基于混合系統(tǒng)的汽車車體用鋁合金材料激光焊接接頭強(qiáng)度評估

歐學(xué)衛(wèi)

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南張家界427000）

基于混合系統(tǒng)的汽車車體用鋁合金材料激光焊接接頭強(qiáng)度評估

歐學(xué)衛(wèi)

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南張家界427000）

采用帶有掃描儀和激光的混合焊接機(jī)器人系統(tǒng)對車用5052鋁合金材料進(jìn)行激光焊接，并根據(jù)焊道形狀、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行焊接性能評價。結(jié)果表明，隨著激光功率的增加和焊接速度下降，接頭抗拉強(qiáng)度逐漸增加。采用了三個回歸模型，即多元線性回歸模型、二階多項式回歸模型和多元非線性回歸模型對拉伸剪切強(qiáng)度進(jìn)行評價和預(yù)測，誤差均值計算結(jié)果表明二階多項式回歸模型的預(yù)測最為準(zhǔn)確。

激光焊接；掃描遠(yuǎn)程焊接；回歸模型

0 前言

近年來，隨著汽車數(shù)量的增加，環(huán)境污染和能源消耗問題日益嚴(yán)重，越來越多的國家和地區(qū)對汽車的燃油效率以及尾氣排放量進(jìn)行了嚴(yán)格的要求。為此，汽車制造商采用鋁合金作為車身材料，以期減輕車重。這是因?yàn)殇X合金車身不僅可以使汽車車身減重40%，還具有優(yōu)越的比強(qiáng)度，耐腐蝕性和導(dǎo)熱系數(shù)。除此之外，鋁合金也逐漸在鐵路車輛、飛機(jī)、船只等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鋁合金焊接必須在車體裝配過程中實(shí)施[1]，但是，由于鋁具有較高的熱導(dǎo)率和較低的熔點(diǎn)，采用電弧焊接技術(shù)焊接效果差。因此，采用高密度熱源的激光焊接技術(shù)成為鋁合金焊接的理想工藝。由于較高的焊接速度和焊接效率，激光焊接已逐漸取代電弧焊，成為汽車行業(yè)鋁合金焊接的主要工藝。

關(guān)于鋁合金激光焊接的研究主要集中于激光器的選擇上，如CO2激光器、Nd:YAG激光器、磁盤激光器和光纖激光器[2]。此外，研究人員利用多元回歸分析以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模等算法準(zhǔn)確預(yù)測了焊接工藝參數(shù)和焊件抗拉強(qiáng)度。在此采用帶有掃描儀和激光的混合機(jī)器人焊接系統(tǒng)對車用鋁合金材料進(jìn)行激光焊接，并根據(jù)焊道形狀、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行焊接性能評價。其中拉伸剪切強(qiáng)度的評價采用了三個回歸模型，分別為多元線性回歸模型、第二階多項式回歸模型和多元非線性回歸模型，并分析了模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 激光焊接系統(tǒng)

帶有光電子掃描裝置的激光焊接系統(tǒng)原理如圖1所示，激光束的焦點(diǎn)經(jīng)過鏡面反射聚集在工件上。操作人員可以采用安裝了掃描儀和激光的焊接機(jī)器人對多點(diǎn)同時進(jìn)行焊接。相比傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊，激光焊接的速度約提高了5倍[3]。該系統(tǒng)焊頭采用遠(yuǎn)程掃描儀，盤形激光器的最大輸出功率為4 kW。焊件選用厚度為1.6 mm的車用5052鋁合金板，其主要化學(xué)成分及如表1所示。焊接坡口如圖2所示，搭接接頭長度為40 mm，焊縫長度為80 mm。

圖1 帶有光電子掃描裝置的激光焊接系統(tǒng)及其原理示意

表1 5052鋁合金的化學(xué)成分%

圖2 焊接試樣的幾何尺寸（單位：mm）

1.2 激光焊接參數(shù)

影響焊接質(zhì)量的激光焊接工藝參數(shù)有激光功率、焊接速度、保護(hù)氣體、焦點(diǎn)以及景深等。激光焊接實(shí)驗(yàn)的控制變量有激光入射角（0°、8°、16°）、激光功率（3 kW、3.5 kW、4 kW）和焊接速度（3 m/min、4 m/ min、5 m/min），因此共有27個焊接條件，并對每種條件下的焊接實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。最后通過觀察焊道表面及截面的形狀，測量焊縫的熔深、余高及寬度等參數(shù)對鋁合金激光焊接的可焊性進(jìn)行評價。通過拉伸剪切試驗(yàn)評價焊接接頭強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊道表面及截面形狀

觀察每種焊接條件下的焊道表面形狀及截面形狀。焊道正面及背面的形狀如圖3所示，根據(jù)焊道表面形狀可將其分為三種。第一種焊道正面及背面形狀均光滑，這是因?yàn)樽銐虻妮斎霟崃渴够w金屬得到充分熔化；第二種焊道的正面光滑，而背面不規(guī)則，這是因?yàn)檩斎霟崃坎蛔悖率够w金屬熔化不充分；第三種焊道的熔滴零散分布于焊道正面，而背面因輸入熱量的不足并未出現(xiàn)熔滴。

圖3 不同焊接條件下焊道正面及背面形狀

不同焊接條件下鋁合金激光焊接焊道的截面形狀照片如圖4所示，由圖4可知，大部分焊縫中出現(xiàn)孔隙。這是由于5000系列鋁合金材料的主要元素鎂的沸點(diǎn)低于鋁[4]，因此很容易蒸發(fā)，并在焊縫材料凝固時產(chǎn)生小孔。當(dāng)激光入射角為8°和16°時，焊縫熔滴略向右傾斜，如圖4b和圖4c所示。

圖4 不同焊接條件下焊道截面形狀

2.2 焊縫幾何形狀

觀察鋁合金激光焊縫的幾何形狀，并測量圖5所示焊縫形狀的幾何參數(shù)，得到了不同焊接條件下焊縫的熔深、正面余高、背面余高如圖6所示；正面熔寬、接口熔寬以及背面熔寬如圖7所示。熔深大于3.2 mm時，焊件全熔透，正面呈現(xiàn)凹形焊縫，對應(yīng)的圖6b中正面余高為負(fù)值。背面熔寬越大，表面焊件越易全熔透。熔深小于3.2 mm時，焊件部分穿透，正面余高為正值，而背面余高為0。激光功率為4 kW時，不同焊接速度條件下的焊件全熔透，且焊道表面形狀均為第一種；激光功率為3.5 kW時，四種焊接條件下發(fā)生了全熔透；激光功率為3 kW時，兩種焊接條件下發(fā)生了全熔透。

圖5 焊縫形狀的幾何參數(shù)

焊道表面形狀為第二種時，焊道高度受焊接速度的影響。隨著焊接速度的降低，熱輸入逐漸增加，致使焊縫寬度和熔深逐漸增加。在較高焊接速度和較低激光功率條件下，焊道表面呈凸出狀，正面余高為正值，背面余高為0，即第三種焊道形狀。這是因?yàn)槌卓撞荒軐?shí)現(xiàn)全滲透，致使熔化金屬堆積在焊件正面。隨著焊接速度的降低和激光功率的增加，焊道寬度逐漸增加，并在接口焊道寬度超過1.45 mm后，實(shí)現(xiàn)全熔透。同時，背面焊道寬度隨著接口焊道寬度的增加而增加。

圖6 不同焊接條件下焊縫的熔深、正面余高和背面余高

2.3 拉伸剪切強(qiáng)度

通過拉伸剪切試驗(yàn)檢測鋁合金激光焊縫的機(jī)械性能。按照國標(biāo)要求將鋁合金焊件加工成拉伸剪切試樣，如圖8所示。參考ISO標(biāo)準(zhǔn)ISO14373確定焊件的許用強(qiáng)度。低碳鋼點(diǎn)焊的最小剪切強(qiáng)度為7.4 kN，一般采用激光焊接代替汽車車身的點(diǎn)焊，因此，將7.4 kN作為評價鋁合金激光焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖8 鋁合金焊件拉伸剪切試樣

鋁合金激光焊件的拉伸剪切強(qiáng)度如圖9所示。由圖9可知，隨著激光功率的增加和焊接速度減小，抗拉強(qiáng)度逐漸增加。激光功率為4 kW時，無論焊接速度多大，容許抗拉強(qiáng)度均滿足要求。觀察圖10所示拉伸斷裂試件可以看出，抗拉強(qiáng)度大于90 kN后，斷裂發(fā)生在焊縫或熱影響區(qū)；否則，斷裂發(fā)生在兩板接口區(qū)域。

3 拉伸剪切強(qiáng)度評估模型

3.1 工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

為了建立拉伸剪切強(qiáng)度的評估模型，首先要將輸入變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化是通過一個共同的變量將多個數(shù)據(jù)集進(jìn)行劃分，以取消該變量對數(shù)據(jù)的影響。因此，為了保證對輸出變量的影響一致，需經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化將每一個輸入變量轉(zhuǎn)換為1～3內(nèi)的值。輸入變量的標(biāo)準(zhǔn)化方程為

式中 xn為標(biāo)準(zhǔn)變量；x為實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的焊接參數(shù)值；xmin和xmax分別為實(shí)驗(yàn)范圍的最小值和最大值。

圖7 不同焊接條件下焊縫的正面熔寬、接口熔寬和背面熔寬

圖9 鋁合金激光焊件的拉伸剪切強(qiáng)度

圖10 拉伸斷裂試件

3.2 回歸模型

通過對標(biāo)準(zhǔn)化變量和試驗(yàn)得到的拉伸剪切強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，建立拉伸剪切強(qiáng)度評估模型?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果建立三個回歸模型，分別為多元線性回歸模型、二階多項式回歸模型和多元非線性回歸模型[5]，對應(yīng)表達(dá)式分別為式（2）、式（3）和式（4）。

將激光功率、焊接速度和激光入射角作為輸入變量，將拉伸剪切強(qiáng)度的預(yù)測值作為輸出變量分別用x1、x2、x3和xi（i=n）。式中β0為y軸截距，β1～β9為每個輸入變量的待定系數(shù)，其值可以通過最小均方算法獲得。表2給出了多元線性回歸模型、二階多項式回歸模型和多元非線性回歸模型中的待定系數(shù)值。

表2 回歸模型的待定系數(shù)值

在回歸模型中，最重要的輸入變量是激光功率和焊接速度。由回歸模型可以看出，激光功率及入射角與拉伸剪切強(qiáng)度成正比，而與焊接速度成反比，這是因?yàn)檩斎霟崃堪殡S焊接速度的增加而減少。這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

3.3 模型評價結(jié)果

圖11給出了每一個回歸模型的評價結(jié)果。x值為真實(shí)的拉伸剪切強(qiáng)度，y值為預(yù)測的拉伸剪切強(qiáng)度，兩者為線性關(guān)系，表明回歸模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

采用誤差均值Rave評價回歸模型的準(zhǔn)確性，其表達(dá)式為

式中 n為重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，i為數(shù)據(jù)的數(shù)量，y為測量數(shù)據(jù)，為模型預(yù)測值。因此，誤差均值越小，表明回歸模型預(yù)測越準(zhǔn)確。通過計算得到多元線性回歸模型、二階多項式回歸模型和多元非線性回歸模型的誤差均值Rave分別為0.059、0.058和0.072，由此可知，三個回歸模型中，二階多項式回歸模型的預(yù)測最準(zhǔn)確。

圖11 回歸模型的評價結(jié)果

4 結(jié)論

對汽車用5052鋁合金材料進(jìn)行了遠(yuǎn)程激光焊接，并評價了其焊接性能。實(shí)驗(yàn)過程將激光功率、焊接速度和激光入射角作為控制條件。結(jié)果表明，當(dāng)激光功率較高、焊接速度較低時，試件發(fā)生了全熔透。通過拉伸剪切試驗(yàn)表明，隨著激光功率的增加和焊接速度的下降，接頭抗拉強(qiáng)度逐漸增加。為了評價和預(yù)測拉伸剪切強(qiáng)度，建立了多元線性回歸模型、二階多項式回歸模型和多元非線性回歸模型。通過誤差均值的計算，表明二階多項式回歸模型的預(yù)測最準(zhǔn)確。

[1]蔡華.薄板2524高強(qiáng)鋁合金光纖激光焊接接頭組織及力學(xué)性能研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

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[3]胡敏英，蔡金金，李昕.鋁合金激光深熔焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響[J].熱加工工藝，2010（13）：149-150，153.

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Laser welding joint strength evaluation of auto body with aluminum alloy material based on hybrid system

OU Xuewei
（Zhangjiajie Institute of Aeronautical Engineering，Zhangjiajie 427000，China）

This paper uses the hybrid system with optoelectronic scanning device for vehicle for laser welding of 5052 aluminum alloy material，and according to the weld bead shape，the tensile strength of the welding parameters，such as performance evaluation. The results show that with the increase of laser power and welding speed drops，joint tensile strength increases gradually.Adopt the three regression model，the multiple linear regression model，a second order polynomial regression model and multivariate nonlinear regression model to evaluate and predict the tensile shear strength，the mean error of the calculation，results show that the second order polynomial regression model to predict the most accurate.

laser welding；scan remote welding；the regression model

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0175-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.40

2014-09-29

歐學(xué)衛(wèi)（1967—），男，湖南湘潭人，碩士，主要從事汽車電子和材料設(shè)計的研究工作。