吹保护气体的方法能有效地控制镀锌层对焊接接头质量的影响,比较了N2和Ar作为侧吹辅助气体进行焊接时,其最大熔深,接头的硬度,韧性和焊接件的杯突值等方面的差异。检测焊接件的力学性能,腐蚀性能和微观组织后表明,用CO2连续激光焊接高强度镀锌钢可以有效地避免高强度镀锌钢HAZ的软化,气孔和裂纹等焊接缺陷,焊缝抗腐蚀性能良好。 3、对高强度镀锌钢板与普通钢板作了激光拼焊的试验研究,分析了激光功率,焊接速度与焊缝熔深,熔宽的关系,得到了本试验条件激光焊接的最优工艺参数;激光拼焊接头的力学性能优良,没有出现HAZ软化现象。拼焊板的成形性能取决于两种材料的强度比和厚度比,焊缝易于向高强度镀锌钢板一侧偏移,普通钢板越薄,焊缝的偏移量越大。腐蚀试验表明,高强度镀锌钢与普通钢的拼焊板因构成双金属腐蚀而抗腐蚀能力比较差,其腐蚀速度比高强度镀锌钢板的激光焊接接头的腐蚀速度快,应采取措施加以保护。 4、在考虑薄板散热的情况下,将激光深熔焊接热源简化为点线热源模型,并对模型进行了的理论计算,得到了激光焊接接头的理论热循环曲线。针对热电偶难以跟踪激光焊接的快速加热和冷却过程的特点,提出了时间常数的概念,推导了动态误差的补偿公式。为了将补偿后的电压转换为测量点的温度值,本文采用最小二乘法对热电偶的热电特性曲线进行了拟合,得到了热电特性方程。对激光焊接高强度镀锌钢板时接头上热循环作了试验测定,测出了焊缝热影响区的实际热循环曲线。理论热循环曲线与实际热循环曲线吻合,说明点线热源数学模型能反映激光焊接1.5mm厚高强度镀锌钢的热循环特征。预测了激光焊接高强度镀锌钢时,镀锌层的烧损宽度。 5、对高强度镀锌钢板激光焊接接头的显微组织进行观测分类,发现焊接接头中包含了低碳马氏体,下贝氏体,上贝氏体,珠光体及铁素体等组织。试验发现,在奥氏体转变过程中基于相界面沉淀,在铁素体基体上均匀弥散分布着合金碳化物组织,对其组织形貌及生成机制进行了分析。利用激光深熔焊接模型预测了热影响区晶粒长大最快的区域,建立了热影响区原奥氏体晶粒长大的数学模型,该模型的计算结果与实测结果吻合。理论计算和实验表明:激光焊接高强度镀锌钢板时,接头晶粒长大是不可避免的,而且比普通低碳钢板还要严重;母材原始晶粒越细小晶粒长大倾向越严重;母材杂质含量越低,焊接热影响区晶粒长大也越明显;线能量越大,焊接接头晶粒长大速度越快。 总之,本文通过对800MPa级高强度镀锌钢的激光焊接研究,为汽车车身的激光焊接的开发和运用提供了试验依据和理论基础,本试验条件下所焊试件在上海大众车车门安全件上得到了成功的应用。


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