激光功率對鍍鋅板誘導(dǎo)焊焊縫組織及界面的影響

周方明，畢研華，陳麗麗，陳琪昊，鄭天澤，石銘霄

(1.江蘇科技大學(xué) 江蘇省先進焊接技術(shù)重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.唐山宏正機械設(shè)備有限公司，河北 唐山 063000)

隨著汽車輕量化進程的發(fā)展，汽車車身用板件的厚度逐漸減小，為了保證汽車車身的安全性能和防腐性能，各種類型的鍍鋅鋼在車身等部件制造過程中被大量使用[1].由于表層鍍鋅層和基體鋼的物理特性相差極大(鋅的熔點420 ℃，沸點908 ℃;鋼的熔點1 300 ℃，沸點2 861 ℃)[2]，使得焊接過程和焊接質(zhì)量受到不利影響[3].電阻點焊、電弧焊和激光焊盡管可以獲得相對優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，但是在一定程度上會受到工件形狀、尺寸精度和焊接穩(wěn)定性的影響[4-8].

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是近30年來發(fā)展較快的一種優(yōu)質(zhì)高效的焊接方法，得到了廣泛研究.已有研究表明，激光的加入能夠明顯提高電弧的穩(wěn)定性[9]，提高焊接速度[10]，改善焊縫成型[11].本文基于該焊接技術(shù)特點，提出了低功率激光誘導(dǎo)MIG電弧焊接鍍鋅板的方法，實現(xiàn)了鍍鋅板搭接接頭的優(yōu)質(zhì)連接，并在此基礎(chǔ)上研究了激光功率對焊縫組織及界面的影響.

1 材料與設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗所使用的材料為200 mm×60 mm×2 mm的鍍鋅鋼板(133 g/m2，兩面都有鍍層)和直徑為1 mm的銅基焊絲CuSi3.母材和焊絲的標準化學(xué)成分和機械性能見表1.

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分和機械性能

1.2 試驗設(shè)備

低功率激光誘導(dǎo)MIG電弧焊接試驗設(shè)備包括500 W的銳科光纖激光器(Raycus RFL-C500)、OTC-XD500S數(shù)字焊接電源、送絲機和水冷機等.光纖激光器的最大輸出功率為500 W,通過直徑為0.6 mm的光纖將發(fā)射波長1.06 μm的連續(xù)波傳輸?shù)郊す忸^內(nèi)，然后透過準直鏡照射到焦距為250 mm的聚焦鏡上，焦點半徑為0.5 mm.試驗中利用專用裝置將激光焊接頭與MIG焊槍進行裝配，激光焊接頭軸線方向與豎直方向擺成15°，可大大降低由鍍鋅鋼板產(chǎn)生的反射激光對激光器及焊接頭產(chǎn)生損傷的風(fēng)險.焊槍軸線與水平位置成75°夾角，激光焊接頭和MIG焊槍都可以通過夾具對其位置進行調(diào)節(jié).焊接過程采用平焊的方式，激光在前，MIG電弧在后，工件以搭接接頭的形式固定在行走機構(gòu)上，接頭形式及相關(guān)參數(shù)如圖1所示.工件由步進電機按照預(yù)先設(shè)定的速度平穩(wěn)帶動工件運動，實現(xiàn)焊接.

圖1 接頭形式及位置參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形特點

為了減少人為因素對實驗結(jié)果的影響，每組試板前半部分采用激光誘導(dǎo)MIG電弧焊接，后半部分使用單獨的MIG電弧焊接，且中間不間斷.電流I=90 A、電壓U=18 V、激光功率P=400 W、光絲間距Dlw=2 mm、離焦量df=0 mm、焊接速度Vw=0.7 m/min時兩種焊接方式的焊縫表面形貌對比如圖2所示.從圖中可以看出，單一MIG電弧焊縫表面紋路稀疏，存在飛濺嚴重所導(dǎo)致焊縫不均勻的現(xiàn)象；低功率激光誘導(dǎo)MIG電弧焊縫表面成形美觀，形成了無飛濺的、連續(xù)的、表面平滑且致密無缺陷的均勻焊縫.

圖2 MIG焊與激光誘導(dǎo)焊典型焊縫表面形貌對比

圖3為圖2中相應(yīng)焊縫的橫截面宏觀金相，通過對比兩種焊接方式得到的焊縫橫截面可知，與MIG焊相比，低功率激光誘導(dǎo)MIG電弧焊縫鋪展寬度大，潤濕角小，焊縫更加圓滑、飽滿.

圖3 典型搭接接頭橫截面形貌對比

2.2 焊縫組織分析

激光功率P=0、100、300、500 W時誘導(dǎo)焊焊縫微觀組織圖片如圖4所示，其中焊接參數(shù)為電流I=110 A、電壓U=19.3 V、光絲間距Dlw=2 mm、離焦量df=0 mm、焊接速度Vw=0.7 m/min.

圖4 不同激光功率的誘導(dǎo)焊焊縫微觀組織

從圖4中可以看出，Q235作為母材鍍鋅板的基底金屬，其組織主要為大量的鐵素體和少量的珠光體[12].焊縫區(qū)域的組織形態(tài)均為胞晶和胞狀枝晶，初步判斷它們是由硅、錳等元素在銅中固溶形成，這種固溶體組織使焊縫具有良好的強度和塑性，保證了焊縫金屬的機械性能.隨著誘導(dǎo)焊過程中激光功率的增加，焊縫內(nèi)部的胞晶和胞狀枝晶更加粗大，這是由于激光的加入，增大了焊接熱輸入，延長了焊縫金屬液態(tài)存在時間，使它們得到了進一步的生長.

另外可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著誘導(dǎo)焊過程中激光功率的增大，焊縫中彌散分布的灰黑色物質(zhì)明顯增多，并且形態(tài)也逐漸發(fā)生變化，如圖4(d)，當(dāng)激光功率達到500 W時，焊縫中彌散分布的灰黑色物質(zhì)的數(shù)量、體積明顯增大，并且形態(tài)也變?yōu)榛ò隊?、樹枝?經(jīng)分析可知，焊縫內(nèi)部彌散分布的Fe-Si(Cu)強化相主要有兩個來源，一是由于熔池金屬的沖刷、攪拌作用將界面處胚芽狀的金屬間化合物破碎而進入焊縫內(nèi)部，二是焊縫內(nèi)部鐵原子的溶解-析出作用.激光的加入，一方面會增加熔池金屬的流動性，另一方面由于其本身高能量密度的特點，會熔化更多的基體，從而使焊縫中的鐵原子的數(shù)量增加.在這兩方面的共同作用下，焊縫中的Fe-Si(Cu)強化相在數(shù)量和形態(tài)上發(fā)生了明顯的變化.

2.3 接頭界面分析

為了觀察不同激光功率的誘導(dǎo)焊焊縫界面的變化，使用掃描電子顯微鏡分別對圖4(a～d)白色方框內(nèi)的區(qū)域進行觀察，其結(jié)果如圖5所示.

從圖5中可以觀察到，界面處過渡層的厚度隨著激光功率的增大而增大，經(jīng)過測量，過渡層厚度分別為1.83、2.33、4.32、8.57 μm，界面處過渡層的存在，表明焊縫與母材之間形成了良好的冶金結(jié)合.

在單獨的MIG電弧或者激光功率較小的誘導(dǎo)焊過程中，在界面處形成一條板條狀的過渡層，如圖5(a)、(b)所示.對其分析可知，這是因為誘導(dǎo)焊過程中高溫的液態(tài)焊縫金屬在界面處與冷態(tài)的母材接觸時兩者之間存在很大的溫度梯度，凝固時固-液界面呈平面狀生長，形成薄層狀的平面晶，并迅速冷卻，形成了板條狀的界面過渡層.

隨著誘導(dǎo)焊過程中激光功率逐漸增大至300 W時，過渡層的形態(tài)發(fā)生了變化，靠近母材的一側(cè)的過渡層仍然呈現(xiàn)平整的板條狀，而靠近焊縫金屬一側(cè)的過渡層在板條狀的基礎(chǔ)上有化合物的形核，并呈現(xiàn)微小的胚芽狀向焊縫中生長形態(tài)，如圖5(c)所示.對其分析可知，這是因為較大功率激光的加入使得熔池金屬處于高溫增長，在固-液界面前沿將會出現(xiàn)“成分過冷”區(qū)域，板條狀的過渡層上偶爾會突出的部分伸入過冷區(qū)長大，隨即發(fā)生凝固，從而形成在板條狀的金屬間化合物上以微小的胚芽狀向焊縫金屬局部突出生長的形態(tài).

當(dāng)誘導(dǎo)焊過程中激光功率繼續(xù)增大至約500 W時，靠近母材一側(cè)的過渡層形態(tài)仍未發(fā)生變化，而靠近焊縫金屬一側(cè)的過渡層則有大量的形核，形成大量的化合物，并且呈現(xiàn)出兩種物質(zhì)機械混合后迅速凝固的形態(tài)，如圖5(d)所示.對其分析可知，這是因為誘導(dǎo)焊過程中激光功率達到500 W時，已經(jīng)造成界面處母材微熔，當(dāng)液態(tài)的焊縫金屬與母材接觸時便與熔化的母材發(fā)生不均勻混合，在界面附近大量的Fe原子溶解在液態(tài)釬料中，并與其中的Si、Cu原子發(fā)生反應(yīng)形成金屬間化合物，隨著焊縫金屬的冷卻凝固，大量的Fe-Si(Cu)相析出，形成如圖5(d)所示的過渡層形態(tài).

圖5 不同激光功率的誘導(dǎo)焊焊縫界面

3 結(jié)論

1)以CuSi3焊絲為填充材料焊接鍍鋅板搭接接頭時，與單獨的MIG電弧焊相比，低功率激光誘導(dǎo)MIG電弧焊縫表面成型美觀、焊縫鋪展寬度大、潤濕角小、焊縫更加圓滑、飽滿.

2)誘導(dǎo)焊過程中隨著激光功率的增加，促進熔池金屬的流動，增強熔池金屬對界面處金屬間化合物的沖刷作用，使得焊縫內(nèi)部彌散分布的Fe-Si(Cu)強化相的數(shù)量、體積增大，并且能夠起到強化焊縫的作用.

3)隨著激光功率的增加，誘導(dǎo)焊焊縫界面處金屬間化合物的形態(tài)由板條狀逐漸變化為靠近母材一側(cè)為平整的板條狀,而靠近焊縫金屬的一側(cè)在板條狀的基礎(chǔ)上有化合物的形核，并呈現(xiàn)微小的胚芽狀向焊縫中生長的形態(tài)；隨著焊接熱輸入的進一步增大，靠近母材一側(cè)的過渡層仍未發(fā)生變化，而靠近焊縫金屬的一側(cè)則呈現(xiàn)兩種物質(zhì)機械混合后迅速凝固的形態(tài).