《镀锌板激光焊接》word版

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1、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286

2、1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

3、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

4、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。本文以镀锌钢板为例，在分析镀锌钢板激光焊接特性的基础上，综述了提高镀锌钢板焊接质量的工艺措施，焊接过程的优化仿真及焊接质量的在线检测与控制。2 镀锌钢板激光焊接特性激光焊接过程，根据焊接机理的不同可以分为两类：热传导焊与深熔焊。两者之间的根本区别就是是否存在焊接小孔。激光焊接镀锌钢板时，一般采用深熔焊接。但由于镀锌钢板中镀层锌的存在，激光深熔焊接镀锌钢板的过程存在两种特有的焊接特征：锌蒸气和锌等离子体。(

5、1)锌蒸气当高能量密度的激光束照射到工件表面时，工件吸收激光能量，温度迅速升高，由于锌的低沸点，镀锌钢板的镀层锌极易气化而形成锌蒸气。当锌蒸气被压入焊接熔池时，对熔池产生扰动，熔池中的气泡不易排出，对焊接过程的影响最大。因为激光焊接熔池的冷却速度很快，熔池凝固时间很短，熔池中的气泡极易使焊缝产生焊接缺陷，如飞溅、熔渣、气孔、未熔合，影响焊缝成形，降低焊缝质量。同时，锌的蒸发使镀锌层的含锌量减少，对镀锌层的防腐性也有一定的影响；还有文献中提到锌层的蒸气对人体有害，影响工作环境。因此解决锌蒸气问题成为镀锌钢板激光焊

6、接的根本问题。镀锌钢板的激光焊接过程中，锌蒸气的产生可以分为两类：①上表层锌和下表层锌的气化；②叠层搭接焊时中间层锌的气化（如图1所示）。上下表层锌蒸发而产生的锌蒸气膨胀并向空中自由扩散，对焊接质量无直接影响。镀锌钢板叠层搭接焊中，中间镀锌层气化产生的锌蒸气的膨胀扩散途径有三种：①经由板间间隙膨胀扩散至空气中；②经由焊接小孔膨胀扩散至空气中；③锌蒸气被压入焊接熔池。对于镀锌钢板叠层搭接焊锌蒸气经由板间间隙扩散排出的方式，合适的板间间隙值是控制锌蒸气排出的关键因素，间隙值的选取见本文第三部分第一节第二点板间间隙法

7、。锌蒸气经由焊接小孔排出是另一种有效的途径。但是，焊接小孔是细长小孔且焊接速度较快，有时锌蒸气无法通过板间间隙和焊接小孔完全排出而被强大的蒸气压力压入焊接熔池，形成熔池中的气泡。当熔池凝固时间足够长，气泡会随熔池的搅拌从内部熔池向熔池表面移动并最终排出到空气中；但如果熔池凝固时间短，熔池中锌蒸气的气泡在向熔池外移动和挤压过程中容易形成飞溅和熔渣，或者留在熔池内形成焊缝中的气孔，严重时会在板间形成大气泡，阻碍板间的熔合。实际镀锌钢板的激光焊接过程中，锌蒸气的迅速产生且蒸气压力大，锌蒸气同时经由上述三种扩散途径排出

8、。                        图1锌蒸气的扩散.(a)上下表层锌蒸气扩散；(b)中间层锌蒸气扩散Fig.1Thediffusionofzincvapor.（a）Ontopandbottomsurface；（b）Inmiddlelayer.(2)锌等离子体光致等离子体是激光深熔焊接的重要特征。当激光束照射到镀锌钢板上，表层锌和基体钢吸收激光并迅速气化，形成锌和铁的混合