Southern Taiwan University of Science And Technology 1

Research on laser welding of vehicle bodyQ. Wu, J. Gong, G. Chen, L. Xu, Optics & Laser Technology, vol 40, pp.420-426, 2008

指導教授：郭聰源

研究生：李建賢

2013/3/13

Southern Taiwan University of Science And Technology 2

大綱

.壹 前言

.貳 實驗過程

.參 結果與討論

.肆 結論

Southern Taiwan University of Science And Technology 3

一、前言

在汽車製造業界，使用高張力鍍鋅鋼板的優點：重量輕、耐衝擊性佳、成本低。

雷射銲接具有光束集中、高能量、速度快、熱影響區小及良好銲接品質等優點。

雷射縫合法是銲接車體的新技術，此技術可以銲接不同厚度、不同材料、不同強度等在整個車體結構上。

使用雷射縫合法可以設計出適當強度的零件，便可以減少車身重量與生產工作量，進而減少成本。

本文將使用高張力鍍鋅鋼板與三種不同厚度的一般鋼板進行雷射拼銲，研究不同保護氣體、功率、走速對銲接性質的影響，來取得較有利的結果。

Southern Taiwan University of Science And Technology 4

二、實驗過程 (1/2)使用設備： PHC-1500 CO2 雷射銲接機

對接材料：高張力鍍鋅鋼板 1.5 mm 與一般鋼板 1.0 mm

高張力鍍鋅鋼板 1.5 mm 與一般鋼板 1.5 mm

高張力鍍鋅鋼板 1.5 mm 與一般鋼板 2.0 mm

工件大小： 100×30 (mm)

保護氣體種類：氬氣、氮氣，採用同軸與側吹式

入射角： 5°

圖 1. 實驗設置示意圖 圖 2. 材料金相組織圖 (a) 高張力鍍鋅鋼 (b) 一般鋼

Southern Taiwan University of Science And Technology 5

二、實驗過程 (2/2)

表 2. 試件編號及厚度

表 3. 材料化學性質表

表 4. 材料機械性質表

表 1. 雷射參數表

Southern Taiwan University of Science And Technology 6

三、結果與討論3.1. 保護氣體之影響3.2. 功率及走速對銲道形貌之影響

3.2.1 高張力鍍鋅鋼3.2.2 相同厚度兩種鋼3.2.3 不同厚度兩種鋼

3.3. 鋅揮發之影響研究3.4. 銲道微觀結構分析3.5. 銲道拉伸試驗3.6. 銲道成形性試驗

Southern Taiwan University of Science And Technology 7

3.1. 保護氣體之影響

表 5. 高張力鍍鋅鋼板之 IE 值表

•保護氣體作用主要是防止銲接過程中防止表面氧化，以及在高功率雷射銲接時產生電漿吸收或折射掉雷射能量。

圖 3. 成形性試驗示意圖

成形性試驗結果：剛性— N2 ＞ Ar

韌性— N2 ＜ Ar

從銲接後基體金屬含量：N2 保護氣體—含量 78 ％Ar 保護氣體—含量 90 ％

原因：氮氣在高溫度熔池裡容易產生氮化反應

Southern Taiwan University of Science And Technology 8

3.2. 功率及走速對銲道形貌之影響 - 高張力鍍鋅鋼

圖 4. 功率與銲道深 - 寬曲線圖 圖 5. 走速與銲道深 - 寬曲線圖

•圖 4 — 走速固定 1.0 m/min ；圖 5 — 功率固定 1300 W

•結果：增加功率或降低走速皆會造成銲道穿透及寬度擴大。•原因：雷射功率高及走速低帶來更大的入熱量。•功率 1300 W ↑ 時，銲道深度及寬度增加趨勢較平緩。•走速 0.8 mm/min ↓ 時，銲道寬度明顯增加；走速 1.2 mm/min ↑ 時，銲道深度不足。•綜合以上特徵，功率 1300 W 、走速 1.0 mm/min 時銲道品質最佳。

Southern Taiwan University of Science And Technology 9

3.3. 功率及走速對銲道形貌之影響 - 相同厚度兩種鋼

圖 6. 功率與銲道深 - 寬曲線圖 圖 7. 走速與銲道深 - 寬曲線圖

•圖 6 — 走速固定 1.0 m/min ；圖 7 — 功率固定 1300 W

•結果：增加功率或降低走速皆會造成銲道穿透及寬度擴大。•原因：雷射功率高及走速低帶來更大的入熱量。•功率 1200 W ↑ 時，銲道寬度急遽變大，深度卻較平緩。•走速 1.0 mm/min ↓ 時，銲道寬度明顯增加，深度卻只增加一點點。•綜合以上特徵，功率 1200 W 、走速 0.9 mm/min 時銲道品質最佳。

Southern Taiwan University of Science And Technology 10

3.4. 功率及走速對銲道形貌之影響 - 不同厚度兩種鋼

圖 8. 功率與銲道深 - 寬曲線圖 圖 9. 走速與銲道深 - 寬曲線圖

•此階段實驗是將 1.5 mm 高張力鍍鋅鋼與 1.0 、 2.0 mm 一般鋼對接銲，確保緊密接合。•為避免薄板變形或燃燒影響銲接強度，銲接時銲道中心會偏離較厚的一邊。•圖 8 — 走速固定 1.1 m/min ；圖 9 — 功率固定 1400 W

•結果：二曲線圖顯示出不同厚度拼銲與相同厚度的趨勢變化極為相似。

Southern Taiwan University of Science And Technology 11

3.5. 鋅揮發之影響研究

•鋅的汽化會造成壓力增加與汽化擾流，金屬表面產生電漿波動擴展開來，因此導致鍍鋅鋼板銲接時產生飛濺火花與多孔結構，同時會擴大熱影響區及降低

銲接穩定性，進而銲道品質變差，並有可能損壞聚焦鏡。

•解決方法：使用側吹保護氣體防止高功率雷射焊接時電漿遮蓋。•能譜分析結果：1.5 mm 高張力鍍鋅鋼鋅含量 0.53 ％1.5 mm 高張力鍍鋅鋼、 1.0 mm 一般鋼鋅含量 1.31 ％1.5 mm 高張力鍍鋅鋼、 2.0 mm 一般鋼鋅含量 0 ％

•原因：厚度差距能幫助汽化鋅釋放。

Southern Taiwan University of Science And Technology 12

3.6. 銲道微觀結構分析 - 高張力鍍鋅鋼

圖 10. 高張力鍍鋅鋼銲道金相圖(a) 熔池區 (b) 熱影響區

變韌鐵+低碳麻田散鐵

變韌鐵+低碳麻田散鐵+

肥粒鐵

結果：一般鋼晶粒大小—熔池區晶粒比熱影響區細小。

原因：雷射銲接表面冷卻速度快。

熔池區 HAZ高張力鍍鋅鋼一般鋼

Southern Taiwan University of Science And Technology 13

熔池區 HAZ高張力鍍鋅鋼一般鋼

3.6. 銲道微觀結構分析 - 一般鋼與高張力鍍鋅鋼

母材 +細小肥粒鐵

變韌鐵+低碳麻田散鐵

母材 +細小肥粒鐵

變韌鐵+低碳麻田散鐵+

肥粒鐵

圖 11. 拼銲金相圖 (a) 一般鋼熔池區 (b) 高張力鍍鋅鋼熔池區 (c) 一般鋼熱影響區 (d) 高張力鍍鋅鋼熱影響區

Southern Taiwan University of Science And Technology 14

3.7. 銲道拉伸試驗

表 6. 拼銲接之機械性質表

結果： A1-A1 高張力鍍鋅鋼斷裂在熱影響區。

討論：說明不只一般鋼，連高張力鍍鋅鋼熱影響區也沒有延性。

結果： A2-A1 、 A3-A1 、 A4-A1 兩種鋼拼銲皆斷在一般鋼及遠離銲道的位置。

討論：冷卻速度快銲道強度高，約為一般鋼強度的 1.5倍；此外快速冷卻

能降低不同厚度鋼材造成銲道應力集中。

Southern Taiwan University of Science And Technology 15

3.8. 銲道成形性試驗

表 7. 銲道成形性試驗表

結果： A4-A1 之 IE 值最低。

原因：兩鋼材銲接產生高溫造成不均勻變形，使銲道偏離中心線。

•異種銲接中 1.5 mm 高張力鍍鋅鋼銲接 1.0 mm 一般鋼之 IE 值最大

Southern Taiwan University of Science And Technology 16

四、結論

1. 考慮到成形性品質，在雷射銲接使用的保護氣體 Ar 優於 N2 。

2. 雷射功率和走速之間的關係，對於銲道深度及寬度有很大的影響。

3. 使用側吹式保護氣體，能幫助汽化鋅釋放，減少裂紋、氣孔等缺陷，

及熱影響區不軟化，使材料獲得良好的機械性質。

Southern Taiwan University of Science And Technology 17

Thanks for your attention