（光学工程专业论文）镀锌板的激光填充粉末焊接.pdf

摘要 摘要 镀锌板以其良好的耐腐蚀性和成形性在汽车等行业中得到了广泛应用。而激 光焊接具有焊接速度高，焊缝窄，焊接热影响区小等一系列优点，因此采用激光 焊接技术加工镀锌板成为汽车等制造业的发展趋势。但是由于激光光斑直径较 小，使得激光焊接对板料的加工精度和装配精度提出了很高的要求，也因此在很 大程度上限制了激光焊接工艺在镀锌板加工工业中的生产应用。 本文研究了锌对镀锌板激光焊接性影响，以及不同保护气体对镀锌板焊接性 的影响。试验结果表明：锌由于沸点低，易于气化，使镀锌板激光焊接等离子体 的尺寸是同材质冷轧板激光焊接等离子体尺寸的两倍左右，但是在采用侧吹辅助 气体控制后，锌对光致等离子体控制和焊缝成形的影响很小。研究发现激光深熔 焊接时的临界屏蔽功率密度在很大程度上受保护气体类型的影响。焊缝的熔深、 强度和成形性主要取决于保护气体的类型。 本文设计了一套应用于镀锌板激光填充粉末焊接的喷嘴，并利用纹影仪等手 段研究了该喷嘴的最佳保护气流量和最佳粉末束拘束度参数：通过采用和不采用 填充粉末的激光焊接比较实验，研究了填充粉末对镀锌板c 0 2 激光焊接的影响， 并总结了采用填充粉末技术时各工艺参数对激光焊接的影响，实验表明：粉末束 只有落在等离子体根部，使得粉末与光致等离子体作用较少，一部分依靠熔池的 结晶前沿熔化，才能使焊接过程稳定，粉末有效进入熔池，同时填充粉末焊接需 要在一定的功率密度和焊接线能量的匹配范围内，才能使粉末有效进入熔池，焊 缝获得理想的成形。填充粉末焊接技术从对接间隙、错边量、激光光斑偏移量角 度降低了激光焊接对工件预制精度和装配精度的要求，这种技术将大大提高激光 焊接对金属结构的适应能力，并有助于扩大激光焊接的工业化生产应用。 关键词：激光焊接；填充粉末；镀锌板；喷嘴；光致等离子体 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t z i n c c o a t e ds t e e i sa r eu s e de x t e n s i v e i yi nm ea u t o m d b i i ei n d u s t r yb e c a u s e 血e y a r ed u r a b l ea n dh a v eh i g hc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea i l df o r r n a b i l i t y l a s e r sa r eb e i n gu s e d t ow e l dz i n c c o a t e ds t e e l sd u et oh i g hw e l d i n gs p e e d ，s m a l lw e l d i n gs e 锄锄dn a o w h e a ta f r e c t e dz o n e h o w e v e r ，t oa 伊e a te x t e n t ，t l l ei n d u s t r y 印p l i c a t i o no f1 a s e r w e l d i n gz i n c c o a t e ds t e e l si s1 i m i t e d ，a sm el a s e rf a c u l ad i 锄e t e ri ss os m a l lt h a tm a k e t l l el a s e rw e l d i n gn e e dt 1 1 es h e e tw 油h i 业p r e c i s i o ni np r o c e s s i n ga n da s s e n l b l i n g 1 1 l i sp a p e rs m d i e s 也ee 丘b c to fz i n ca r l ds h i e l d i n gg a st y p eo nl a s e rw e l d a b i l i t y o fz i n c c o a t e ds t e e l s t h ee ) 叩e r i m e n tr e s u l t ss h o wt 1 1 a t ，廿1 es i z eo fl a s e r - i n d u c e d p l a s m ai st w i c e1 a r g e r 也a nt h a to fc o l dp l a t el a s e rw e l d i n gw h e nz i n cc o a t e ds t e e l sa r e w e l d e db e c a u s en l eb o i l i n gp o i n to fz i n ci sl o wa 1 1 de a s i l yt ob ev 0 1 a t i l z c d b u t ，z i l l c 1 l a sal i m ee f f b c t0 np l a s m ac o n 仃0 1 1 i n ga n dw e l df o n n 曲i l i t yb ys i d eb l o w ns h i e l d 吨 g a s ，t h ec r i t i c a lp o w e rd e n s i t ) ，o fl a s e 卜i n d u c e dp l a s m av a r i e sw i t ht h et y p eo f s h j e l d i n gg a s e s f u n h e r ，t h ew c l dp e n e t r a t i 呱t e n s i l es t r e n g t ha 1 1 df 0 肌a b i l 畸o f l a s e rw e l d i n ga r ef o u n dt ob ed e 印l yd 印e i l d e n to n 也et y p e so fs h i e l d m gg a s 7 【h sp a p e rd e s i g n san e wh n do fn o z z l eu s e df b rl a s e rw e l d i n go fz i n c c o a t e d s t e e l s w i t l lm e d lp o w d e ra n ds t l l d i e s 也eb e n e rm o d a l “yo fs h i e l d i n gg a sa n d 也e p o w d e rb e 锄谢t hs c h l i e r e nd e v i c e b yc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t ，t h ep a p e rs t u d i e s 协e e 髓c t so fp o w d e ra 1 1 dt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e ro nc 0 21 粥e rw e l d i n go fz i l l p c o a t e d s t e e l s t h ee x p e r i m e mr e s u l t ss h o wn l a t ，o n l yw h e nt h ep o w d e rb e 锄a i m sa t 血ea r e a w 1 1 i c hi sn e a rm ec r y s t a i l i z a t i o ne d g ea n dt l l em o to fp l a s m a ，w ec a nm a k es u r et h a t 也ep o w d e re n t e rt h ew e l dp o o l 锄c i e n t l y i na d d i t i o n ，n l ep o w d e rc a i lb eu t i i i z e d a v a i l a b l yw h e nw e l d 协gs p e e d sa r em a t c h e dw i t hp r o p e rl a s e rp o w e rd e n s i t ya 1 1 d w e l d i n gi n p u te n e r g y l a s e rw e l d i n gw i mp o w d e rr e d u c eh i g hs t a n d a r do f 也e p r e c i s i o no fw o f k p i e c e sp r o c e s s i n ga n da s s 锄b l i n g t h i st e c h n i q u ew 主l le n h a n c em e a d a p t i v ef a c u l t yo f1 a s e rw e l d i n ga 1 1 de x t e n di t si n d u s t r y 印p l i c a t i o n k e y w o r d s ：l a s e rw e l d i n gw i mp o w d e r ， z i n c c o a t e ds t e e l ， n o z z l e ，l a s e r - i n d u c e d p l a s m a - i i ， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲菇时磐胁础 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：乒雌导师签名 强也日期：皿么：呈 第1 章绪论 第1 章绪论 镀锌板以其优越的防腐性、成形性在各行各业中得到了j 。泛的应用，如建筑 行业防腐蚀面板、轻工业中家电壳体等。尤其是近年来，为了提高汽车在恶劣环 境下的抗腐蚀性能和使用寿命，镀锌板被越来越多的用于制作汽车车身覆盖件、 底板等零部件。采用激光焊接镀锌板更是给汽车制造业注入了新活力。 采用传统的电阻点焊方法加工镀锌板时，由于锌的熔点很低( 4 2 0 ) ，在焊 接过程中，镀锌层首先熔化，在电极与工件之间接触面上流布，使接触面积增大， 电流密度减小，另一方面，由于锌与铜具有较强的亲和力，焊接过程中电极，工 件界面处温度较高，在电极压力作用下，会发生锌对铜合金电极端部的粘附，并 且发生合金化作用，形成导电、导热能力差、硬度低的c u - z n 合金，使得焊接过 程中电极工件界砸的温度更高，电极端部很快就变成蘑菇状而变粗，降低了焊 接电流密度，使焊点强度降低，甚至电极由于坑蚀作用而失效、报废。因此，镀 锌板的点焊焊接规范调节区较窄，镀锌层使点焊电极的寿命严重下降。譬如，焊 接无镀层钢板时，c r - z r c u 合金电极寿命可达2 0 ，0 0 0 个焊点以上，而焊接热镀 锌钢板时则降至2 0 0 0 1 2 5 0 0 个焊点，并且点焊电极的寿命随着镀锌层厚度的增加 而下降，频繁地修整和更换电极导致了生产率的降低和生产成本的上升_ l “。 激光焊接是一种无接触加工，避免了镀锌层对电极的烧损。和电阻点焊相比， 激光焊接时的高能量密度、低热输入、较窄的热影响区、较大的焊缝深宽比、微 细的焊缝组织以及焊接时产生较小的变形量等优点，使得激光焊接接头性能更加 优良。因此，激光焊接在汽车制造领域的应用不仅增强了汽车结构的整体刚性及 行驶中的安全性，并且提高了生产效率，降低了整车制造成本。 但是，激光焊接对工件剪切断面质量、焊接装配精度要求极高，对焦点位置 和光斑偏移量要求也很严格，因而在很大程度上限制了激光焊接工艺在镀锌板加 工工业中的生产应用。而激光填充粉末焊接由于其可降低结构件焊接前装配精度 要求，改善焊缝的性能和显微组织等优点，更适合产品工业化生产的需要，而引 起人们的广泛关注。 起人们的广泛关注。 一1 一 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 激光焊接镀锌板的技术优势 随着大功率激光器和激光焊接技术的发展，激光焊接镀锌板工艺成为许多著 名汽车制造商竞相采用的新技术1 4 l 。这是因为与传统焊接方法相比，激光焊接镀 锌板具有以下优势： ( 1 ) 激光束聚焦后获得很小的光斑，获得的焊缝窄，工件热影响区小、变形 小，焊接质量高； ( 2 ) 其焊缝比滚压电阻缝焊窄，对镀层的破坏也小，许多实验结果表明9 一， 基材表面镀层对较窄的焊接接头仍有较强的阳极保护作用，因此激光焊接接头具 有较好的耐腐蚀性。 ( 3 ) 激光束能量密度极高，焊接时速度快、效率高。 ( 4 ) 激光焊接是一种无接触焊接方法，适用于各种类型的镀层板，而传统的 滚压电阻缝焊在焊接镀锌板时，其滚轮电极极易被锌粘附，严重影响焊接质量和 滚轮电极的寿命。 ( 5 ) 激光器与数控机床、机械人的结合，使光束能按时间与空间分布，能进 行分光束多工位加工，并且加工柔性好，自动化程度高。 1 2 镀锌板的激光焊接在生产应用中存在的问题 激光焊接是一种高精密的加工方法，激光束在焊接时聚焦为几百微米直径的 光斑，有时甚至更小。因此，工件接头装配、拼合间隙的准直度也要求达到这个 数量级。间隙的存在会使部分激光能量漏出，并形成咬边、未焊满等焊接缺陷。 特别是当焊缝较长时，激光焊接对工件的加工精度和装配精度提出了十分高的要 求。一般认为，扫描式激光对接焊时可允许的对接间隙宽度仅为板厚的1 0 左 右【”，同时间隙也要小于焦斑直径的一半i8 1 。普通剪切板的剪切断面加工质量见 图1 1 ( a ) ，这种剪切板在对接装配中，无法实现剪切断面的紧密面接触，其中最 大的板边组对间隙( 图1 1 ( b ) ) 可达到o 4 m m ，远远超过了板厚的1 0 ( o 1 4 m m ) ， 在激光焊接过程中将产生严重的咬边、焊缝未焊满以及激光穿过间隙未实现有效 连接等缺陷( 图1 2 ) ，直接影响焊缝力学性能和成形性。因此激光焊接时人们需 第1 章绪论 要花很长的时间用于提高板料剪切断面的质量，调整被焊工件间的组对间隙，并 将激光光斑对准焊缝间隙的中心线，或者给激光器配备昂贵的、高精度的工件焊 前加工设备和工装夹具。以激光焊接在汽车制造业的应用f 蛆。j 为例：为满足扫描 式激光焊接对焊缝间隙的严格要求，国外大型的汽车制造和钢铁公司较多采用高 精度剪切设备下料以满足对板边直线度和断面平整度的要求( 见图l 一3 及表1 1 ) ， 但是高精度剪切设备昂贵的价格( 带有高精剪设备的激光拼焊生产线投资可达 4 0 0 万美元) 限制了激光焊接在非经济发达国家推广和应用。 a 1 剪切断面 b ) 组对方式lc ) 组对方式2d ) 组对方式3 图1 - 1 1 4 m m 厚普通剪切板的剪切断面及组对间隙 f i g 1 - 1c r o s s s e c t i o no f p l a t ee d g e sa n db u t t e d j o i n tg a pw i t hc l i p p e r 同时扫描式激光焊接还存在其他的局限性，譬如，焊接接头的化学成分完全 取决于母材，其性能不能按照要求进行调整等；这些因素限制了激光焊接技术的 推广和应用。 高精度剪切设备在我国仍是空白。因此研究一种焊接技术，降低焊接过程对 板料焊前加工精度和装夹精度要求，即用普通剪板机一次性加工薄板，利用激光 填粉焊接技术连接，以降低加工成本并获得较好的焊接质量，扩大激光焊接的工 北京工业大学工学硕士学位论文 程应用，是十分有意义的。 a 1 c ) b 、 ( a ) 未焊满( b ) 焊缝背面未焊到( 渊光光斑偏移导致焊缝一侧未焊到( d ) 激光束穿过间隙 图l 。21 4 m m 厚镀锌板的对接焊缝 f i g l - 2 b u 钍e d w e l do f l 4 m m g a l v 越z e ds t e e l a ) 断面平整度 一o f i ， _ t _ j b ) 板边直线度 图1 3 扳缘特性 f 培1 - 3c h a r a c t e r o f s h e a r p l a t e e d g e s 4 第1 章绪论 表1 1 普通剪切和精密剪切的区别“2 3 】 t a b l e l 1d i r e n c eb e t w e e nc o m m o n s h e a f i n gw i t hh i g hp r e c i s i o ns h e 碰n 2 、! 普通剪切 精密剪切 ( 1 ) 剪切角较大，剪切力较小；( 1 ) 剪切角较小，剪切力较大； ( 2 ) 刀片间隙较大，以改善上、下刀片之( 2 ) 刀片间隙较小，上、下刀片之间的磨损加 剪切 间的磨损，提高刀片的寿命；剧，刀片的寿命受到极大的影响； 特点 ( 3 ) 除了有较大的剪切力、压料力以外，一般 还要设计有托料力，尽量使剪切区域的板 料呈三向受压状态： ( 1 ) 剪切精度一般控制在o 2 mm ，m( 1 ) 剪切精度一般控制在士o 0 2 m m ，” ( 2 ) 撕裂面占2 3 之多，存在明显的剪( 2 ) 剪切端面质量高，纯剪切带大于7 0 ，毛 剪切 切夹角和塌角，故剪切端面的垂直度、刺较小，剪切端面的垂直度、直线度误差较 精度直线度误差较大，毛刺也较大，剪切精小。 度不高，剪切后的板料一般都需要再 加工。 设备 国产剪板机l o 一2 0 万人民币美国v i l 公司出售的带有高精度剪切板 设备的激光拼焊生产线售价为4 0 0 万美元 价格 1 3 激光填充粉末焊接的优势及发展现状 1 3 1 激光填充粉末焊接的优势 采用激光填充焊丝焊接( 简穆激光填丝焊接) 可以降低激光焊接对坡口加工 精度和工件装配精度的要求抖2 。文献 2 6 】介绍了采用激光填丝焊接技术可以使 普通剪切坡口获得良好的焊缝成形。但是激光填丝焊接也有负面的因素，就是对 送丝系统有严格要求，并且适用于焊接形状规则的接头以及不适用于薄板的填料 焊接等。而激光填充粉末焊接( 简称激光填粉焊接) 几乎继承了扫描式激光焊接 北泵工业大学工学硕士学位论文 的所有特点，并具有激光填丝焊接的基本功能瞄8 1 。激光填丝焊接和激光填粉焊接 的对比见表l 一2 。激光填粉焊接的粉末送进速度、方向受到的限制明显小得多， 粉末送进量也易于控制，因此近几年激光填粉焊接受到了人们的重视。目前的研 究成果显示激光填充粉末降低了对组对间隙的要求。文献 2 9 认为同轴填充粉末 焊接技术的对接间隙可达烈o 8 m m ( 为母材厚度的2 0 ) 。雨文献【3 0 、3 l j 的试 验结果表明，对于a a 6 0 1 6 铝合金的填充粉末焊接中，其焊接接头抗拉强度不低 于母材要求所对应的可允许间隙为o 5 m m ( 约为母材厚度的4 4 ) 。 表1 2 激光填粉焊接和激光填丝焊接的对比口8 。8 】 t a b l e l 2c o m p 撕s o nb e 伽e e nl a s e rw e l d i n gw i mp o w d e ra 1 1 dw n h 伽e rw i r e 激光填充粉末焊接 激光填充焊丝焊接 1 通过填充材料的加入，改善了焊缝的表面成形，避免了焊接表面凹陷，咬边等缺 陷的产生，从而提高了焊接接头的质量水平； 2 通过选定填充材料的加入，改善了熔敷金属的冶金行为，可以获得所需要的焊缝 共 性能和显微组织； 同3 降低了产品结构件焊接前的加工精度和装配精度要求，适应产品工业化生产的需 点 要； 4 可利用较小功率的激光器来实现厚板窄焊道多层焊； 5 主要应用于异种材料焊接、有色及特种材料焊接和大型结构钢件焊接等激光直接 对焊不能胜任的领域。 优 粉末配方灵活，在使用上具有柔性化 与送粉相比具有材料利用率高，填料不发散， 点 可精确对位的特点。 的特点 1 激光光斑一般为o 2 06 m m ，所以对送丝机 粉末束具有一定的发散度，降低了填 的送丝对位藕度要求极为严格； 充材料的利用率 2 焊接过程中易出现粘丝、顶丝现象，因此 对送丝速度的控制精度要求极高； 3 焊丝直径一般大于o 8 m m ，受其直径影响， 缺 焊缝宽度的降低受到限制，对于较薄的板材势 点必造成较宽的的焊缝和较大的热影嘀区，并导 致焊接接头出现较大的变形： 4 由于丝材拉制的困难性使得商台金成分及 硬质材料的焊丝都无法实现。 5 当焊缝间隙宽度小于焊丝直径时，易于导 致焊丝定位和堵丝问题 激光填充粉末技术在一定程度上解决了激光扫描焊接和激光填丝焊接所存 在的技术难题。这种技术可应用于中、薄板金属容器与结构的焊接、车用薄板激 光拼焊、汽车车身及覆盖件的激光焊接以及异种金属的激光焊接，还可用于金属 第1 章绪论 结构件的补焊与修复i2 ”。但是激光填粉焊接技术也有着自身的局限性。目前国 内外对这种加工技术的报道并不多，涉及机理的研究更少。因此激光填粉焊接技 术还很不成熟，它的一些设备是借鉴于其他加工技术，没有形成自己的体系；许 多焊接机理也不明确，同时各种材料的激光填粉焊接工艺也急待人们去探索。 1 3 2 激光填充粉末焊接的应用与发展现状 1 3 2 ，1 激光填充粉末焊接的试验研究 国外涉及激光填粉焊接的报道多一些，包括机理和应用两方面，但机理方面 的分析较为粗浅。j m p e l l c t i e r 等人【7j 采用奥氏体不锈钢粉末焊接纯铜板，获 得的焊缝硬度( 1 5 0 h v o2 ) 介于不锈钢( 1 8 0 h v o2 ) 和冷轧铜板( 9 0 h v 0 2 ) 之间。 g j s h 籼o n 等人1 2 9 j 用激光填粉焊接技术焊接造船用结构钢，结果表明填充粉 末的焊缝具有良好的拉伸强度，并初步分析了粉末对焊接过程的影响，他们还发 现焊缝间隙为0 0 6 m m 时，填充粉末技术具有自我调节能力。文献f 3 0 、3 】 对铝 合金的激光填充粉末焊接工艺做了详细的报道。文献 3 2 付艮道了激光填粉焊接在 气体涡轮燃烧室( g a st u r b i n ec o i n b u s t i o nc h a m b e r ) 补焊上的应用。文献 3 3 讨论 了不同的坡口形式( i 型和v 型) 对激光填粉焊接质量的影响。r e i i l l l 0 1 db r a u n 等人3 4 1 采用不同的填充粉末焊接铝合金6 0 1 3 ，试验显示随着粉末含m g 量的增 加，焊缝气孔增多；焊缝耐腐蚀性与母材相似，但对应力腐蚀裂纹敏感。文献 3 3 采用填充镍基粉的c 0 2 激光焊，成功地连接了w 二c u 粉末冶金材料和1 8 8 不锈 钢。文献 3 6 报道了激光填粉焊接在阶梯焊接( s t 印w e l d i n 曲、铝合金车体结构的 角缝焊接和车顶零件搭接焊上的一些应用，并认为这种技术未来将应用于其他工 程领域。张盛海等人m4 。、4 1 1 采用填充合金粉末m 5 2 c _ n s ( a l s i l 2 ) 技术激光焊接 铝合金a 2 2 1 9 和l f 2 l ，试验发现，合金粉末的加入可降低激光焊接对激光能量 和功率密度的要求，对于a 2 2 1 9 铝合金可以使其功率密度阈值降低5 0 左右； 使等离子体变得更加容易控制，有利于获得较为稳定的焊接过程；同时，合金粉 末的加入可以提高焊接时对激光能量的吸收和有效利用率，改善焊缝成形。他们 还利用这种技术获得了焊接过程稳定，焊缝成形良好的t 型接头。 1 3 2 2 激光填充粉耒焊接的理论分析 国内外的相关文献初步分析了金属粉末对激光焊接过程和质量的影响： 北京工业大学工学硕士学位论文 1 填充粉末对激光焊接过程的影响主要有以下三个方面： 粉末对激光能量的吸收与反射 粉末对等离子体的影响 粉末颗粒对熔池的冲击 a 粉末对激光能量的吸收与反射 在利用填充粉末进行的激光焊接中，粉末一般是被专用喷嘴( 或送粉头) 直 接由外部送达激光作用区，激光同时辐射母材与粉末。 ( 1 ) 金属粉末与同体积的金属板相比，具有更大的表面积，因此能增大对激 光的吸收。 ( 2 ) 金属粉末对激光的照射，产生的是漫反射，而不是定向反射，经漫反射 的激光只是部分损失掉，其余部分被相邻的粉末颗粒重新吸收。 ( 3 ) 在焊接的过程中，粉末颗粒还可能吸收金属板面的反射光、光致等离子体 的能量、激光熔池产生的辐射热量。从而提高了对激光能量的利用率。 根据喷嘴类型、相对激光束的角度和粉末着落点位置的不同，粉末对激光束 能量的吸收程度也不一样。以同轴送粉喷嘴为例，文献 2 9 j 认为1 0 的粉末颗粒 能直接吸收入射激光的能量。这些吸收激光能量的颗粒被熔化甚至蒸发，被熔化 的颗粒进入熔池后将释放能量。但粉末直接吸收的激光能量仅占7 ，因此其不 是熔池形成的主要原因。 b 粉末对等离子体的影响 有学者2 明认为粉末的加入增加了等离子体能量的扩散效率，容易使等离子体 扩大。而大量的激光能量被等离子体吸收，导致激光焦点漂移，从而焊缝变宽， 熔深减小。这种影响等同于激光焦斑直径变大。 c 粉末颗粒对熔池的冲击| ：2 9 1 在对接焊的组对间隙内，等离子体和被激光加热的粉末颗粒对熔化接头的两 侧壁起到了重要作用。对于较大的间隙而言，等离子体对粉末施加冲击压力，使 其熔化于工件接头的两侧壁上。当熔化层形成时，充足的粉末在表面张力的作用 下粘接起来从而在间隙中形成连接；对于较小的组对间隙，熔池形成并接收落下 的粉末。炽热的粉末颗粒对熔池的冲击与颗粒的热和物理因素有关。每一个颗粒 温度都可能在熔点附近，并以5 州s 的速度运动。但有多少的粉末进入熔池或深 第l 章绪论 熔小孔目前还无法知道。 2 粉末材料对焊缝成形的影响 在深熔焊情况下，能量的传递是通过小孔及其周围的熔液进行的。由于在小 孑l 周围存在烧蚀前沿高、后沿低的压力梯度，使熔液绕过小孔由前沿向后沿流动， 另外，沿小孔周边还有一个烧蚀前沿高、后沿低的温度梯度，进一步驱使熔融材 料绕小孔周边由前沿向后沿流动，从而导致熔池内存在剧烈的对流。如无填充材 料时，会使凝固表面存在凹凸不齐以及咬边等现象。在对接焊时，粉末的加入降 低了熔池表面向侧后的流动速度，同时粉末的加入又提供了更多的熔化金属。因 此，当采用适当的工艺参数时，在对接焊缝的表面会形成表面平滑、均匀的余高， 从而得到比较满意的焊缝表面成形【? i ； 。 1 4 本课题的主要研究内容 1 针对镀锌板的激光填粉焊接工艺特点，改进现有喷嘴的结构和性能，并探 索喷嘴保护气体流量及其与粉束流态的相互影响，获得良好粉末束形态的粉末和 气体流量参数，以保证焊接过程中粉末柬的拘束度，使金属粉末能更有效的进入 熔池； 2 分析镀锌板的c 0 2 激光焊接性，重点研究锌对镀锌板激光焊接性影响，以 及不同保护气体对镀锌板焊接性的影响。 3 ，解决镀锌板激光填粉焊接的工艺问题，并归纳总结粉末束落点、送粉量、 激光功率、焊接速度等工艺参数对焊接过程和焊缝质量的影响。 4 分析激光填充粉末焊接在镀锌板对接焊中对对接间隙、错边量、光斑偏移 量的限制要求，并采用具有一般剪切断面质量的镀锌板为材料，用6 0 0 0 w 1 、b o 型射频激励快速轴流c 0 2 激光器完成1 米长的镀锌板对接填粉焊试验，要求获 得满意的焊缝成形。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章激光填充粉末焊接试验装备及试验条件 2 1c o 。激光填充粉末焊接系统 c 0 2 激光填充粉末焊接系统主要由c 0 2 激光器、导光系统、送粉器、喷嘴、 送粉气路、工作台和试板等几部分构成，如图2 1 。结合激光填充粉末焊接技术 的特点，本章将主要介绍试验用的激光器、送粉器和喷嘴等。 2 1 1 激光器 图2 - 1c 0 2 激光填充粉末焊接系统的示意图 f 逗。2 一ls y s t c mo f c 0 2l a s e rw e l d i n gw i 也p o w d e 试验使用的激光器是德国t r u l p f 公司生产的6 0 0 0 w t u r b o 型射频激励快速 轴流c 0 2 激光器，模式为t e m o l 模，光束发散角：o ：6 0 1 8 8 3 m r a d ，光束质量 参数k = 0 3 9 ，局= 8 6 脚n l r a d ，最大输出功率p = 6 0 0 0 w ，激光功率为3 2 0 0 w 时，采用焦距为产2 0 0 m m 的铜抛物镜聚焦，利用u f l 0 0 光束光斑质量诊断仪对 激光器的功率密度分布和光斑半径进行测量，得到焦点位置的功率密度分布，如 图2 2 所示；焦点附近的光斑半径与离焦量的关系如图2 3 所示。 第2 章激光填充粉末焊接试验装置及试验条件 k 图2 2 焦点位置的功率密度分布 f i g 2 - 2p o w e rd e n s i t yd i s 仃i b u t i n go f l a s e ri nf o c a lp o s i t i o n 2 1 2 送粉器 量 、 蹬 井 翻 米 离焦避，m m 图2 3 光斑半径与离焦量的关系 f 追2 3r e l a t i o no f f a c u l ar a d i u sw i l hd e f o c u s e dd i s t a l l c e 送粉器的作用是储存和输送焊接时所用的金属粉末。在激光焊接工艺中， 对于送粉器的送粉精度、特别是均匀性和稳定性要求都很高。所以，一般的螺旋 推进式、刮板式或仅靠重力作用送粉的送粉器由于其送粉精度误差较大，都不大 咖 删 薹 哪 | 棚一枷 曩 咖 北京工业大学工学硕士学位论文 适用。目前常用的是p 1 a s m at w i nl o c 、m e t c om f p 2 、d p s f 2 、p f l 1 a 增加了 反馈控制的送粉器等型号。送粉精度都可控制在1 左右，基本上满足了激光 加工对送粉的要求4 如。 储粉舱 图2 4 送粉器实物图 f i g 2 - 4p f l - 1 ap o w d e rd e l i v e rm a c h i n e 图2 5 送粉器工作原理图 f i g 2 - 5p f l 一1 ap r i r l c i p l eo f w o r k 本试验采用的是p f l 1 a 型送粉器，如图2 4 所示，其功能部分主要由存储 粉末的漏斗状容器、转盘、刮板、吸块、吸块座、载气入口等组成，如图2 5 。 转盘上铣有一定宽度的环形沟槽，整个转盘由电机带着转动，刮板将粉末推进到 转盘的环形沟槽内，被输送粉末会均匀分布在环形沟槽内，粉末的输送量由刮板 的形状、尺寸和转盘的转速控制。存储粉末的容器、转盘、刮块、吸块处于有载 流气体的密封仓内，载流气体通过吸块及吸块座将粉末以流动的形式从下部送 出。载流气体只起到输送的作用，只要载流气体气流量大于某一个数值，粉末的 输送速率就不会受载流气体流量的影响。这种送粉器能传送颗粒尺寸大于2 0um 的粉末，粉末的输送速率为2 2 0 咖i n 之间。 2 1 3 喷嘴 根据焊接时粉末束和激光束的相互位置关系，送粉喷嘴主要分为两种：同轴 送粉喷嘴和侧向送粉喷嘴( 图2 6 ) 。同轴送粉喷嘴的优点是，激光扫描方向不受 粉末束输入方向的限制，但是，喷嘴在工作过程中易吸收大量的热量导致粉末粘 结在喷嘴上并可能堵塞出粉口和出光口。侧向送粉喷嘴的优点是喷嘴和激光头分 第2 覃激光填充粉末焊接试验装置及试验条件 离，粉末束出口和激光束出口相互独立，并且相距较远，不会出现因粉末过早熔 化而堵塞激光柬出口的现象，同时粉末束和激光束之间位置关系的可调性强，保 护气流和粉末束的可控性高。因此激光填充粉末焊接所采用的喷嘴一般是侧向送 粉喷嘴，即粉末束和保护气体同轴而与激光束成一定角度侧向放置，如图2 6 ( a ) 所示。 a ) 侧向送粉 图2 6 送粉方式示意图 b ) 同轴送粉 f i g 2 _ 6d e l j v e r ym o d eo im c t a lp d w d e r 文献【4 2 4 4 结合填充粉末焊接的特点研制的激光填充粉末焊接的双层送粉 头和带尾罩激光填粉焊接喷嘴都取得了比较好的实验效果。本文根据镀锌板激光 填粉焊接时遇到的等离子体大，焊接飞溅多，喷嘴末端易被等离子体加热，粉末 柬出口易被堵塞等实际情况，设计了冷却效果较强的侧向送粉喷嘴。 金属粉末由载气从送粉器传送到粉气接口，再经粉气导管进入粉气舱，由于 粉气舱气压对粉柬流态和焊接过程具有显著的影响【4 “，因此在粉气舱上设计了一 个气仓气压调节阀，实现气舱气压的可调性，以便试验时观测和调节粉末束的拘 束情况。经过粉气舱减压后的粉末流直接进入导粉管，通过气芯，最后在合适的 汇聚保护气的作用下，形成流态较好的粉末束进入焊接作用区。送粉喷嘴在结构 设计上日益改进，根据不同类型激光填粉焊接的特点，设计各自的喷嘴。总体上， 侧向送粉喷嘴要求导粉管和气芯、保护气导管具有一定的同轴度，输出的汇聚保 护气是具有一定挺度的层流，并均匀地流经气芯周围，起到对粉末束的拘束作用 和对熔池的保护作用。 该喷嘴在以上喷嘴h 2 。删的基础上做了改进，采用紫铜作为保护气导管的材 料并增加了散热壁。如图2 7 所示。紫铜常温下的导热系数为3 3 0 k c a l ，h ， 北京工业大学工学硕士学位论文 约是黄铜( 9 3 1 3 0 k c a l h ) 的3 倍，并且紫铜的熔点( 1 0 8 3 ) 比黄铜的熔 点( 8 9 0 0 ) 高得多。在保护气导管的外壁上设计多个散热片，其表面的散 热面积增加了5 倍，以上措施可以显著增强散热效果。实验结果表明，焊接1 米 长的焊缝时，喷嘴既不会被粉末粘结堵塞，也不会因被等离子体辐射熔化而出现 烧损。该喷嘴的保护气层流长度可达到8 0 m m ( 图2 8 ) ，输出的粉末柬也得到良 好的拘束度( 图2 9 ) 。 其中粉气芯头的内径是1 o l i n ，端口外径2 o m m ，汇集保护气端口内径 6 o m m ，端口外径为l 】m m 。 图2 7 喷嘴结构 f i g 2 - 7s 廿u c t u r eo f i l o z z l e 图2 7 中，1 上盖，2 - 气压调节阀，3 - 粉气导管，4 一粉路接头，5 保护气快速接头，6 - 导粉管，7 气芯，8 导气管，9 保护气接头，1 0 舱体，1 1 一粉末快速接头 图2 8 保护气流态纹影图 f i 9 2 - 8g a sn o wp 甜e mo f n o 劢e h e ：2 0 l ，m i n 图2 母拘束的粉末束流图 f i g 2 - 9p o 、v d e rn o ”p 甜m 送粉量：3 咖i n ，保护气h e ：2 0 l ，m i n 第2 章激光填充粉末焊接试验装置及试验条件 2 2 试验辅助设备 试验中，光束光斑半径和功率密度及分布采用德国l a s e r s c o p eu f f1 0 0 光束 光斑诊断仪测量；等离子体的观察采用日本u m m a1 0 2 41 6 k c 型高速摄像仪，分 辨率为1 0 2 4 5 1 2 ，最高速率1 6 0 0 0 s ；喷嘴气体流态采用反射式平行光纹影仪 观测，如图2 1 0 所示；焊缝表面镀锌层的破损情况则采用f e i q u a n t a2 0 0 型扫 描电子显微镜进行分析，焊缝熔宽和截面采用0 1 y c i a m 3 专业金相图像分析系统 分析测量。长焊缝( 试板长度可达1 米) 的填充粉末对接焊试验中使用气动夹具 ( 图2 1 1 ) 定位夹紧工件。 图2 1 0w w y - 2 0 0 型纹影仪 f i g f 2 - 1 0w 呷0 0s c h i i e r e nd e v i c e 图2 1 1 气动夹具 f i g 。2 1 la i ra c 札a t e dc l a m p 2 3 试验材料及剪切断面质量 试验材料为1 4 哪厚的低碳钢镀锌板，其化学成分见表2 - 1 。试样的尺寸分 北京工业大学工学硕士学位论文 别为：1 0 0 5 0 1 4 ，3 0 0 5 0 1 4 以及1 0 0 0 1 1 0 1 4 。试验前试样焊接处表 面用丙酮擦拭。对比试验中采用冷轧板的材料成分见表2 2 。 表2 1 镀锌板的化学成分( 州) 1 铀l e 2 - lc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fg a l v a n i z e ds t e e l ( 砒) 化学成分 cs in 纽psf e z n 幢，) 含量( 叭) o 0 80 0 30 4 0o 0 2 5o 0 2ba 1 7 5 表2 2 冷轧板的化学成分( 、v t ) t a b 】e 2 - 2c h e m i c a lc o m p o s i 廿o no fc 0 1 d r o l l e dp l a t e ( 卅) 比学成分 c s ih 1psf e 岔量( w ) 0 0 7 o ，0 3 50 3 0o 0 2o ，0 3b a l 金属粉末材料为镍铬硼硅合金粉( n i 3 5 ) ，颗粒直径4 5 1 0 6 um ( 1 4 0 + 3 2 0 目) 。金属粉末的化学成分如表2 3 所示。 袭2 3 金属老； 末的化学成分( 谢) t a b l e 2 - 3c h e m i c a lc d m p o s i t i o nd f m e t a lp o w d e r ( 州 化学成分 c bs ic rf en i h r c 含量( 训) o ，2 41 5 2 ，52 o 3 s8 l o4b 鑫1 3 0 ，3 6 试板的剪切断面质量和对接间隙见图1 1 。 2 4 试样的金相处理 金相试样的制备中，采用4 硝酸酒精溶液擦蚀焊缝横截面，待焊缝截面由 原来的白亮色逐渐变为灰色时，再用清水冲洗并用酒精淋洗，最后用压缩空气吹 干。 第3 章镀锌板的c 哂激光焊接性 第3 章镀锌板的c o 。激光焊接性 3 1 试验条件 试验中使用的聚焦镜为，= 1 5 0 m m ，离焦量为4 ，= 2 n u n ( 焦点在工件表面以 下称为负离焦) ；采用焊接速度f 6 n 山i n ，保护气喷嘴倾斜4 5 。，喷嘴与l 件表 面的垂直距离为5 m m ；喷嘴和高速摄像机的布置方式见图3 1 。在前面1 1 2 中 提q 激光对接焊对板料剪切断面质量和板边直线度有很高的要求，因此在激光对 接焊中，试件对接边采用激光切割，其切割面质量和对接情况见图3 2 。 一i 图3 1 激光焊接试验示意图 f 培3 1e x p 目恤e n 瑚s e “l po f l a s e rw e l d i n g ( a ) 激光切割断面( b ) 对接间隙 图3 2 激光切割的板边断面和对接间隙 图3 2 激光切割的板边断面和对接间隙 f i g 3 - 2 c r o s s s e c t i o no f p l a l ee d g e sa 州b u n e d j o i m g 印w i m l a s e rc u n m g 北京工业大学工学硕士学位论文 试验中所采用的保护气类型、纯度、价格见表3 1 。 表3 1 各种保护气的纯度和侩格 1 曲1 e 3 - 1p u r i t ya n dp r i c eo f s h i e l d i n gg a s 保护气 纯度( ) 价格( 元升) h e9 9 。9 9 5 0 ，1 5 0 a r9 9 9 9 o 0 1 2 高纯n 2 9 9 9 9 9 3 争6 0 0 1 7 普n 2 9 9 ，5 0 0 0 4 3 2 锌对镀锌板c 0 。激光焊接性的影响 激光深熔焊接时，光致等离子体的形成是其基本特征之一。光致等离子体一 方面提高了激光能量的耦合系数 45 1 ，增加了焊缝熔深，提高了激光能量的利用率， 另一方面光致等离子体也会改变聚焦条件并阻碍焊件对激光能量的吸收，影响焊 缝表面成形，因此必须采取适当措施对其加以控制。焊接镀锌板时，由于锌的沸 点( 9 0 6 ) 远低于铁的沸点( 2 7 0 0 ) ，在焊接过程中锌极易气化，因此锌对激光焊 接，特别是等离子体的影响一直备受关注。 3 2 1 锌对光致等离子体的影响 在相同工艺参数下( 激光功率j p = 4 5 0 0 ，保护气h e 流量：g = 1 5 l m i n ) ，采用 激光焊接镀锌板和冷轧板，并使用u l t i m a1 0 2 41 6 k c 型高速摄像仪记录焊接过程。 图3 3 所示是高速摄像仪拍摄的稳定的焊接过程中的近5 0 0 张图片中选取的其中 连续的1 0 张。从图中我们发现两种材料的焊接过程都稳定，等离子体的尺寸变 化不大，但是镀锌板的等离子体尺寸约是冷轧板的两倍。图片中，等离子体左侧 的红点是熔化的焊缝金属( 熔池的结晶前沿) 。 在激光束的照射下，材料被加热至气化所需的功率密度为1 4 6 】： 旷芒譬 ( 3 - 1 ) g 。2 - 7 弋订r l j lj v 1 ， r ，材料的沸点，丘材料的热传导率，材料的熟扩散系数，f 。激光脉宽，将表 第3 章镀锌板的c 0 2 激光焊接性 3 2 的参数带入公式3 一l ，在_ 取1 0 。3 s 时，锌的蒸发临界功率密度为4 5 1 0 4 w c m 2 ，远小于铁的蒸发临界功率密度1 5 1 0 5 w c m 2