鍍鋅鋼激光焊接鋅燒損研究

張屹 楊雄 唐軍君 王剛

摘要：鋅燒損是鍍鋅鋼板激光焊接過程中的關(guān)鍵問題之一.本文通過測(cè)量焊后上下層鋅燒損寬度、中間層鋅的相對(duì)含量及腐蝕前后增重比，實(shí)驗(yàn)研究了激光搭接焊接工藝參數(shù)與焊接過程中光致等離子體譜線信息與鋅燒損的相關(guān)性.研究結(jié)果表明：鋅燒損的主要影響工藝因素主次順序?yàn)楹附铀俣取⒓す夤β?、輔助氣體流量和離焦量；鋅的燒損量隨著鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強(qiáng)度的增大而增大；氣孔因鍍層鋅的蒸發(fā)而產(chǎn)生，直徑越大，局域鋅元素含量越高.鋅譜線強(qiáng)度可用于在線監(jiān)測(cè)鍍鋅鋼激光焊接時(shí)氣孔的產(chǎn)生及鋅燒損量的動(dòng)態(tài)變化.

關(guān)鍵詞：激光焊接；鋅燒損；鍍鋅鋼；等離子體；氣孔

中圖分類號(hào)：TG17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

鍍鋅鋼板以其極高的強(qiáng)度和優(yōu)良的耐腐蝕性能大量應(yīng)用于汽車制造行業(yè).激光焊接具有焊縫窄而平滑、強(qiáng)度高、成形性好和焊件變形小等特點(diǎn)[1-3]，因此鍍鋅鋼激光焊接成為現(xiàn)代汽車制造的關(guān)鍵技術(shù).激光焊接的高能量密度會(huì)引起鍍層鋅的大量燒損而降低接頭的耐腐蝕性能.同時(shí)，鋅的劇烈蒸發(fā)還將引起氣孔、飛濺和塌陷等焊接缺陷[4-5].因此，激光焊接工藝參數(shù)對(duì)鋅燒損影響的研究及焊接過程鋅燒損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問題尤為重要.等離子作為激光深熔焊接中存在的物理現(xiàn)象，與鋅燒損等焊接問題存在重要關(guān)聯(lián).本文探究了鍍鋅鋼激光焊接時(shí)的鋅譜線Zn I 328.2 nm及Zn I 330.3 nm與鋅燒損的關(guān)系，為鋅燒損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù).

1實(shí)驗(yàn)條件

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為寶鋼生產(chǎn)的高強(qiáng)度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板B340/590DPD+Z，材料化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1，其抗拉強(qiáng)度σb≥590 MPa ，屈服強(qiáng)度σs≥340 MPa.該材料具有良好的沖壓性能，因?yàn)殄冧\，防腐性能優(yōu)越，可用于車身各種結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件和防撞件等.實(shí)驗(yàn)試件尺寸為100 mm×30 mm×1.2 mm的平板件.實(shí)驗(yàn)中自制的簡易焊接夾具夾緊試件，為了盡可能避免油污影響焊接質(zhì)量，焊前用丙酮清洗焊接部位，去除油污.

1.2實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用的激光器是德國ROFIN生產(chǎn)的DC025型板條式CO2激光器，激光波長為10.6 μm，最大輸出功率P=2 500 W，連續(xù)輸出的激光模式為TEM00，光束發(fā)散半角α<0.15 mrad，光束質(zhì)量K>0.9，采用焦距f=200 mm的銅拋物反射鏡聚焦，光束聚焦后的焦斑直徑為0.4 mm；焊接機(jī)床為湖南大學(xué)激光研究所與上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪公司共同開發(fā)的SESAMO型數(shù)控三維五軸激光切割焊接機(jī)床.光譜采集系統(tǒng)采用美國Princeton Instruments公司生產(chǎn)的SpectraPro2356型光譜儀.為了提高測(cè)量精度和方便光譜信號(hào)的后處理分析，本試驗(yàn)選擇分辨率為0.05 nm，1 200 g/mm的光柵.采用光纖探測(cè)組件接受光信號(hào)并將光信號(hào)傳輸給光譜儀.光纖探測(cè)頭固定裝置采用二位電動(dòng)位移平臺(tái).實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1.

焊后采用型號(hào)為JXA8230的電子探針顯微分析儀對(duì)焊縫元素進(jìn)行半定量的線掃描分析（日本進(jìn)口的電子探針顯微分析儀 （Electron Probe Micro Analyzer，EPMA））.

1.3實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)過程采用搭接焊，正交試驗(yàn)選取激光焊接過程中對(duì)焊接質(zhì)量有較大影響的4個(gè)因素，分別是激光功率、焊接速度、離焦量、輔助氣體流量（注：采用Ar氣），每個(gè)因素各取4個(gè)水平，其焊接水平因素表如表2所示，實(shí)驗(yàn)參數(shù)表如表3所示，實(shí)驗(yàn)過程中采集光致等離子體信號(hào)譜線.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)前，首先分析了鋅的燒損量與鍍鋅層燒損寬度的相關(guān)性.鋅的燒損寬度采用體式顯微鏡測(cè)量焊縫兩側(cè)平行于焊縫中心線的兩條白色燒損線間的寬度；焊后鋅含量采用電子探針顯微分析儀進(jìn)行中間層鋅元素含量掃描后獲取.如圖2所示，上、下層鋅的燒損寬度與焊后試件鋅的含量正相關(guān)，因而可以用上、下層鋅的燒損寬度來描述焊后試件鋅的燒損量[7]

離焦量也是影響鍍鋅鋼激光焊接鋅燒損的重要工藝參數(shù).上、下鋅層鋅的燒損寬度由照射到工件表面的激光輻照功率密度是否達(dá)到鋅汽化閾值來決定.而離焦量的變化帶來了輻照在工件表面的光斑直徑和照射在工件表面激光功率密度的變化，進(jìn)而影響工件材料對(duì)激光能量的吸收及上、下鋅層鋅的燒損寬度.圖5表明，鋅的燒損量變化在離焦量-1.5 mm～1 mm區(qū)間中波動(dòng)變化，試件焊后腐蝕后增重千分比的變化與上、下鋅層燒損寬度變化趨勢(shì)相同.離焦量為-1.5 mm時(shí)，鋅的燒損量比-1.0 mm時(shí)大.這是因?yàn)樵搮^(qū)域中激光輻照光斑的直徑起主導(dǎo)作用，激光輻照面積越大，鋅的燒損量越大.而離焦量在-1.0 mm至1.0 mm區(qū)間，離焦量引起的激光輻照功率密度決定了鋅的燒損.離焦量為0時(shí)，激光輻照功率密度在離焦量為-1.0 mm～1.0 mm區(qū)域中最大，此時(shí)鋅的燒損寬度最大.

2.2鋅譜線強(qiáng)度與鋅燒損的相關(guān)性

采用等離子體特征信號(hào)作為焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的依據(jù)是激光焊接在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).本文采集了16組實(shí)驗(yàn)中的5組光致等離子體譜線信息進(jìn)行分析，如圖6所示.研究發(fā)現(xiàn)：鋅譜線Zn I 328.2 nm及Zn I 330.3 nm的強(qiáng)度特征隨鋅燒損量變化顯著[8-10].因此本文重點(diǎn)分析了鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強(qiáng)度，得到了鋅燒損量與鋅譜線強(qiáng)度之間的相關(guān)性.從圖7發(fā)現(xiàn)，中間層剩余含鋅量隨著鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強(qiáng)度的增大而減小，即鋅的燒損量隨著鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強(qiáng)度的增大而增大.在光學(xué)薄的等離子體中，光發(fā)射譜線的強(qiáng)度與激發(fā)態(tài)原子的密度成正比.而激發(fā)態(tài)原子的密度分布符合波爾茲曼分布，與鋅蒸氣原子密度成正比.因此，監(jiān)測(cè)鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強(qiáng)度可用于反映鍍鋅鋼激光焊接時(shí)鋅燒損量的動(dòng)態(tài)變化.

2.3鋅元素分布與氣孔之間的關(guān)系

如圖8所示，采用電子探針顯微分析儀進(jìn)行鋅元素線掃描的過程中發(fā)現(xiàn)，鋅元素含量突增的地方均有氣孔存在，且氣孔越大，局域鋅元素含量越高.因?yàn)樵阱冧\鋼激光焊接過程中，鍍層鋅和基體鋼物理特性的極大差異（鍍鋅層鋅的熔點(diǎn)是420 ℃，沸點(diǎn)是908 ℃，基體鋼的熔點(diǎn)是1 300 ℃ ， 沸點(diǎn)是2 861 ℃[11-12]），鍍層鋅的汽化先于基體鋼的熔化.由于鋅的沸點(diǎn)低， 鍍鋅鋼板的鍍層鋅極易汽化而形成鋅蒸氣.當(dāng)鋅蒸氣被壓入焊接熔池時(shí)， 對(duì)熔池產(chǎn)生擾動(dòng)， 熔池中的氣泡不易排出.加之激光焊接熔池的冷卻速度快，熔池凝固時(shí)間短，熔池中的鋅蒸氣引起的氣泡極易使焊縫產(chǎn)生氣孔.

3結(jié)論

鍍鋅鋼激光焊接時(shí)，以上、下層鋅燒損寬度及腐蝕后增重千分比為依據(jù)，其影響鋅燒損因素主次順序?yàn)椋汉附铀俣?、激光功率、輔助氣體流量、離焦量，優(yōu)水平為激光功率1 400 W，焊接速度25 mm/s，離焦量-1 mm，輔助氣體流量25 L/min.分析可得出以下結(jié)論：

1）激光功率越大，焊接速度越小，輸入工件的線能量越大，鋅的燒損量越大，焊后試件腐蝕程度越嚴(yán)重；而在離焦量為-1.5～1 mm區(qū)間，鋅的燒損量和試件焊后腐蝕增重千分比成波動(dòng)變化.

2）焊后試件含鋅量隨著鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強(qiáng)度的增大而減小，即鋅的燒損量隨著鋅譜線平均強(qiáng)度的增大而增大.鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強(qiáng)度可用于在線監(jiān)測(cè)鍍鋅鋼激光焊接時(shí)鋅燒損量的動(dòng)態(tài)變化.

3）激光焊接鍍鋅鋼時(shí)產(chǎn)生氣孔是因?yàn)殄儗愉\的蒸發(fā)而引起，氣孔越大，局域鋅元素含量越高.

參考文獻(xiàn)

[1]KIM J D， NA I， PARK C C. CO2 laser welding of zinccoated steel sheets[J]. KSME International Journal，1998，12（4）：606-614.

[2]DASQUPTA K， MAZUMDER J. Laser welding of zinc coated steel： an alternative to resistance spot welding[J]. Science and Technology of Welding and Joining， 2008， 13（3）：289-293.

[3]ZHAO Yangyang， ZHANG Yansong， HU Wei. Optimization of laser welding thingage galvanized steel via response surface methodology[J]. Optics and Lasers in Engineering， 2012，50（9）： 1267-1273.

[4]陳彥賓. 現(xiàn)代激光焊接技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005：64-65.

[5]WANG H Y， ZHANG Z D， LIU L M. The effect of galvanized iron interlayer on the intermetallics in the laser weld bonding of Mg to Al fusion zone[J]. Journal of Materials Engineering and Performance， 2013，22（2）：351-357.

[6]劉栓，孫虎元，孫立娟.pH值和溫度對(duì)鍍鋅鋼在模擬銹層溶液中電化學(xué)腐蝕行為的影響[J]. 功能材料，2013，6：858-861+865.

[7]姚星，段紅平，李光，等.異種不銹鋼激光焊接相結(jié)構(gòu)變化對(duì)腐蝕特性的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)， 2013，2：72-76.

[8]段林勇.鍍鋅鋼激光添粉焊接的鋅行為控制機(jī)理研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2012：23-24.

[9]WANG Teng， GAO Xiangdong，SEIJI KATAYAMA. Study of dynamic features of surface plasma in highpower disk laser welding[J]. Plasma Science & Technology，2012，14（3）：245-251.

[10]SHSIKHNEK M， HAFEEZ S， KALYARM A，et al. Spectroscopic characterization of laser ablation brass plasma[J]. Jounal of Applied Physics. 2008， 104（10）：103-108.

[11]HAMIDINEJAD S M， HASANNIYA M H， NOOSHIN S. CO2 laser welding of interstitial free galvanized steel sheets used in tailor welded blanks[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，64（1-4）：195-206.

[12]CHEN W C， ACKERSON P， MOLIAN P. CO2 laser welding of galvanized steel sheets using vent holes[J]. Materials and Design， 2009，30 （2） ：245-251.