奇瑞捷豹路虎汽车有限公司上海分公司
摘要：镀锌钢板因其具备良好的抗腐蚀性、机械性以及较为低廉的生产成本，被广泛应用在汽车工业制造当中。本文介绍了将激光螺旋点焊工艺应用于镀锌钢板接头搭接工作中的意义、搭接工作机理分析以及应用实例，以期进一步提升接头搭接工作的效率，为汽车制造质量的提升打下坚实的基础，希望能够给读者带来启发。
关键词：镀锌钢板；搭接接头；激光螺旋点焊工艺；蒸汽逃逸
引言：在利用激光螺旋点焊工艺开展镀锌钢板焊接的过程中，由于工艺焊接路径存在一定的复杂性，为切实提升焊接的质量，相关工作人员可以通过对焊点形成机理进行分析的方式，明确在实际施工过程中各项工艺参数的具体值，提升焊点的承载力，为后续工作的开展提供保障。
一、将激光螺旋点焊工艺应用于镀锌钢板接头搭接中的意义
在社会经济不断发展的背景下，人们的经济水平得到了有效提升，汽车作为一种交通工具普及率也在逐年增加，据公安部统计，2020年我国的机动车保有量就达到了3.72亿辆，其中汽车保有量为2.81亿辆，现阶段，为切实满足人们对汽车的需求，提升汽车的生产效率成为了一项极为重要的工作。镀锌钢板在当前汽车新制造行业的应用范围较为广泛，一段时间内，在以镀锌钢板作为主要材料开展白车身接头搭接的过程中，电阻点焊与激光电焊是最为常用的焊接方法，但由于在实际工作过程中，若相关工作人员选择电阻电焊这种焊接方式，则需要焊接机器人的反复移动，会导致焊接工作的生产效率偏低；若选择激光点焊这种焊接方式，由于镀锌钢板中锌的沸点906℃远低于钢的沸点1530℃，在焊接过程中，常常会出现钢板尚未熔化，锌层已经形成锌蒸汽，并且通过板间间隙、匙孔、熔池逃逸的情况（电阻电焊与激光点焊焊缝金属区的组织照片如图1所示）。激光螺旋点焊工艺因具备精度高、速度快等优点，受到了人们的广泛关注，现阶段，为切实解决上述问题，获得间隙适应性良好的接头，相关工作人员可以将激光螺旋点焊工艺应用于镀锌钢板的焊接过程中，并通过对焊接参数进行测试的方式，保证焊接工作能够取得良好的效果[1]。
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图 1 电阻电焊与激光点焊焊缝金属区的组织图
二、激光螺旋点焊工艺在镀锌钢板接头搭接工作中机理分析
激光螺旋电焊工艺是一种借助计算机编程，实现激光光斑以螺旋轨迹在一个圆形区域内移动，熔化焊接金属，形成焊点的工艺，在开展镀锌钢板搭接接头焊接工作的过程中，应用激光螺旋点焊工艺开展镀锌钢板搭接接头焊接工作，不仅可以缩短焊接间距、提升搭接间隙的适应性，还能可以连接多层板、提升焊接工作的速度，为汽车生产制造时间的缩短提供保障。本文主要以100mm
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30mm
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1.8mm的ST12双面镀锌低碳钢板作为实验材料，对其在利用激光螺旋点焊工艺进行接头搭接工作时的力学性能进行分析，以期明确在后续焊接工作中的具体工艺参数，为汽车制造业的发展提供助力。
（一）镀锌钢板激光螺旋点焊的形成过程分析
相关工作人员在利用激光点焊进行搭接接头熔透工作的过程中，设备型号为光纤激光器，并配有日本焊接机器人以及摆动焊接头，如图2所示。激光的功率一般情况下是一个恒定值，并且焊点大小往往也会依据工艺的具体要求而有所限定。以1.8mm厚的钢板为例，其焊点直径一般为6.7mm，为满足这一要求，激光功率应为5kW，离焦量应为0mm，若激光光斑的扫描半径为R，那么对激光螺旋点焊焊接轨迹进行扫描，发现，半径从R1逐渐增加大R4，并且，R4将于R5在焊点外圈构成一个闭合的圆，具体来说，螺旋电焊路径参数R1=0.9mm、R2=1.8mm、R3=2.25mm、R4=R5=2.7mm。
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图 2 激光焊接设备
同时，在不同扫描速度下对焊点的截面形貌进行分析后可以发现，当前镀锌钢板激光螺旋点焊工艺形成的焊点形貌主要可以分成指状焊点、U型焊点与H型焊点3种。具体来说，首先，当扫描速度为125mm/s时，如图3中的a所示，可以发现单个的激光焊缝间距较窄，相邻的焊缝间并不存在搭接区域，焊点截面有多个不相邻指状焊缝，出现这种情况的原因是扫描速度过快，导致焊点的热输入不足，焊点的熔化情况较差。其次，当扫描速度为105mm/s时，如图3中的b所示，相邻焊缝之间出现了一定程度的搭接，但受速度依据比较快的影响，钢板的下层并没有完全熔化，进而出现了U型焊缝。最后，当扫描速度降到75mm/s时，如图中的c所示，焊点热输入能够满足钢板的熔化需要，钢板的下部也能完全熔化，并且受重力的影响，熔池表面将会出现一定程度的凹陷，进而形成H型的焊缝[2]。
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图 3 扫描速度对焊点形貌的影响
（二）间隙与焊点形貌之间的关系
在传统的汽车制造业中，激光焊接的主要难点之一是间隙的适应性不一定能够满足设计要求，现阶段，为切实解决这一问题，在利用激光螺旋点焊工艺开展镀锌钢板接头搭接工作之前，相关工作人员需要对搭接间隙的焊点形貌之间的关系进行分析。具体来说，在进行关系分析的过程中，首先，相关工作人员可以将激光的扫描速度设置为75mm/s，并且在考虑到汽车车体焊接情况的基础上，将接缝间隙设置为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.6mm与0.8mm，如图4所示，对不同接缝间隙的焊接形貌情况进行分析可以发现，当接缝间距在0.1—0.4mm范围内时，焊点成形效果较好，当间隙为0.6mm时，焊点正面与背面出现凹凸不平的情况，焊点表面不能平滑过渡，造成这种情况的原因在于镀锌钢板间隙增大后，熔池的稳定性降低，部分液态金属在填充间隙的过程中，受重力的影响出现下榻问题，导致焊接表面不够平滑；当间隙增加大0.8mm时，将激光功率提升到5.5lW，此时焊点的正面与背面过渡较为均匀，但焊点的正反面存在明显的凹陷情况。
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图 4 间隙对焊点形貌的影响
对间隙0.1—0.6mm的焊点直径进行分析可以发现，随着间隙距离的增加，正面焊点直径明显缩小，融合面的直径不断增大，但焊点背面的直径并没有出现明显的变化，这种情况的出现原因是间隙增大后，在重力的影响下，更多的液态金属对间隙位置进行了填充，导致激光焊接产生的热量更多的集中在焊点的中下部，进而导致正面焊点的直径减小。同时，对焊点的最大下塌量进行分析后可以发现，随着间隙距离的增加，最大下塌量呈现出先减小后增大的趋势，并且当间隙距离为0.2mm时，下塌量的值最小为0.6mm，出现这种情况的原因是间隙距离与焊接时锌蒸汽的逃逸情况，进而对飞溅情况造成影响。如图5所示，当镀锌钢板之间的搭接间隙为0.1mm时，由于间隙过小，锌蒸汽的逃逸受阻，进而对熔池造成冲击，导致熔池飞溅，并带走了大量的熔融金属，导致下塌量的值偏大；当钢板间的搭接间隙为0.2mm时，锌蒸汽的逃逸通道较为畅通，飞溅问题的大面积出现，令熔池内保留了更多的熔融金属，减小了下塌量；从间隙距离为0.3mm开始，间隙距离并不会对锌蒸汽的逃逸造成不利影响，但由于间隙距离不断增加，导致间隙连接所需的熔融金属量不断增加，进而导致下塌量的加大[3]。
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图 5 0.05mm—0.2mm间隙下焊点边缘铁元素与锌元素的面分布情况
对焊点的强度进行分析可以发现，锌蒸汽的逃逸情况与焊点处的承载面积会对焊点强度产生较为明显的影响。从锌蒸汽逃逸情况来说，当焊点处间隙较小时，锌蒸汽在逃逸过程中，会聚集形成气孔，进而降低焊点强度；当焊点间隙超过0.2mm时，锌蒸汽将会有效溢出，降低自身对焊点强度的影响。从焊点处承载面积角度来说，在焊接过程中，熔融的金属受重力与表面张力的影响会形成H型的焊点，增大的间隙会使更多的金属填充在间隙处，进而导致焊点的承载面积缩小。
三、激光螺旋点焊工艺在镀锌钢板接头搭接工作中的实例
奇瑞捷豹路虎汽车有限公司的某车型在设计过程中，将薄的低碳钢镀锌板作为尾门的基体，尾门作为汽车的外观件，为保证这款车型的整体美观性，对焊缝的外观有比较高的要求，若采用传统的弧焊工艺进行焊接，则可能会出现变形的情况，导致后续外观件整形困难，同时，由于电阻焊有搭接边与台阶，不仅会影响尾门外观，还会增加整车的重量。面对上述问题，为在保证车型美观性的同时，降低车辆重量，提升焊接质量，相关工作人员在施工过程中采用了激光焊接工艺，以保证工作能够满足车辆设计的要求。
在具体的焊接工作开展过程中，存在的技术难点为薄镀锌碳钢板的焊接容易变形与镀锌板的焊接与锌层容易形成焊渣夹杂在焊缝中，为切实解决上述问题，激光焊过程中，能量非常集中，面对钢板容易变形的问题，相关工作人员通过运用方形模具和大力夹具，对板材进行夹紧，并且在焊缝下方镶嵌铜垫块，使焊缝处的能量能快速扩散方式，降低焊缝变形情况的出现概率。同时，为降低锌层掉入钢板焊缝的可能性，相关工作人员在焊接前利用有机溶剂对镀锌板进行了简单的清洗，同时焊枪使用左焊法，让保护气体除了起到保护焊缝的作用外，也能把焊接过程中的烟尘吹走，从而达到提升焊接质量的目的。
结论：总而言之，在实际工作过程中，相关工作人员可以通过适当增加镀锌钢板间隙的方式，为锌蒸汽的逃逸提供通道，降低焊接缺陷的出现概率，具体来说，分析激光电焊工艺在镀锌钢板接头搭接工作过程中的工作机理可以了解到，对于1.8mm厚的ST12镀锌钢板，激光螺旋点焊在0.2—0.4mm的间隙范围内，焊点的力学性能都比较好。
参考文献：
[1]张林阳，陈兵华，宋庆军，等.汽车热镀锌钢板激光搭接焊与电阻点焊接头拉剪性能对比研究[J].汽车工艺与材料，2020（02）：13-17.
[2]任逸群，李俐群，宫建锋，等.镀锌钢板搭接接头激光螺旋点焊工艺研究[J].中国激光，2020，47（08）：43-51.
[3]任逸群.镀锌钢板激光螺旋点焊工艺与性能研究[D].哈尔滨工业大学，2019.