鍍鋅板激光焊接

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1、1?引言鍍鋅鋼的鍍鋅層不但具有物理屏蔽作用，而且對鋼基體還起到了電化學(xué)保護作用，其良好的抗腐蝕性能使得鍍鋅鋼在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，包括電力、交通、建筑、化工、通風(fēng)供熱設(shè)施以及家具制造等行業(yè)。尤其在汽車制造中，各種普通鍍鋅鋼，高強度鍍鋅鋼，超高強度鍍鋅鋼的應(yīng)用大幅提高了車身等部件的抗腐蝕性能和汽車的使用壽命。然而，因鍍鋅鋼中鍍鋅層的存在，使得鍍鋅鋼的焊接工藝性大為降低。原因是在鍍鋅鋼的焊接過程中，鍍層鋅和基體鋼物理特性的極大差異（鍍鋅層鋅的熔點是420度，沸點是908度，基體鋼的熔點是1300度，沸點是2861度），鍍層鋅的氣化先于基體鋼的熔化

2、，這一現(xiàn)象對鍍鋅鋼的焊接過程和質(zhì)量都有很大影響。目前，鍍鋅鋼的主要焊接工藝有三種：電阻電焊、電弧焊和激光焊接。對電阻點焊而言，由于鍍鋅層的存在，焊接時電極易于鋅層合金化，降低了電極的壽命。而采用電弧焊焊接鍍鋅鋼時，由于鋅的低沸點，在電弧剛接觸到鍍鋅層時，鋅迅速氣化，產(chǎn)生的鋅蒸氣向外噴射，很容易使焊接產(chǎn)生熔渣粒子、氣孔、飛濺、未熔合及裂紋等焊接缺陷，電弧的穩(wěn)定性也因此受到影響，焊接質(zhì)量下降，同時焊接過程中還會產(chǎn)生大量煙霧灰塵。另外，由于電弧焊的焊縫寬度較大，且熱輸入量大，鍍層鋅的大量氣化降低了鍍鋅鋼焊縫處的抗腐蝕性能。鍍鋅鋼采用激光焊接時，同樣存在

3、鍍鋅層的氣化，以及焊接氣孔、飛濺、未熔合等缺陷。但激光焊接與電阻點焊和電弧焊相比，激光焊接單位熱輸入量少、熱變形小、焊縫深寬比大、焊接速度高、焊縫強度普遍高于母材、鍍層鋅的損耗低,且激光焊接是單邊加工、復(fù)雜結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好、易于實現(xiàn)遠程焊接和自動化。例如，德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃、美國通用、福特、意大利菲亞特、日本的日產(chǎn)、本田和豐田等汽車公司，都采用了激光焊接技術(shù)，建立了激光焊接生產(chǎn)線，在有的汽車生產(chǎn)中激光搭接焊縫已達到100米長。在國內(nèi)汽車廠家，只有少數(shù)幾家企業(yè)（如：上海通用，一汽奧迪，大眾等）引進國外的設(shè)備和技術(shù)，建立了激光焊接生產(chǎn)線。

4、本文以鍍鋅鋼板為例，在分析鍍鋅鋼板激光焊接特性的基礎(chǔ)上，綜述了提高鍍鋅鋼板焊接質(zhì)量的工藝措施，焊接過程的優(yōu)化仿真及焊接質(zhì)量的在線檢測與控制。2?鍍鋅鋼板激光焊接特性激光焊接過程，根據(jù)焊接機理的不同可以分為兩類：熱傳導(dǎo)焊與深熔焊。兩者之間的根本區(qū)別就是是否存在焊接小孔。激光焊接鍍鋅鋼板時，一般采用深熔焊接。但由于鍍鋅鋼板中鍍層鋅的存在，激光深熔焊接鍍鋅鋼板的過程存在兩種特有的焊接特征：鋅蒸氣和鋅等離子體。(1)鋅蒸氣當(dāng)高能量密度的激光束照射到工件表面時，工件吸收激光能量，溫度迅速升高，由于鋅的低沸點，鍍鋅鋼板的鍍層鋅極易氣化而形成鋅蒸氣。當(dāng)鋅蒸氣被

5、壓入焊接熔池時，對熔池產(chǎn)生擾動，熔池中的氣泡不易排出，對焊接過程的影響最大。因為激光焊接熔池的冷卻速度很快，熔池凝固時間很短，熔池中的氣泡極易使焊縫產(chǎn)生焊接缺陷，如飛濺、熔渣、氣孔、未熔合，影響焊縫成形，降低焊縫質(zhì)量。同時，鋅的蒸發(fā)使鍍鋅層的含鋅量減少，對鍍鋅層的防腐性也有一定的影響；還有文獻中提到鋅層的蒸氣對人體有害，影響工作環(huán)境。因此解決鋅蒸氣問題成為鍍鋅鋼板激光焊接的根本問題。鍍鋅鋼板的激光焊接過程中，鋅蒸氣的產(chǎn)生可以分為兩類：①上表層鋅和下表層鋅的氣化；②疊層搭接焊時中間層鋅的氣化（如圖1所示）。上下表層鋅蒸發(fā)而產(chǎn)生的鋅蒸氣膨脹并向空中自

6、由擴散，對焊接質(zhì)量無直接影響。鍍鋅鋼板疊層搭接焊中，中間鍍鋅層氣化產(chǎn)生的鋅蒸氣的膨脹擴散途徑有三種：①經(jīng)由板間間隙膨脹擴散至空氣中；②經(jīng)由焊接小孔膨脹擴散至空氣中；③鋅蒸氣被壓入焊接熔池。對于鍍鋅鋼板疊層搭接焊鋅蒸氣經(jīng)由板間間隙擴散排出的方式，合適的板間間隙值是控制鋅蒸氣排出的關(guān)鍵因素，間隙值的選取見本文第三部分第一節(jié)第二點板間間隙法。鋅蒸氣經(jīng)由焊接小孔排出是另一種有效的途徑。但是，焊接小孔是細(xì)長小孔且焊接速度較快，有時鋅蒸氣無法通過板間間隙和焊接小孔完全排出而被強大的蒸氣壓力壓入焊接熔池，形成熔池中的氣泡。當(dāng)熔池凝固時間足夠長，氣泡會隨熔池的攪

7、拌從內(nèi)部熔池向熔池表面移動并最終排出到空氣中；但如果熔池凝固時間短，熔池中鋅蒸氣的氣泡在向熔池外移動和擠壓過程中容易形成飛濺和熔渣，或者留在熔池內(nèi)形成焊縫中的氣孔，嚴(yán)重時會在板間形成大氣泡，阻礙板間的熔合。實際鍍鋅鋼板的激光焊接過程中，鋅蒸氣的迅速產(chǎn)生且蒸氣壓力大，鋅蒸氣同時經(jīng)由上述三種擴散途徑排出。????????????????????????圖1鋅蒸氣的擴散.(a)上下表層鋅蒸氣擴散；(b)中間層鋅蒸氣擴散Fig.1Thediffusionofzincvapor.（a）Ontopandbottomsurface；（b）Inmiddlelay

8、er.(2)鋅等離子體光致等離子體是激光深熔焊接的重要特征。當(dāng)激光束照射到鍍鋅鋼板上，表層鋅和基體鋼吸收激光并迅速氣化，形成鋅和鐵的混合