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DC06超深冲镀锌钢板由于良好的加工性能和耐腐蚀性，以及低廉的成本，在汽车车身部件上被广泛使用[1]. 电阻点焊是汽车工业中应用最广泛的车身连接技术，汽车上的点焊数量从2000到5000不等，显示了电阻点焊在汽车装配中的广泛应用. 但电阻点焊仍存在生产效率、夹具设计和可达性等不足[2-3]，如采用机械焊接夹具反复移动和接触，生产效率低[2]. 接触电极由于金属附着力容易损坏电阻焊头发生故障，具体的结构设计和几何轮廓也需要不同的焊接夹具形状，也存在接头可达性问题[3].
激光螺旋点焊(Laser Screw Welding)是一种新型激光焊接技术，高功率激光通过激光器产生，经过高速偏转的振镜系统，使激光以预设的路径运行. 区别于传统的激光焊接的机械运动调整激光路径，使用振镜系统调整光路具有反应灵敏，自由度高，焊接速度快，焊接光斑小，能量利用率高等优点，可以实现工件的精密焊接[4-5]. Thiel等人[6]研究了静态光束与振荡光束对铝合金的焊接效率的影响，发现在相应振荡振幅下，光束直径df = 100 μm的焊接效率比光束直径df = 450 μm和df = 150 μm的静态光束得到了提高，并且节省了1/4的激光功率，而孔隙数量和面积以及焊缝的表面质量都没有受到负面影响. 日本的Yamazaki 等人[7]使用振镜扫描激光和金属焊丝进行窄间隙的焊接，他们发现振镜激光可以实现缝隙宽度3 ~ 5 mm，间隙角3° ~ 4°的窄间隙焊接，对比于静态光束，使用振镜激光焊接焊接变形小，产生的焊接应力区域小，可以防止在焊缝底部的不良焊接. 在国内，李俐群等人[8]研究了搭接间隙对激光螺旋点焊成形和力学性能的影响，他们发现焊点强度主要受到锌蒸气逃逸情况和焊点处承载面积的影响，适当增加间隙有利于锌蒸气的逃逸，可以避免焊接缺陷，提高剪切强度. 郝康达等人[9]研究了奥氏体不锈钢光纤激光扫描焊接的焊缝形成机制，发现在焊接速度低于24 m/min的锁孔模式下，焊接渗透度与焊接速度成反比并急剧下降. 而振镜激光可以实现焊接速度大于48 m/min，形成的热传导模式中焊接渗透深度与焊接速度几乎保持稳定，从而形成稳定可靠的焊缝.
综上所述，激光螺旋点焊具有生产效率高、装配精度要求低和可达性强等电阻点焊无法比拟的优势. 但是目前关于两种工艺对比研究较少. 因此，文中以汽车广泛用的DC06镀锌钢为研究对象，设计了激光螺旋点焊和电阻点焊两种焊接接头，对比研究了两种工艺对DC06镀锌钢接头成形、微观组织和力学性能(显微硬度和剪切性能)的影响规律，为DC06镀锌钢板连接的工程应用提供参考.
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试验所用的母材为DC06超深冲冷轧镀锌钢板，公称板厚为1.2 mm，镀锌层厚度为50 μm，DC06镀锌钢板化学成分如表1所示，力学性能如表2所示.
表 1 DC06镀锌钢板化学成分(质量分数，%)
Table 1. Chemical composition of DC06 galvanized steel sheet
C Si Mn P S Ti Al Fe ≤0.005 ≤0.030 ≤0.200 ≤0.020 ≤0.015 0.030 ~ 0.080 0.010 ~ 0.060 余量 表 2 DC06镀锌钢板力学性能
Table 2. Mechanical properties of DC06 galvanized steel
屈服强度ReL/MPa 抗拉强度Rm/MPa 断后伸长率A80/% 塑性应变比r 应变硬化指数n 120 ~ 170 270 ~ 350 ≥ 41 ≥ 2.1 ≥ 0.220 -
激光螺旋点焊试验所使用的激光设备为Trumpf TruDisk16002型激光器，激光波长1 030 nm，最大激光输出功率8 kW，光斑直径540 ~ 840 μm. 搭配电镀PFO镜头为Blackbird intelliWELD II FT，摆动频率0 ~ 6 kHz，扫描范围(220 ± 70) mm × (220 ± 70) mm. 激光试验前将原材料切成100 mm × 20 mm的板材，使用标准垫片制造搭接间隙，使用夹具固定两端，试验平台原理如图1所示. 试验中激光扫描路径采用R1 ~ R5依次增大的5段涡状线形成的闭环. 保护气体采用82%Ar + 18%CO2，气体流量15 L/min，进行侧吹保护，其它工艺参数如表3所示. 电阻点焊试验所使用的设备为HFDB-100中频电焊机，额定容量2 × 80 KW，最大短路电流38 kA，额定负载持续率20%，次级电压9. 6 V，冷却水消耗量25 L/min，其它工艺参数如表4所示.
图 1 试验平台示意图
Figure 1. Schematic diagram of the test platform
表 3 激光螺旋点焊焊接工艺参数
Table 3. Laser screw welding welding process parameters
激光功率P/kW 扫描速度vs/(mm∙s−1) 板间间隙g/mm 扫描方向 扫描路径l/mm 离焦量D/mm 3.5 ~ 5.5 85 ~ 105 0 ~ 0.5 由内向外 R1 = 0.7，R2 = 1.4，R3 = 2.1，R4 = R5 = 2.8 −5 ~ + 5 表 4 电阻点焊焊接工艺参数
Table 4. Resistance spot welding process parameters
预压时间t1/ms 预热电流I1/kA 预热时间t2/ms 冷却时间t3/ms 焊头压力P1/MPa 焊接电流I/kA 作用时间t/ms 50 3 30 20 0.45 ~ 0.55 7 ~ 10 200 ~ 400 -
沿焊接接头中心切开制作金相，打磨、抛光后使用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，在VHX-5000型三维显微镜下观察接头截面的宏观形貌及微观组织. 对样品进行机械抛光，然后使用 90% CH3COOH + 10% HClO4 的溶液在0.3 A电流，18 V电压和24 ℃下电解抛光30 s，使用LYRA3 TESCAN聚焦离子束扫描电镜观察微观组织，工作时电场电压15.0 kV，焦距10 mm . 使用电子背散射衍射仪(EBSD)研究其晶粒尺寸及取向，使用全自动显微硬度计测试焊接接头及母材区域硬度分布. 拉剪试验在MTS 600 kN级万能试验机进行，拉伸速度2 mm/min，拉伸试样为非标准样，具体尺寸如图2所示，进行拉伸时上下采用垫板使接头处于受力中心. 拉伸试验完成后使用LYRA3 TESCAN聚焦离子束扫描电镜观察断口形貌，分析拉伸试样的主要断裂机制.
图 2 拉伸件尺寸示意图
Figure 2. Schematic diagram of the dimensions of the tensile parts
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图3为激光螺旋点焊不同热输入下接头表面成形及截面形貌，可以看出，根据热输入量从小到大截面分为U形接头、H形接头和V形接头3种形貌特征. 当热输入小于505 J/cm时，如图3a所示，接头表面形貌呈起伏不平的椭圆形，截面呈现U形，上板金属仅有部分与下板熔接，但并未熔透，接头熔合处形成两段趾状形貌，这是由于热输入不足导致金属熔化不充分，相邻两道焊缝未能形成良好的搭接区域；当热输入在505 ~ 610 J/cm时，如图3b所示，接头表面呈光滑的正圆形，截面呈H形，金属被充分熔化，熔池受重力作用向下发生一定凹陷，接头完全熔透；当热输入大于610 J/cm时，如图3c所示，接头表面呈带缺口的圆形，截面上部呈现V字缺口，这是由于激光能量过大，激光在熔池产生了匙孔效应，对熔池产生了过大的搅拌作用，快速冷却之后形成表面缺口，同时也在接头内部产生了较大的孔隙.
图 3 不同热输入下接头表面(见插图)及截面形貌
Figure 3. Surface (see inset) and cross-sectional shape of the joint under different heat inputs. (a) low heat inputl; (b) medium heat input; (c) high heat input
在确定焊接工艺中热输入的情况下，根据激光线能量公式[10]
$ E=\eta \cdot P∕\nu $ ($ \eta $ 为激光效率，P为激光输出功率，$ \nu $ 为焊接速度)可以确定合适的工艺窗口，试验中激光效率$ \eta $ 选取为0.8. 图4为激光螺旋点焊工艺窗口，激光线能量低于505 J/cm时，接头处于未熔合状态，线能量在505 ~ 610 J/cm时接头正常熔合，当线能量大于610 J/cm时接头过熔合. 通过对低功率低速度与高功率高速度两种方案进行对比发现，高功率高速激光螺旋点焊形成的接头质量较好，高速焊接可以减少激光对熔池的作用，减小熔池波动，避免材料过度汽化而造成塌陷、气孔等焊接缺陷[11].
图 4 激光螺旋点焊工艺窗口
Figure 4. Laser screw welding process window
图5为不同工艺参数下电阻点焊熔核区尺寸图，控制焊头作用时间t为200 ms，图5a焊头压力P1与焊接电流I均最小，熔核区尺寸最小；图5b仅增大焊头压力P1，熔核区尺寸增大，上下表面向内凹陷，板间夹缝明显；图5c仅增大焊接电流I，熔核区尺寸最大，上下表面向内轻微凹陷. 对比发现焊接电流I对熔核区尺寸影响最大，焊头压力P1会对板间夹缝造成影响.
图 5 不同工艺参数下电阻点焊熔核区尺寸
Figure 5. Size of resistance spot welding nuclei under different process parameters. (a) P1 = 0. 45 MPa, I = 7 kA; (b) P1 = 0. 55 MPa, I = 7 kA; (c) P1 = 0. 45 MPa, I = 10 kA
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图6和图7所示为典型的激光螺旋点焊接头形貌，由母材区、热影响区、熔核区3部分构成，母材由铁素体(F)和少量渗碳体(Fe3C)组织构成(图6d). 熔核区中心为等轴晶，周围为斜向内生长的柱状晶，晶粒尺寸更大，取向更为明显. 这是由于熔池内外冷却不均匀造成的，靠近母材端的金属液散热最快，晶体垂直于熔合线由外向内生长，形成了柱状晶区；中心金属液散热失去方向性，晶核自由生长，生长速度相近形成了等轴晶区，接头表面较为平整(图6e). 从图6b可以看出，接头中心等轴晶区域组织为不规则块状F，晶界处有少量Fe3C析出(图6g)，部分区域有魏氏组织，柱状晶无法形核，连生结晶特点明显(图6f)，在热影响区附近组织基本为块状F(图6c).
图 6 激光螺旋电焊焊点截面
Figure 6. Laser spiral spot welding joint cross section
图 7 激光螺旋点焊微观组织形貌
Figure 7. Laser spiral spot welding microstructure morphology. (a) fusion zone; (b) heat affected area; (c) base material; (d) fusion zone 2.00 kx; (e) fusion zone 5.00 kx; (f) fusion zone 10.00 kx
图8和图9所示为激光螺旋点焊的EBSD结果，图8可以看出，热影响区部位晶粒大小尺寸相近，而熔核区柱状晶尺寸远大于热影响区，分界线较为明显. 晶粒尺寸和晶粒取向差影响材料的力学性能，一般来说，小尺寸晶粒的机械性能更好，通常用取向差的平均值来估计材料内部的残余应变和塑性变形，取向差的平均值随着材料变形的增加而增加[12]. 从图9可以看出，熔核区和热影响区的平均晶粒尺寸分别为27.82 μm和3.09 μm，平均晶粒取向差分别为4.06°和1.26°.
图 8 熔合线附近IPF
Figure 8. IPF near fusion line;
图 9 激光螺旋焊晶粒尺寸和取向差
Figure 9. Laser spiral welding grain size and orientation
图10和图11所示为电阻点焊的接头形貌，由母材区、塑性环、熔核区3部分构成，母材由铁素体(F)和少量渗碳体(Fe3C)组成(图11d). 如图11b所示，熔核区中间较长一段为竖直生长的柱状晶组成，靠近塑性环位置为斜向内生长的柱状晶(图11c)，环外有粗晶区分布，组成的整体形貌近似一个椭圆，这是由于电阻焊两板搭接处最先产生热量熔化金属，热量从内向外传递，几乎不存在冷却速度相近的区域. 接头表面存在较大的空洞(图11e)放大后也存在一些微孔(图11g)，从图11f可以看出熔核区由贝氏体(B)组成，塑性环外粗晶区主要由F和少量B组成，并在夹缝中存在被挤压的金属固体及颗粒(图11c).
图 10 电阻点焊焊点截面
Figure 10. Resistance spot welidng joint cross section
图 11 电阻点焊微观形貌
Figure 11. Resistance spot welding microscopic shape. (a) Fusion core; (b) Coarse crystal area; (c) Base material; (d) Fusion core 2.00 kx; (e) Fusion core 5.00 kx; (f) Fusion core 10.00 kx
图12和图13所示为电阻点焊的EBSD结果，图11a可以看出，塑性环外粗晶区部位晶粒大小不一，熔核区晶体尺寸远大于粗晶区，分界线较为明显. 从图11b可以看出，熔核区和热影响区平均晶粒尺寸分别为33.78 μm和5.94 μm，平均晶粒取向差分别为5.60°和1.98°，晶粒尺寸和平均晶粒尺寸差均比激光螺旋点焊大，接头内部残余应力较大[13].
图 12 电阻点焊塑性环附近IPF
Figure 12. IPF near plastic ring of resistance spot welding
图 13 电阻点焊晶粒尺寸和取向
Figure 13. Resistance spot welding grain size and orientation
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图14显示了激光螺旋点焊和电阻点焊接头的显微硬度分布，依据模型中的取点方式每个接头等距取40个硬度，覆盖了母材(BM)、接头(WZ)以及影响区(HAZ). 激光螺旋点焊熔核区外围等轴晶硬度为160 HV左右，中心等轴晶硬度约为130 HV，母材硬度为120 HV左右，激光螺旋点焊接头中心有明显的硬度降低，呈现出明显的硬度梯度. 这是由于从内向外焊接时，相邻焊道之间的搭接范围较大，焊接接头中心组织再次经历热循环，晶粒长大，因而中心硬度较周围有所降低；电阻点焊熔核区平均硬度为190 HV，塑性环到母材硬度降幅较大，这是由于冷却速度快，获得的贝氏体(B)组织硬度较高[14]，粗晶区为铁素体(F)和贝氏体(B)，硬度变化较小，无明显硬度梯度. 结合组织分析，相比于F，B硬度高但塑性较差，受力后更容易萌生裂纹并断裂失效[15].
图 14 激光螺旋点焊和电阻点焊接头显微硬度分布图
Figure 14. Microhardness distribution of laser spiral spot welding and resistance spot welding joints
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试验选取了镀锌和非镀锌两种相同规格的钢板进行了力学测试，选用预试验中两种工艺方法中接头力学表现最好的工艺参数如表5，每组测试3个试样取平均值. 图15为两种接头的抗拉强度，搭接钢板在拉伸力下受剪切载荷，激光螺旋点焊最大剪切载荷都在9.5 kN以上，电阻点焊最大剪切载荷在9 kN左右，电阻点焊对锌蒸气的作用较为敏感，所能承载的剪切载荷较小，原因在于电阻点焊熔核区部位横向接触面较大，锌蒸气作用面积较大，加上外部的压力作用，锌蒸气很难从缝隙中排出.
表 5 预试验最佳工艺参数
Table 5. Pre-test optimal process parameters
激光螺旋
点焊激光功率P/kW 扫描速度vs/(mm∙s−1) 板间间隙g/mm 扫描方向 扫描路径l/mm 离焦量D/mm 气体流量f/(L∙min−1) 4.5 100 0.2 由内向外 R1 = 0.7，R2 = 1.4，R3 = 2.1，
R4 = R5=2.8+ 5 15 电阻点焊 预压时间
t1/ms预热电流
I1/kA预热时间
t2/ms冷却时间
t3/ms焊头压力
P1/MPa焊接电流
I/kA作用时间
t/ms50 30 30 20 0.55 10 400 
图 15 焊接接头抗拉强度
Figure 15. Tensile strength of welded joints
此外，在相同工艺下，非镀锌钢接头抗剪切能力优于镀锌钢，说明锌的蒸发对接头有负面作用. 在激光螺旋点焊中，同种材料下2 mm间隙最大剪切载荷略高于无间隙，说明制造的搭接间隙能给锌蒸气提供有效的逃逸通道，以减少锌蒸气对接头的不利影响.
接头在拉伸过程的受力情况如图16所示，接头受力会发生一定角度的偏转，既受拉力也受到剪切作用. DC06镀锌钢点焊接头主要有两种断裂模式，分别是撕出型断裂和拔出型断裂，激光螺旋点焊断裂模式均为撕出型断裂，电阻点焊断裂模式均为拔出型断裂. 图17a为撕出型断裂，接头撕出型断裂是在接头处开裂，接头与母材一起从试板上撕出，最后在母材处发生破坏. 与拔出型断裂相比，焊缝撕出型断裂具有更大的破坏位移，吸收更多能量，是一种理想的断裂形式. 图17b为拔出型断裂，这是电阻点焊中常见的一种破坏形式，即接头被完整地拉出板材，留下一个洞，像纽扣一样留在另一块板材上，李铜、郑森等人[16-17]在镁合金和镁钢搭接电阻点焊中都发现了该种断裂模式，该种断裂模式裂纹扩展迅速，吸收能量较少.
图 16 拉伸试验接头受力分析图
Figure 16. Tensile test welding joint force analysis diagram
图 17 不同接头断裂模式图
Figure 17. Fracture mode diagram of different joints. (a) tear-out type (laser screw welding welding); (b) pull-out type (resistance spot welding)
对两种模式断口进行分析，图18a为撕裂断口，可以发现整个断口的韧窝多为等轴韧窝(图18b)，大小比较均匀，整体表现出较好的韧性断裂特征，可以分析出由于热影响区的晶粒产生了正火效应. 该处的塑性和强度有所提高[18]，可发生较大的塑性变形而不发生断裂，而当接头因受拉力后大角度旋转对母材的剪切力起主导作用，导致母材最终撕裂；图18c是拔出型断口，可以发现焊接接头两侧受力的破坏形式明显不同，发现焊接接头受力一侧的断口为纤维状的韧窝状组织，呈现出韧性断裂的特征，另一侧在发生明显的塑性变形后产生了相对平滑的断口，呈现出脆性断裂的特征. 对两种类型断口做Zn元素的能谱面分布发现，撕出型断口Zn几乎完全挥发，而拔出型断口Zn呈现了一定的聚集性. 在对拔出型断口起裂一侧的断口分析，发现接头边缘有气孔，气孔内部放大后发现许多浅色颗粒(图18d). 对A、B、C 3处气孔内的颗粒物质进行了EDS点扫，能谱结果如表6所示，气孔内颗粒物质Zn含量较高，说明孔隙是由锌蒸气堆积产生的，在较小的间隙下，锌蒸气逸出不畅，导致接头边缘存在缺陷[19]，成为裂纹发生的源头，熔核区附近出现硬脆组织. 在拉伸作用下，裂纹沿着熔核区迅速扩展，最终发生断裂[20].
表 6 气孔颗粒物化学成分(质量分数%)
Table 6. Chemical composition of stomatal particles
位置 Fe Zn A 13.64 86.35 B 18.25 81.74 C 16.98 83.00 
图 18 两种断裂模式下点焊接头拉伸断口形貌
Figure 18. Two kinds of fracture mode spot welding head tensile fracture morphology. (a) Tear out type break; (b) tear-out microscopic morphology; (c) extraction type fracture; (d) pull-out microscopic morphology
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(1) 对1.2 mm DC06镀锌钢板搭接接头宏观形貌进行了分析，结果表明激光螺旋点焊在热输入505 ~ 610 J/cm时接头成形良好；电阻点焊在压力0.45 MPa，电流10 kA，作用时间400 ms时接头成形良好.
(2) 激光螺旋点焊熔核区中心为等轴晶，周围为柱状晶，主要由铁素体(F)和少量渗碳体(Fe3C)组元组成，热影响区由块状铁素体(F)组成，熔核区和热影响区的平均晶粒尺寸分别为27.82 μm和3.09 μm；电阻点焊熔核区为柱状晶，由贝氏体(B)组成，塑性环外粗晶区由铁素体(F)和少量贝氏体(B)组成，熔核区和粗晶区的平均晶粒尺寸分别为33.78 μm和5.94 μm.
(3) 激光螺旋点焊熔核区外围等轴晶硬度为160 HV左右，中心等轴晶硬度约为130 HV，有明显的硬度梯度；电阻点焊熔核区硬度约为190 HV，无明显硬度梯度. 激光螺旋点焊抗拉剪性能比电阻点焊提高了13.02%.
(4) 激光螺旋点焊和电阻点焊的失效形式分别为撕出型和拔出型，激光螺旋点焊由于热影响区组织塑性较好，接头受到拉剪作用时更易产生大角度转动而吸收更多的能量，具有更好的力学表现，而电阻点焊接头中由于Zn颗粒堆积形成的孔隙，受力后更易断裂.
Microstructure and properties of laser spiral spot welding and resistance spot welding DC06 galvanized steel joints
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摘要: 对比研究了激光螺旋点焊和电阻点焊工艺对DC06镀锌钢接头成形、微观组织和力学性能(显微硬度和剪切性能)的影响规律. 结果表明，两种工艺均能获得成形良好的焊接接头，激光螺旋焊接头微观组织主要为铁素体(F)和少量渗碳体(Fe3C)；电阻点焊接头微观组织主要为贝氏体(B)和铁素体(F). 由于内外散热不均匀，激光螺旋点焊熔核区中心形成不同硬度的等轴晶，周围为具有明显取向的柱状晶，硬度值为130 ~ 160 HV；电阻点焊熔核区冷速相近，无明显硬度梯度，硬度在190 HV左右. 激光螺旋点焊拉剪承载载荷为10.14 kN，比电阻点焊的8.82 kN提升了13.02%. 接头失效形式分析发现：激光螺旋点焊和电阻点焊的失效形式分别为撕出型和拔出型，激光螺旋点焊由于热影响区组织塑性较好，接头受到拉剪作用时更易产生大角度转动而吸收更多的能量，具有更好的力学表现. 最后，还对搭接间隙和锌镀层对激光螺旋点焊接头力学性能的影响进行讨论.Abstract: A comparative study of laser spiral spot welding and resistance spot welding process on DC06 galvanized steel joints forming, microstructure, and mechanical properties (microhardness and shear properties) of the law. The results show that both processes can obtain well-formed welded joints, the microstructure of the laser spiral welded head is mainly ferrite (F) and a small amount of carburized body (Fe3C); the microstructure of the resistance spot welded head is mainly bainite (B) and ferrite (F). Due to uneven heat dissipation inside and outside, the laser spiral spot welding nucleus formed in the center of the equiaxed crystals of low hardness, surrounded by columnar crystals with obvious orientation, hardness values of 130 − 160 HV; resistance spot welding nucleus area cold rate is similar, no obvious hardness gradient, hardness in about 190 HV. The laser spiral spot welding tensile shear load is 10.14 kN, which is 13.02% higher than the resistance spot welding 8.82 kN. The failure form of the joint was analyzed and found that the failure forms of laser spiral spot welding and resistance spot welding were tear-out types and pull-out type respectively. Finally, the effect of lap gap and zinc coating on the mechanical properties of laser spiral joint welds is also discussed.
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图 3 不同热输入下接头表面(见插图)及截面形貌
Figure 3. Surface (see inset) and cross-sectional shape of the joint under different heat inputs. (a) low heat inputl; (b) medium heat input; (c) high heat input
图 5 不同工艺参数下电阻点焊熔核区尺寸
Figure 5. Size of resistance spot welding nuclei under different process parameters. (a) P1 = 0. 45 MPa, I = 7 kA; (b) P1 = 0. 55 MPa, I = 7 kA; (c) P1 = 0. 45 MPa, I = 10 kA
图 7 激光螺旋点焊微观组织形貌
Figure 7. Laser spiral spot welding microstructure morphology. (a) fusion zone; (b) heat affected area; (c) base material; (d) fusion zone 2.00 kx; (e) fusion zone 5.00 kx; (f) fusion zone 10.00 kx
图 11 电阻点焊微观形貌
Figure 11. Resistance spot welding microscopic shape. (a) Fusion core; (b) Coarse crystal area; (c) Base material; (d) Fusion core 2.00 kx; (e) Fusion core 5.00 kx; (f) Fusion core 10.00 kx
图 14 激光螺旋点焊和电阻点焊接头显微硬度分布图
Figure 14. Microhardness distribution of laser spiral spot welding and resistance spot welding joints
图 17 不同接头断裂模式图
Figure 17. Fracture mode diagram of different joints. (a) tear-out type (laser screw welding welding); (b) pull-out type (resistance spot welding)
图 18 两种断裂模式下点焊接头拉伸断口形貌
Figure 18. Two kinds of fracture mode spot welding head tensile fracture morphology. (a) Tear out type break; (b) tear-out microscopic morphology; (c) extraction type fracture; (d) pull-out microscopic morphology
表 1 DC06镀锌钢板化学成分(质量分数，%)
Table 1. Chemical composition of DC06 galvanized steel sheet
C Si Mn P S Ti Al Fe ≤0.005 ≤0.030 ≤0.200 ≤0.020 ≤0.015 0.030 ~ 0.080 0.010 ~ 0.060 余量 
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表 2 DC06镀锌钢板力学性能
Table 2. Mechanical properties of DC06 galvanized steel
屈服强度ReL/MPa 抗拉强度Rm/MPa 断后伸长率A80/% 塑性应变比r 应变硬化指数n 120 ~ 170 270 ~ 350 ≥ 41 ≥ 2.1 ≥ 0.220
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表 3 激光螺旋点焊焊接工艺参数
Table 3. Laser screw welding welding process parameters
激光功率P/kW 扫描速度vs/(mm∙s−1) 板间间隙g/mm 扫描方向 扫描路径l/mm 离焦量D/mm 3.5 ~ 5.5 85 ~ 105 0 ~ 0.5 由内向外 R1 = 0.7，R2 = 1.4，R3 = 2.1，R4 = R5 = 2.8 −5 ~ + 5
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表 4 电阻点焊焊接工艺参数
Table 4. Resistance spot welding process parameters
预压时间t1/ms 预热电流I1/kA 预热时间t2/ms 冷却时间t3/ms 焊头压力P1/MPa 焊接电流I/kA 作用时间t/ms 50 3 30 20 0.45 ~ 0.55 7 ~ 10 200 ~ 400
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表 5 预试验最佳工艺参数
Table 5. Pre-test optimal process parameters
激光螺旋
点焊激光功率P/kW 扫描速度vs/(mm∙s−1) 板间间隙g/mm 扫描方向 扫描路径l/mm 离焦量D/mm 气体流量f/(L∙min−1) 4.5 100 0.2 由内向外 R1 = 0.7，R2 = 1.4，R3 = 2.1，
R4 = R5=2.8+ 5 15 电阻点焊 预压时间
t1/ms预热电流
I1/kA预热时间
t2/ms冷却时间
t3/ms焊头压力
P1/MPa焊接电流
I/kA作用时间
t/ms50 30 30 20 0.55 10 400
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表 6 气孔颗粒物化学成分(质量分数%)
Table 6. Chemical composition of stomatal particles
位置 Fe Zn A 13.64 86.35 B 18.25 81.74 C 16.98 83.00
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[1] 潘竟忠, 张宏昌, 陈志桐, 等. DC06超深冲连退板表面缺陷形貌分类及控制措施[J]. 轧钢, 2022, 39(1): 106 − 109.20220120. doi: 10.13228/j.boyuan.issn1003-9996.20220120 Pan Jingzhong, Zhang Hongchang, Chen Zhitong, et al. Classification of surface defect morphology a control measures for DC06 super deep-drawn continuous retired plate[J]. Rolled Steel, 2022, 39(1): 106 − 109.20220120. doi: 10.13228/j.boyuan.issn1003-9996.20220120 [2] Deng S, Wang H P, Lu F, et al. Investigation of spatter occurrence in remote laser spiral welding of zinc-coated steels[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 140: 269 − 280. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.06.009 [3] 汤贵庭. 镁/钢异种金属电阻点焊工艺研究[J]. 热加工工艺, 2018, 47(15): 225 − 228. doi: 10.14158/j.cnki.1001-3814.2018.15.058 Tang Guiting. Study on the resistance spot welding process of magnesium/steel dissimilar metals[J]. Thermal Processing Technology, 2018, 47(15): 225 − 228. doi: 10.14158/j.cnki.1001-3814.2018.15.058 [4] Kumagai K, Kuwahara M, Yasuki T, et al. Development of fracture model for laser screw welding[J]. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems, 2016, 9(1): 280 − 289. doi: 10.4271/2016-01-1344 [5] Cheng M, Sawa N. Fatigue life prediction method for laser screw welds in automotive structures[R]. SAE Technical Paper, 2016. [6] Thiel C, Hess A, Weber R, et al. Stabilization of laser welding processes by means of beam oscillation[C]//Laser Sources and Applications. International Society for Optics and Photonics, 2012. [7] Yamazaki Y, Abe Y, Hioki Y, et al. Fundamental study of narrow-gap welding with oscillation laser beam[J]. Welding international, 2016, 30(9): 699 − 707. doi: 10.1080/09507116.2016.1142193 [8] 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(8): 43 − 51. Ren Yiqun, Li Liqun, Gong Jianfeng, et al. Study on Laser Screw Welding welding process of galvanized steel lap joints[J]. China Laser, 2020, 47(8): 43 − 51. [9] Hao K, Li G, Gao M, et al. Weld formation mechanism of fiber laser oscillating welding of austenitic stainless steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 225: 77 − 83. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.05.021 [10] 陈锡源, 陈俐, 常明, 等. SP700钛合金激光焊的焊缝成形与性能分析[J]. 焊接学报, 2018, 39(6): 121 − 125. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390162 Chen Xiyuan, Chen Li, Chang Ming, et al. Analysis of weld formation and performance of laser welding of SP700 titanium alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2018, 39(6): 121 − 125. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390162 [11] 高亚峰, 卢庆华. 高强钢激光焊接研究进展[J]. 焊接技术, 2016, 45(7): 1 − 4.2016.07.001. doi: 10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2016.07.001 Gao Yafeng, Lu Qinghua. Advances in laser welding of high-strength steel[J]. Welding Technology, 2016, 45(7): 1 − 4.2016.07.001. doi: 10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2016.07.001 [12] 李泽宇, 徐连勇, 郝康达, 等. MAG和激光扫描-电弧复合焊X80钢接头组织和性能[J]. 焊接学报, 2022, 43(5): 36 − 42. doi: 10.12073/j.hjxb.20220101002 [13] Li Zeyu, Xu Lianyong, Hao Kangda, et al. Organization and properties of MAG and laser scanning-arc composite welded X80 steel joints[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2022, 43(5): 36 − 42. [14] Liu X D, Xu Y B, Misra R D K, et al. Mechanical properties in double pulse resistance spot welding of Q&P 980 steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2019, 263: 186 − 197. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2018.08.018 [15] 冀春涛, 陶云, 周曦文. 镀锌钢-2024铝合金异种金属的电阻点焊[J]. 热加工工艺, 2015, 44(7): 212 − 214. doi: 10.14158/j.cnki.1001-3814.2015.07.063 Ji Chuntao, Tao Yun, Zhou Xiwen. Resistance spot welding of galvanized steel-2024 aluminum alloy dissimilar metals[J]. Thermal Processing Technology, 2015, 44(7): 212 − 214. doi: 10.14158/j.cnki.1001-3814.2015.07.063 [16] 张运通, 孙杨, 魏巍, 等. 激光焊工艺对Q310NQL2耐候钢T形接头疲劳强度的影响[J]. 焊接技术, 2021, 50(12): 17 − 21. doi: 10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2021.12.004 Zhang Yuntong, Sun Yang, Wei Wei, et al. Effect of laser welding process on fatigue strength of Q310NQL2 weathering steel T-joints[J]. Welding Technology, 2021, 50(12): 17 − 21. doi: 10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2021.12.004 [17] 李铜, 罗怡. AZ31B镁合金电阻点焊熔核区微观组织及力学性能研究[J]. 西华大学学报(自然科学版), 2014, 33(6): 62 − 65. doi: 10.3969/j.issn.1673-159X.2014.06.0014 Li Tong, Luo Yi. Study on microstructure and mechanical properties of AZ31B magnesium alloy resistance spot welded fusion nuclei[J]. Journal of Xihua University (Natural Science Edition), 2014, 33(6): 62 − 65. doi: 10.3969/j.issn.1673-159X.2014.06.0014 [18] 郑森, 程东海, 陈益平, 等. 镁合金/镀锌钢板电阻点焊接头拉剪断裂分析[J]. 焊接学报, 2017, 38(5): 104 − 107. doi: 10.12073/j.hjxb.20170523 Zheng Sen, Cheng Donghai, Chen Yiping, et al. Analysis of tensile shear fracture in resistance spot welded heads of magnesium alloy/galvanized steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2017, 38(5): 104 − 107. doi: 10.12073/j.hjxb.20170523 [19] 李俐群, 申发明, 周远东, 等. 超高速激光熔覆与常规激光熔覆431不锈钢涂层微观组织和耐蚀性的对比[J]. 中国激光, 2019, 46(10): 174 − 183. Li Liqun Li, Invention Shen, Yuan Dong Zhou, et al. Comparison of microstructure and corrosion resistance of 431 stainless steel coatings by ultra-high-speed laser melting and conventional laser melting[J]. China Laser, 2019, 46(10): 174 − 183. [20] Mei L, Chen G, Jin X, et al. Research on laser welding of high-strength galvanized automobile steel sheets[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2009, 47(11): 1117 − 1124. doi: 10.1016/j.optlaseng.2009.06.016 [21] 武守辉, 陈思杰, 潘丽杰. 同种工艺条件下铝-钢板和铝-镀锌钢板的电阻点焊研究[J]. 热加工工艺, 2013, 42(21): 166 − 168. doi: 10.14158/j.cnki.1001-3814.2013.21.059 Wu Shouhui, Chen Sijie, Pan Lijie. Study on resistance spot welding of aluminum-steel plate and aluminum-galvanized steel plate under homogeneous process conditions[J]. Thermal Processing Technology, 2013, 42(21): 166 − 168. doi: 10.14158/j.cnki.1001-3814.2013.21.059 -
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