镀锌板的激光焊接
点焊工艺在镀锌钢板搭接接头激光螺旋点处的运用分析
点焊工艺在镀锌钢板搭接接头激光螺旋点处的运用分析摘要：目前汽车用镀锌钢板搭接接头多采用电阻点焊技术，新型激光点焊技术——激光螺旋点焊(Laserscrewwelding)以其高效率、高柔性有望逐渐替代电阻点焊。
关键词：镀锌钢板搭接接头激光螺旋点；点焊工艺；运用为了提高工艺对于镀锌钢板搭接过程中的间隙适应性，本文采用了一种新型的激光点焊方法—激光螺旋点焊（Laserscrewwelding）进行镀锌钢板的搭接。
该方法具有以下优势：（1）相对于激光缝焊，螺旋激光点焊所形成的熔合面直径较大，母材金属的熔化程度增加，从而使得该种方法适用于间隙较大的情况。
（2）螺旋的扫描形式有利于气体的逃逸，减少锌蒸汽因逃逸不顺而形成的缺陷[20]。
本文对新型激光螺旋点焊方法的成形过程展开了研究，对不同间隙下的焊点成形与力学性能进行了分析，得出了成形良好，性能优异的搭接接头的工艺窗口。
另外，由于锌蒸汽逃逸对焊缝的影响较大，本文着重探讨了不同间隙下的锌蒸汽逃逸问题，以及锌逃逸情况对于接头微观形貌，断口形貌和接头力学性能的影响。
1 镀锌钢板激光螺旋点焊随扫描速度的成形过程分析焊点界面形貌主要分为三种状态：（1）指状焊点，（2）U型焊点，（3）H型焊点。
当扫描速度为125mm/s时，单个激光焊缝较窄，相邻的焊缝没有形成搭接区域，焊点截面为多个不相邻的指状焊缝。
这是由于过快的扫描速度导致了热输入量的不足，从而使得焊点熔化情况较差。
随着扫描速度的继续减小，焊点的热输入量也随之增加，当扫描速度减小到105mm/s时，相邻焊缝实现一定程度的搭接，但下板没有完全熔化为U型焊缝。
当扫描速度减小到75mm/s时，下板能够完全熔化，熔池表面在重力的作用下发生一定程度的凹陷，继而形成H型焊缝。
由上述焊点形貌变化规律可知，激光螺旋点焊的成形过程是深熔焊模式的相邻焊缝在较大热输入情况下相互搭接形成焊点的过程，这与传统激光点焊依靠激光辐照位置单一熔池的逐渐扩大有着明显差别。
镀锌板的激光搭接焊性能
熔 融 金属
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凝 固金 属
焊接 力 向
因 此 ，镀 锌 钢板 的 焊 接性 能 与 未镀 锌 的 同种 钢
有一 系列 优点 ，如 效率 高、 灵活性 强 、无需 接触
板 材 、 搭 边 量 小 （ 量 减 轻） 质 、单 面 加 工 等 ，但 镀 锌 板 的激 光 搭 接 焊 容 易 产 生 一 系 列 缺 陷 。 本 文 对 镀 锌 板 在 激 光 搭 接 焊 中 出 现 的焊 接 缺 陷 及 其 解 决 途 径 加 以 论 述 ，从 而 为 激 光 焊 在 汽 车 车 身 装 配 制 造 中 的应 用 提供 支 持 。
代 替普 通 冷轧 钢板 。镀 锌 工艺 之所 以成 为重要 的 防腐 方法 ，不仅 仅 是 因为锌 可在 钢铁 表 面形 成 致密 的保 护 层 ，还 因为锌具 有 阳极 保护 效 果 ， 当镀 锌层 破 损 ，它 仍 能通 过 阳极保 护作 用 来 防止铁 质母 材 腐蚀 ，这种 保 护效 果 可延 伸到 １ ２ｍｍ 无保 护层 的区域 ，因此镀 ～ 锌 可 以有效 地保 护 到板 材 的切 口和 冷加 工造 成 的微 裂 纹 ，防止 从 这里 开始 锈蚀 。 应用 于汽 车上 的镀 锌板 按 生产 及加 工 方法主 要 分 为 以下几 类 。 ａ热浸 镀 锌钢板 （ｏ ｉ ｅ ａ ａ ｉ ｄ Ｇ ） ． Ｈ ｔ ｐ ｄＧ ｌ ｎ ｅ ： Ｉ Ｄ ｐ ｖ ｚ 。 ｂ合 金 化镀 锌钢 板 （ ｏ ｐ ｅ ａｖ ｎ ｅ ｌｄ ． Ｈ ｔＤｉ ｄＧ ｌ ｎ ａｅ ： ｐ ａ
镀锌板的激光搭接焊性能
a.热浸镀锌钢板(Hot Dipped Galvanized: GI)。 b.合金化镀锌钢板(Hot Dipped Galvannealed: GA)。 c.电镀锌钢板(Electrogalvanized: EG)。
2011年第11期
d.合金、复合镀锌钢板。 目前，应用最多的是热浸镀锌板，在某些场合正 逐渐取代电镀锌板[1]。 在汽车车身等薄板结构的装配制造中，目前 采用的焊接方法主要是电阻点焊激光焊在拼焊领 域的应用较广。与电阻点焊相比，激光搭接焊具 有一系列优点，如效率高、灵活性强、无需接触 板材、搭边量小(质量减轻)、单面加工等，但镀锌 板的激光搭接焊容易产生一系列缺陷。本文对镀 锌板在激光搭接焊中出现的焊接缺陷及其解决途 径加以论述，从而为激光焊在汽车车身装配制造 中的应用提供支持。
2 镀锌板激光焊特征及缺陷
根据焊接机理，激光焊可分为两类即热传导焊 (Conduction-mode)与深熔焊(Keyhole-mode)。由 于光斑尺寸差异，两者能量密度差别很大，前者主
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 35
生 产现场
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要用于材料的表面热处理，而后者在焊接领域应用广 泛。激光深熔焊的本质特征为小孔效应，由于存在小 孔，激光束能深入到材料内部，被熔化的液态金属环 绕在小孔周围，激光对材料的热输入主要是在小孔壁 上的液化界面上，随着激光束的移动，小孔前沿的金 属被熔化、汽化，而在小孔后部，液态金属重新凝固 形成焊缝，从而完成焊接过程。
38 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
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镀锌钢板激光填丝焊接工艺与接头力学性能研究
Electric Welding MachineVol.53 No.5May 2023第 53 卷 第 5 期2023 年5 月镀锌钢板激光填丝焊接工艺与接头力学性能研究周牧， 周林柱， 李金宝， 周川川， 谷昊， 姜一帆中国第一汽车集团有限公司 工程技术部，吉林 长春 130000摘 要：车身用镀锌钢板的厚度较薄，采用其他方法焊接制造容易产生较大变形，开发厚度较薄的镀锌钢板激光填丝焊接工艺具有重要工程实践意义。
针对车身用0.7 mm 厚异种镀锌钢板，开展激光填丝焊接工艺试验，系统研究关键工艺参数（激光功率、焊接速度、离焦量和送丝速度）对焊缝表面和横截面的影响规律，分析焊接接头的微观组织特征和力学性能。
结果表明，激光功率、焊接速度、离焦量和送丝速度有较好匹配时，可以获得焊接飞溅少、表面光滑的焊缝；焊接接头拉伸试样在强度较弱的母材发生断裂。
关键词：镀锌板； 激光填丝焊； 工艺特征； 微观组织； 力学性能中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）05-0064-06Study on Process Characteristic and Mechanical Properties of LaserWelding with Filler Wire for Dissimilar Galvanized Steel SheetsZHOU Mu, ZHOU Linzhu, LI Jinbao, ZHOU Chuanchuan, GU Hao, JIANG YifanEngineering Technology Department, China FAW Group Corporation Limited, Changchun 130000, ChinaAbstract: The thickness of galvanized steel sheet for car body is relatively thin, and it is easy to produce large deformation when welding and manufacturing by other methods. Therefore, it is of great theoretical and practical significance to develop the laser filler wire welding process for thinner galvanized steel sheet. In this paper, the experimental research on laser wire filling welding process is carried out for different kinds of galvanized steel sheets used for car bodies. The influence of key process parameters (laser power, welding speed, defocusing amount and wire feeding speed) on the weld surface and cross section was systematically studied. The microstructure characteristics and mechanical properties of welded joints were ana ‐lyzed. The results show that when the laser power, welding speed, defocusing distance and wire feeding speed are well matched, the weld with less spatter and smooth surface can be obtained. The tensile specimen of welded joint broke in the base metal with weak strength. This study will provide a theoretical basis and technical support for high-quality welding and manufacturing of galvanized steel sheets.Keywords: galvanized sheet; laser filler wire welding; process characteristics; microstructure; mechanical property引用格式：周牧，周林柱，李金宝，等.镀锌钢板激光填丝焊接工艺与接头力学性能研究［J ］.电焊机，2023，53（5）：64-69.Citation:ZHOU Mu, ZHOU Linzhu, LI Jinbao, et al.Study on Process Characteristic and Mechanical Properties of Laser Welding with Filler Wire for Dissimilar Galvanized Steel Sheets[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(5): 64-69.0 前言镀锌钢板具有优良的耐腐蚀性能，大量应用于汽车结构件和零部件的制造［1-2］。
镀锌板激光焊接
1 引言镀锌钢的镀锌层不但具有物理屏蔽作用，而且对钢基体还起到了电化学保护作用，其良好的抗腐蚀性能使得镀锌钢在许多领域得到广泛的应用，包括电力、交通、建筑、化工、通风供热设施以及家具制造等行业。
尤其在汽车制造中，各种普通镀锌钢，高强度镀锌钢，超高强度镀锌钢的应用大幅提高了车身等部件的抗腐蚀性能和汽车的使用寿命。
然而，因镀锌钢中镀锌层的存在，使得镀锌钢的焊接工艺性大为降低。
原因是在镀锌钢的焊接过程中，镀层锌和基体钢物理特性的极大差异（镀锌层锌的熔点是 420度，沸点是 908度，基体钢的熔点是 1300度，沸点是 2861度），镀层锌的气化先于基体钢的熔化，这一现象对镀锌钢的焊接过程和质量都有很大影响。
目前，镀锌钢的主要焊接工艺有三种：电阻电焊、电弧焊和激光焊接。
对电阻点焊而言，由于镀锌层的存在，焊接时电极易于锌层合金化，降低了电极的寿命。
而采用电弧焊焊接镀锌钢时，由于锌的低沸点，在电弧刚接触到镀锌层时，锌迅速气化，产生的锌蒸气向外喷射，很容易使焊接产生熔渣粒子、气孔、飞溅、未熔合及裂纹等焊接缺陷，电弧的稳定性也因此受到影响，焊接质量下降，同时焊接过程中还会产生大量烟雾灰尘。
另外，由于电弧焊的焊缝宽度较大，且热输入量大，镀层锌的大量气化降低了镀锌钢焊缝处的抗腐蚀性能。
镀锌钢采用激光焊接时，同样存在镀锌层的气化，以及焊接气孔、飞溅、未熔合等缺陷。
但激光焊接与电阻点焊和电弧焊相比，激光焊接单位热输入量少、热变形小、焊缝深宽比大、焊接速度高、焊缝强度普遍高于母材、镀层锌的损耗低 ,且激光焊接是单边加工、复杂结构适应性好、易于实现远程焊接和自动化。
例如，德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃、美国通用、福特、意大利菲亚特、日本的日产、本田和丰田等汽车公司，都采用了激光焊接技术，建立了激光焊接生产线，在有的汽车生产中激光搭接焊缝已达到 100米长。
在国内汽车厂家，只有少数几家企业（如：上海通用，一汽奥迪，大众等）引进国外的设备和技术，建立了激光焊接生产线。
远程激光焊接使镀锌钢板的边缘配置实现零缺口
如有你有帮助，请购买下载，谢谢！附件C ：译文 远程激光焊接使镀锌钢板的边缘配置实现零缺口 摘要：镀锌钢板的远程激光焊接技术对汽车行业来说是一个巨大的挑战，同时也提供了高潜力的灵活性和成本。
在最先进的应用程序中,钢板板材中被加入有预设差距的重叠配置以保持锌蒸发的稳定性。
这篇论文研究了没有预设差距和使加工过程稳定的因素的远程激光焊接钢板。
呈现出了工艺参数对焊接质量和加工稳定性的影响。
实验数据证明,通过毛细管和后熔池蒸发是锌的主要蒸发机制。
化学分析热浸镀锌的锌涂层证明锌铁合金相比于纯锌作为中间介质，是这种机制有效性受限的原因。
关键词：远程激光焊接、角焊接、零缺口、锌传输机制1、简介远程激光焊接是一种逐渐兴起的加入汽车行业技术。
通常，主要使用镀锌钢板以防止车身受到腐蚀破坏。
由于锌的沸点与钢相比相对较低,锌蒸发过程中产生的蒸气会扰乱加工过程区,导致飞溅和焊缝缺陷。
因此了解锌蒸发机制是实现稳定的焊接加工过程的关键。
在先进的远程激光焊接应用中预设加入物质之间的差距可用于稳定锌通过毛细管蒸发。
这额外的流程步骤导致额外的成本,过程时间和再现性方面的问题。
因此选使用有锌涂层的钢板是必要的的替代方法。
[克鲁普2003]和[P IETERS 2006]实验证明,在边缘一圈配置没有焊接预设差距使得焊接过程稳定。
至今没有一个完整的实验研究能够找出影响加工过程的主要参数,以及这些参数对焊缝质量和材料边缘加工的稳定性的作用。
同时在某种意义上的一个分析模型中,许多调查分析了重叠配置中的锌蒸发，只有少数调查研究关节角的机制。
因此本文提出了一种有关边缘配置的锌焊接传输机制的实验研究和分析关系。
研究了主要过程参数对焊缝质量和边缘加工过程稳定性的影响，提出了一个有关研究基本原则的模型。
1.1基本信息如果焊接重叠配置，不同的调查车型提供了有关锌蒸发通过该处理区的机制。
[K AEGELER2009]对锌蒸发通过毛细管和通过后熔料池做了区分。
镀锌板的激光焊接
需要花费大量时间处理 ,降低了生产效率 。另一方 面 ,M I G 钎焊过程烟雾与灰尘较大 ,影响工作环境 。 与之相比 ,激光钎焊更具有优势[1 ] : (1) 焊接速度高 ; (2) 可精确调节热输入 ,控制钎料的铺展 ; (3) 可焊接复杂的几何形状 ; (4) 热输入低 ,镀锌层烧损少 ; (5) 焊缝成型好 、质量稳定 ,焊后仅需简单处理 甚至无需处理 ; (6) 易实现自动化 。 本文用定点激光钎焊方法研究了钎料在镀锌板 上的铺展行为 ,分析了激光功率 、光斑直径及激光作 用时间对钎料润湿铺展的影响 。针对汽车制造中常 用的卷对接 、对接及搭接接头进行了激光填丝钎焊 试验研究 ,得到了不同接头激光填丝钎焊工艺规律 。
(a) 钎缝表面 (b) 钎缝横截面 图 5 激光填丝钎焊钎缝接头形貌 (激光功率 P = 1500 W , 送丝速度 Vf = 1. 5 m/ min , 焊接速度 Vw = 1. 6 m/ min)
表 2 材料的熔点和沸点
材料
锌
钢
CuSi3
熔点
420 ℃ 1300 ℃ 950 ℃
沸点
908 ℃ 2861 ℃ - - -
(a) 恒定功率
图 1 光斑直径对铺展直径的影响
(b) 恒定光斑直径 图 3 激光加热时间对铺展直径的影响
图 4 镀锌层对钎料铺展的影响
图 2 激光功率对铺展直径的影响
62004年12月appliedlaserdecember2004镀锌板激光填丝钎焊3封小松陈彦宾李俐群周善宝现代焊接生产技术国家重点实验室哈尔滨工业大学哈尔滨150001提要镀锌板以其优良的抗腐蚀性能而大量应用于汽车工业中由于锌的熔点和气化温度较低在焊接加热过程中极易挥发从而导致气孔裂纹等焊接缺陷给镀锌板的焊接带来很大问题
镀锌钢板的CO_2激光焊焊接性_崔怀洋
镀锌钢板的CO 2激光焊焊接性崔怀洋1,2, 陈 铠2, 左铁钏2 (1.北京航空航天大学应用物理系,北京 100083;2.北京工业大学 国家产学研激光中心,北京 100022)摘 要:以裁焊板工业生产为背景,对汽车用镀锌钢板的CO 2激光切割板坯的CO 2激光焊焊接性进行了试验研究。
对于不等厚和等厚的镀锌板拼接进行CO 2激光焊接,在激光功率4000W 时其焊接速度可达0.1m/s 。
对镀锌钢板激光切口拼接的激光焊接与铣口拼接的激光焊接的焊缝形貌和硬度进行了比较,它们产生的焊缝宽度在0.5～1.0mm 范围,激光焊缝最大硬度比母材硬度高出1～1.5倍,激光焊接对激光切口拼接与铣口拼接两者都可获得等同的宏观焊接质量。
关键词:裁焊板;激光焊接;镀锌钢板中图分类号:TG 665 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2004)04-115-04崔怀洋0 序 言近年来,国外广泛使用了裁焊板(Tailored weld 2ed blank )以降低汽车制造成本。
裁焊板是几种不同强度、厚度和镀层的钢板焊接在一起构成一块平板,它被用来冲压成一个完整的汽车部件[1～4]。
图1为采用裁焊板制造的几种典型的汽车部件,它们结构复杂,板厚不等,是厚度0.8～1.8mm 的大块薄板,加工过程中需要用专门设计的高精度装夹具。
在裁焊板生产中,一些工厂的生产方法为,镀锌钢板由精密剪床裁剪后,再拼接,由压滚焊焊接成裁焊板[1]。
也有采用激光焊接取代压滚焊[1,5]。
激光焊接具有许多优点,它具有的狭窄焊缝使得镀锌钢板的防腐蚀性和深冲性能几乎不受焊接影响[5]。
现在的激光加工系统具有较好的激光光束质量,它往往即可进行高质量的金属焊接又可进行高质量的金属切割。
因此,作者采用激光切割取代裁焊板生产中的精密剪切和激光焊接取代压滚焊的技术方案,以裁焊板生产为背景,对汽车用镀锌钢板的CO 2激光切割板坯的CO 2激光焊焊接性进行了试验研究。
镀锌板填丝激光钎焊工艺
镀锌板填丝激光钎焊工艺介绍了采用Nd:YAG激光器在镀锌板填丝焊接中的应用优势和加工机理，分析了实验结果。
工艺试验证明填丝激光钎焊在合适的条件下，可以获得成形好、缺陷较少且性能合格的接头。
引言镀锌钢板广泛应用于汽车车身及家电制造业。
用热镀或电镀工艺产生的锌层隔绝基层钢板与空气、水份等的接触，并优先电解保护钢板，以增强产品使用过程中的抗腐蚀性。
同时，由于基层钢板和镀锌层两者截然不同的物理及机械特性，镀锌钢板的焊接容易产生过热、飞溅及影响电弧稳定性的锌蒸汽等问题。
在应用中，电阻点焊是镀锌钢板最常见的焊接方法。
除上述问题外，电阻点焊还有电极头使用寿命等技术难题。
近些年来，激光束焊接作为一种替代电阻点焊的工艺手段，受到人们的广泛关注。
以搭接焊结构为例，激光束焊接相对电阻点焊而言具有单面加工、搭边量小（质量减轻）、结构强度增加、无电极磨损现象、焊接质量稳定、非接触式加工、焊接速度快、焊接变形小等特点。
工业上用于焊接的激光器主要为二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器。
近年来出现了适合于材料加工的大功率Nd:YAG激光器。
由于Nd:YAG激光器产生的激光可以有效地利用光纤传输，在板材结构件地焊接中逐步得到了推广应用。
近年来，许多学者对镀锌钢板地激光焊接进行了研究，提出了不同地工艺手段，在此介绍采用Nd:YAG激光器在镀锌板填丝焊接中地实验研究情况。
1.焊接机理早在1984 年，一些学者就开始对激光填料焊接工艺进行了研究，当时是为了解决激光对焊存在的一些问题。
国内也有学者采用二氧化碳激光器对填丝激光焊进行过研究，但多采用开坡口对接接头形式。
对于镀锌板的角接填丝钎焊，尤其是采用Nd:YAG激光器为热源的激光工艺研究，尚未发现有相关的报道，我们对此进行了试验。
如图1所示，激光填丝钎焊与常规“扫描”方式不一样，聚焦光束首先照射在焊丝表面上，对焊丝加热使其充分熔化形成高温金属熔体，流入熔体在合适的激光加热条件下，使之与工件间形成良好的冶金结合，在界面层中主要生成均匀的固溶体及共晶组织。
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Laser Brazing With Wire Feed of Galvanised Thin Sheets Feng Xiaosong Chen Yanbin Li Liqun Zhou Shanbao
( S tate L aboratory of A dvance Wel di ng and Production Technology , Harbi n Instit ute of Technology , Harbi n 150001 ) Abstract Galvanised t hin sheets is widely applied in automobile industry because of its favorable corrosion resistance and cost . The low melting and evaporating point of zinc make it strongly evaporate during fusion welding process , and lead to t he problems of pores and crack. A new technique of laser brazing wit h automated wire feed was presented in t his paper , which can solve t he problems of welding galvanized t hin sheets. The influence of laser power , spot diameter and heating time on t he wetting and spreading behavior of brazing filler metal on t he surface of galvanized t hin sheets were presented at first . Moreover , aiming to t he butted joint , flange butt joint and lap joint , t he welding characteristics of laser brazing wit h automated wire feed were investigated , t he main welding de2 fects were also analyzed in t his paper. Key words galvanized t hin sheets ; laser brazing wit h wire feed ; spreading behavior
封小松 陈彦宾 李俐群 周善宝
(现代焊接生产技术国家重点实验室 ,哈尔滨工业大学 , 哈尔滨 150001)
提要 镀锌板以其优良的抗腐蚀性能而大量应用于汽车工业中 ,由于锌的熔点和气化温度较低 ,在焊接加热过程中极易 挥发 ,从而导致气孔 、裂纹等焊接缺陷 ,给镀锌板的焊接带来很大问题 。激光填丝钎焊的低热输入与小加热区域的特点可有 效解决镀锌板焊接的上述问题 。本文研究了激光功率 、光斑直径 、加热时间等对钎料在镀锌板表面铺展行为的影响 ,并在此 基础上对卷对接接头 、对接接头 、搭接接头的激光填丝钎焊工艺特点进行了试验研究 ,分析了镀锌板激光填丝钎焊的主要缺 陷及其关键影响因素 。 关键词 镀锌板 激光填丝钎焊 铺展行为
(a) 钎缝表面 (b) 钎缝横截面 图 5 激光填丝钎焊钎缝接头形貌 (激光功率 P = 1500 W , 送丝速度 Vf = 1. 5 m/ min , 焊接速度 Vw = 1. 6 m/ min)
需要花费大量时间处理 ,降低了生产效率 。另一方 面 ,M I G 钎焊过程烟雾与灰尘较大 ,影响工作环境 。 与之相比 ,激光钎焊更具有优势[1 ] : (1) 焊接速度高 ; (2) 可精确调节热输入 ,控制钎料的铺展 ; (3) 可焊接复杂的几何形状 ; (4) 热输入低 ,镀锌层烧损少 ; (5) 焊缝成型好 、质量稳定 ,焊后仅需简单处理 甚至无需处理 ; (6) 易实现自动化 。 本文用定点激光钎焊方法研究了钎料在镀锌板 上的铺展行为 ,分析了激光功率 、光斑直径及激光作 用时间对钎料润湿铺展的影响 。针对汽车制造中常 用的卷对接 、对接及搭接接头进行了激光填丝钎焊 试验研究 ,得到了不同接头激光填丝钎焊工艺规律 。
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
铺展的阶段 ,钎料铺展直径随加热时间的增加而增 大 ,但在一段时间的加热之后 ,随着加热时间的增 加 ,铺展直径增加很小 。在相同的光斑直径 、足够的 加热时间下 ,可以获得大致相同的钎料铺展直径 。 可以认为 ,只要加热时间足以保证钎料熔化铺展 ,后 续的加热时间对钎料铺展直径的增加无显著影响 。 从图 1 、图 2 和图 3 可以看出 ,在影响钎料润湿 铺展的各种焊接参数中 ,光斑直径对钎料铺展直径 的影响最大 。激光加热过程中 ,由光能转换为热能 几乎是在瞬间完成的 ,其加热速度快的特点 ,决定了 母材表面的瞬时高温直接由激光能量的分布决定 。 母材温度越高越有利于钎料的润湿铺展 ,但高温区 的范围限制了钎料的铺展区域 。在保证激光加热区 能达到一定温度的同时 ,扩大激光的加热范围 ,这样 在激光加热区域内 ,峰值温度有所降低 ,但高温区温 度更均匀 ,范围更大 ,有利于钎料的润湿铺展 。因 此 ,在实际的焊接过程中 ,可以通过调整激光直径来 控制钎料的润湿铺展 。 增大激光加热时间 ,虽然有利于提高母材整体 温度 ,但在一定的加热时间下 ,母材表面的峰值温度 更多的取决于激光的功率密度 。对钎料的润湿铺展 而言 ,加热时间对其并不会有显著的影响 。此外 ,增 加加热时间 ,钎料容易过热 ,产生蒸发 ,并且能够增 加钎料与母材的界面反应时间 ,发生固溶或形成金 属间化合物 ,甚至会出现母材熔化现象 。因此 ,在实 际的钎焊过程中 ,激光加热时间 (体现为焊接速度) 会对钎焊接头质量产生影响 。 2. 镀锌层对钎料铺展的影响 由于锌的沸点较低 ,钎料熔化铺展过程中伴随 着锌蒸发 ,影响钎料在母材上的铺展行为 。图 4 显 示钎料在有镀锌层钢板上和去除镀锌层钢板上的铺 展状态 。可见 ,在没有镀锌层的钢板上钎料铺展直 径变小 。据分析 ,主要有以下几个因素影响钎料的 铺展 : (1) 去掉镀锌层后板材对激光的吸收率降低 ;
表 2 材料的熔点和沸点
材料
锌
钢
CuSi3
熔点
420 ℃ 1300 ℃ 950 ℃
பைடு நூலகம்
沸点
908 ℃ 2861 ℃ - - -
(a) 恒定功率
图 1 光斑直径对铺展直径的影响
(b) 恒定光斑直径 图 3 激光加热时间对铺展直径的影响
图 4 镀锌层对钎料铺展的影响
图 2 激光功率对铺展直径的影响
钎料在镀锌板上铺展行为研究 将同等量钎料放置在镀锌板上 ,研究激光功率 、 光斑直径 、激光加热时间等因素对钎料铺展直径的 影响规律 。 1. 焊接参数对钎料铺展的影响 图 1 为光斑直径与激光功率对铺展直径的影响
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规律 。从图中可见 ,随着光斑直径的增大 ,钎料铺展 直径增大 ,当光斑直径增大到一定程度 ,能量密度太 小 ,钎料无法熔化 ,铺展直径为零 。可以认为 ,只要 能使钎料熔化 ,激光直径越大 ,也即加热区域越大 , 则越利于钎料的润湿铺展 。图 2 为激光功率对钎料 铺展直径的影响 。随着激光功率的增加 ,铺展直径 逐渐增大 ,受光斑直径限制 ,功率增大到一定程度 , 铺展直径难以继续增加 。图 3 为激光加热时间对铺 展直径的影响 ,在短时加热阶段 ,即钎料熔化后开始
Ξ 国家自然科学基金 (编号 :50275036) 资助项目 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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化学成分 CuSi3
Cu 基体
表 1 钎料 CuSi3 的化学成分[2 ]
Si
Mn
Fe
Zn
Al
2. 41 1. 04 0. 07 0. 013 0. 04
P 0. 01
Pb 0. 001
Sn 0. 056
试 验 试验设备为 3 kW 大功率 CO2 气体激光器 ,填 充钎料为直径 1 mm 的 CuSi3 焊丝 ,具体成分如表 1 所示 。镀锌板厚度 1 mm 。钎料的流动性能很大程 度上取决于硅的含量 ,硅含量越高 ,钎料流动性越 好 ,可满足小间隙的接头 。表 2 为锌 、钢及 CuSi3 三 种材料的熔点与沸点的比较 。
在现代工业生产中 ,应用抗腐蚀镀层板材的领 域越来越广 。在众多的钢铁防腐方法中 ,镀锌是一 种非常有效而且经济的方法 。大量镀锌板材应用在 汽车制造业 、建筑业 、通风和供热设施以及家具制造 业等 领 域 。锌 的 熔 点 约 为 420 ℃, 气 化 温 度 为 906 ℃,非常不利于焊接 ,电弧等热源刚一接触到镀 锌板 ,镀锌层就挥发了 。锌的挥发会导致气孔 、未熔 合及裂纹等诸多缺陷 ,而且大量锌的挥发会使母材 的防腐蚀能力下降 。镀锌板焊接最重要的一点就是 如何抑制锌蒸气蒸发所带来的焊接质量问题 。 汽车制造业中常采用 M I G 钎焊进行镀锌板的 焊接 ,依靠 M I G 钎焊的低热输入来解决镀锌层大量 烧损所带来的问题 。但是 ,M I G 钎焊也有其自身的 局限性 ,高速焊接与小电流下电弧的不稳定性限制 了它的效率和接头质量 ,对于外观要求较高的焊缝
第 24 卷第 6 期 应 用 激 光 Vol. 24 ,No. 6
Ξ 2004 年 12 月 A P PL I ED L AS ER December 2004
镀锌板激光填丝钎焊 3
(2) 无镀锌层板材在高温下易形成氧化膜 ,阻碍钎 料铺展 ; (3) 锌易溶于钎料和母材中 ,界面的传质有 利于钎料的润湿铺展 。镀锌层对钎料铺展和钎焊接 头质量的影响机理需要进行进一步的深入研究 。总 之 ,镀锌层的存在对钎焊过程有利 ,因此 ,在选择焊 接参数时应考虑尽可能减少锌的烧损 。