激光裁焊拼板工艺的疲劳行为在汽车中的应用

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1、激光裁焊拼板工艺的疲劳行为在汽车中的应用

2、第1...1．简介在过去的20年里，出于节约燃料和保护环境的考虑，汽车工业经历了紧缩的政府政策和安全性要求。这些规定促使汽车制造商提出创新的解决方案来设计减小燃料消耗的更加轻巧的汽车，同时出于驾驶员安全的考虑改进车辆的总体结构。其中一种解决方案包含了激光裁焊拼板工艺，这项工艺要求在加工过程之前选择各种材料共同来焊接。将可获得的材料选择到裁焊拼板的概念使得工程师们可以裁剪拼板以保证在他们所需要的零件的内部准确安置材料最佳的性能。等级，厚度，强度和电镀涂层上（例如镀锌/镀镍或者冷却包箔和退火）都存

3、在着差异。如图1所示，裁焊拼板目前用于车体侧面框架，车门内部面板，发动机间隔栏，中柱的内部面板，车轮框/减振面板。到目前为止，在汽车应用中还没有其他的材料表现出钢所具有的多样性。现有的IF钢，DP和HSLA在可成形性方面有很好的表现，能够满足大多数汽车制造的要求。随着提出预测和评估这些裁焊拼板工艺在成形和其他结构特性方面的性能的挑战，这些等级钢的使用已经渗透到裁焊拼板当中了。许多关于裁焊拼板成形行为的报告已经有了记载。在A/SP其中的一篇报告中提及，在疲劳或者循环加载的情况下裁焊拼板的失效对于结构组成来说是非常严重的问题。材料的高循环

4、疲劳强度取决于例如残余压力，局部压力集中和表面保护涂层等表面条件。在运用激光焊接工艺时，残余压力和其他的焊接缺陷被引入到了材料中。由于在这方面只有有限的数据，A/SP已经确定这一领域需要进一步的研究。T-2001）下进行。施加持续时间为15s的300g的加载。在疲劳测试之前，为了确定最大施加加载值，要在没有焊接珠的单个底座金属上依据ASTME8标准进行拉伸测试。用于疲劳加载的的初始值选大约最终拉伸强度的一半。拉伸特性由速度控制模式下的Schenck-Treble拉伸测试机确定。在具有强大计算功能的水压伺服Instron8801疲劳测试

5、系统上进行测试。在作为每ASTME466标准量的加载量下进行测试。为了避免可能发生的扣住，所有的样品限制在室温条件下加载比率为的压紧循环中，并且垂直于焊接珠的方向。在测试中使用频率为50Hz的正弦波。在循环中在某强度水平下无疲劳失效发生，则我们定义这个强度水平为疲劳极限。我们使用装有EDS分析仪的电子扫描显微镜检查破裂表面，EDS分析仪可以用来确定疲劳裂缝的初始方位和疲劳裂缝的传播机制。3．结果与讨论3．1微观结构和微硬度微观结构分析表明焊接不受如图3所示的多孔性，凹度，裂缝，空洞和未校准等焊接缺陷的影响，同时也表明表3选择的焊接参数

6、是合理的。熔化区的平均宽度大约为0.8－1mm，焊接两侧受热影响的总区域大约为0.7－1mm。底座金属的微观结构由等轴晶粒铁酸盐构成，焊接区域表现微优良的珠光体和低碳贝氏体。Vickers所做的微硬度测试表明与单个底座金属相比，交叉连接处裁焊拼板具有更高的硬度（图4）。在测试的三种裁焊拼板化合物中，我们发现分别与底座金属比较，焊接珠的硬度是它们的2.5倍。正如其他的研究者所报告的一样，这是由于激光焊接加工局部热量输入特性引起的。比较不同焊接工艺在热蘸镀锌低碳钢上的效果，Lazzarinetal指出在焊接时激光焊接比捣碎焊接具有更高的硬

7、度。Rheeetal指出焊接珠的硬度是相似或者不相似厚度底座金属钢板硬度的2.3倍。Leeetal指出激光焊接产生最窄的焊接区域，电波束焊接产生的区域是它的1.5倍，捣碎焊接产生的区域是它的4倍。他们同时也发现激光焊接的微硬度峰值要高于电波束焊接和捣碎焊接。然而，焊接中产生较高硬度的原因却没有说明。IF钢和低碳钢正常情况下包含微量合金元素，例如含有0.01％的钛和0.02％的铌。通过微观结构更新，固态溶解增强和快速淬水加入这些微量元素有利于增强强度和可淬性。如图5a所示，这样形成的钢板的典型微观结构由嵌入钛和铌的碳化物的铁酸盐矩阵构成

8、。由于晶体分解铁酸盐具有不同的形态，研究表明多边形铁酸盐具有等轴晶粒组成的多齿和低断层密度。anstatten铁酸盐是具有断层结构的伸长鱼叉；粒状的铁酸盐包含有孤立的宏观元素和高断层密度；贝氏体铁酸盐由平行的铁酸盐条组成并具有高断层密度。