（机械工程专业论文）镀锌钢激光添粉焊接的锌行为控制机理研究.pdf

镀锌钢激光添粉焊接f l j t 年i - f 为控制机婵研究 摘要 镀锌钢板以其优良的耐腐蚀性n , - 并l j 成形性而受到人们的青睐，尤其在汽车行 业得到了广泛的应川。激光焊接具有速度怏，焊缝窄，焊接热影响区小，焊接变 形小，接头力学性能好等优点，凶此激光焊接技术在镀锌钢板焊接领域中有着极 其重要的作j j 。但足，表面镀锌层在镀锌钢激光焊接过程一十- 极其容易被汽化和电 离，降低了其耐腐蚀性能，且容易产生气孔、飞溅、塌陷、未熔合等焊接缺陷。 激光深熔焊接过程t | j 产生的光致等离子体与焊接过程的稳定f l - 年h 焊接质量有着重 要的联系。本文采刚添加铜粉的方法来抑制镀锌钢激光焊接过程t t l 产生的锌蒸汽 和锌等离子体，主要研究了镀锌钢添粉焊接过程中的锌行为控制机理，并分析了 焊接过程i f j 焊接缺陷与光谱信号之问的相关性。 论文首先搭建了基于多通道光谱信号采集系统的试验j i f 台，在激光焊接试验 过程中利用光谱测量系统采集光致等离子体光谱信号。其次，基二f 光谱仪采集的 光谱信号选择合适的谱线计算等离子体的温度，分析了添加铜粉对等离子体温度 的影响，发现添加铜粉可以降低等离子体温度的振荡幅度和平均温度。同时计算 了不同添粉量时的等离子体i - 乜子密度和逆韧致辐射吸收系数，探究了添加不同铜 粉量u 寸：l r t , 等离子体逆韧致辐射吸收导致的激光能量衰减量。结果表明：添加铜 粉可以降低逆韧致辐射i 吸收系数雨1 激光能量衰减量。再次，分析了焊缝纵截面、 横截面、以及焊接气孔处的元素分布变化。结果表明：添加铜粉时焊缝区的铜元 素和锌元素的含量变化趋势基本一致；添加的铜元素可以与锌发生固溶生成铜锌 固溶体合金，减少了镀锌钢激光搭接焊1 1 , j 1 t ll u j 锌层的蒸发和锌等离子体的形成， 在一定程度上抑制了焊接过程中的锌行为。最后，分析不同元素的特征谱线和焊 接气孔，建立了焊接气孔与谱线c ui3 2 4 8 n m 之问的对应相关性。 研究结果将为镀锌钢激光添粉焊接过程的锌行为控制和焊接质量的实时监测 提供了理论依据。 关键词：激光添粉焊接；锌行为控制：等离子体光谱；镀锌钢板：气孑l 顺卜亨：f _ ，_ 论讧 a b s t r a c t z i n c 。c o a t e ds t e e li su s e de x t e n s i v e l yi nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yb e c a u s eo fi t s d u r a b i l i t ya n dh i g hc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n df o r m a b i l i t y l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g y p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nw e l d i n gf i e l do fg a l v a n i z e ds t e e ld u et oi t sh i g hw e l d i n g s p e e d ，n a r r o ww e l d i n gs e a m ，s m a l lh c a ta f f e c t e dz o n e ，s m a l lw e l d i n gd e f o r m a t i o na n d g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fjo i n t h o w e v e rt h ez i n cl a y e ri sv a p o r i z e da n di o n i z e d e a s i l yd u r i n gl a s e rw e l d i n go fg a l v a n i z e ds t e e l ，c a u s i n gw e l dd e f e c t ss u c ha sp o r e s ， s p l a s h e s ，c a v ea n di n c o m p l e t ef u s i o n t h el a s e ri n d u c e dp l a s m ap r o d u c e dd u r i n gt h e p r o c e s so f l a s e rd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n gh a sas i g n i f i c a n t r e l a t i o n s h i pw i t ht h e s t a b i l i t yo fw e l d i n gp r o c e s sa n dw e l d i n gq u a l i t y i nt h i sp a p e r ，c o p p e rp o w d e rw a s a d d e dt or e d u c et h ez i n cv a p o ra n dt h ez i n cp l a s m ap r o d u c e di nt h ew e l d i n gp r o c e s s f u r t h e r m o r e ，t h em e c h a n i s mo fz i n cb e h a v i o rc o n t r o li nl a s e rw e l d i n go fg a l v a n i z e d s t e e lw i t hp o w d e rf e e d i n gw a ss t u d i e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e w e l dd e f e c t sa n dt h es p e c t r u ms i g n a l si nt h ep r o c e s sw a s a n a l y z e d f i r s t l y ，at e s tp l a t f o r mb a s e d o nm u l t i c h a n n e ls p e c t r u m s i g n a la c q u i s i t i o n s y s t e mw a se s t a b l i s h e d d u r i n gt h ep r o c e s so fl a s e rw e l d i n gt e s t s ，t h em u l t i - c h a n n e l s p e c t r a lm e a s u r e m e n ts y s t e mw a su s e dt oo b t a i nt h es p e c t r as i g n a lo fl a s e ri n d u c e d p l a s m a s e c o n d l y ，t h es p e c t r a l l i n e sw a ss e l e c t e dt oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r eo f p l a s m a ，t h ee f f e c to fa d d i n gc o p p e rt ot e m p e r a t u r ev a r i a t i o no fp l a s m aw a sa n a l y z e d ， i th a ss h o w nt h a tt h eo s c i l l a t i o na m p l i t u d ea n dt h ea v e r a g ev a l u eo ft e m p e r a t u r eo ft h e p l a s m ai sr e d u c e dw h e nc o p p e rp o w d e ri sa d d e d t h ee l e c t r o nd e n s i t ya n dt h ei n v e r s e b r e m s s t r a h l u n ga b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fp l a s m aw e r ec a l c u l a t e d ：e n e r g yd e c r e m e n t i n d u c e db yi n v e r s eb r e i n s s t r a h l u n ga b s o r p t i o no fp l a s m aw a sa n a l y z e dw h e nl a s e r w e l d i n gg a l v a n i z e ds t e e lw i t hd i f f e r e n tc o p p e ra d d i t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a d d i t i o no fc o p p e rc a nr e d u c et h ei n v e r s eb r e m s s t r a h l u n ga b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n d t h ee n e r g yd e c r e m e n t t h i r d l y ，e l e m e n t sd i s t r i b u t i o n si nl o n g i t u d i n a ls e c t i o n ，c r o s s s e c t i o no ft h ew e l d sa n da r o u n dap o r ew e r ea n a l y z e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t ： t h ec o n t e n t so fc ua n dz na r eb a s i c a l l yi nt h es a m ec h a n g et r e n d ；c o p p e r - z i n cs o l i d s o l u t i o na l l o yi sg e n e r a t e db yz na n da d d e dc u ，w h i c hr e d u c e dz i n ce v a p o r a t i o na n d z i n cp l a s m ai nt h ew e l d i n gp r o c e s s ，a n di n h i b i t e dt h eb e h a v i o ro fz i n ct oac e r t a i n e x t e n t f i n a l l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i cs p e c t r a ll i n e so fd i f f e r e n te l e m e n t sa n dt h ew e l d p o r e sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nw e l dp o r e sa n d s p e c t r u mo fc ui3 2 4 8 n mw a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t sw i l l p r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u t u r ec o n t r o lo fz i n c b e h a v i o ra n dr e a l t i m e m o n i t o r i n g o fw e l d q u a l i t y i nt h e p r o c e s so fw e l d i n g g a l v a n i z e ds t e e lw i t hp o w d e r k e y w o r d s ：l a s e rw e l d i n gw i t hp o w d e rf e e d i n g ；c o n t r o lo fz i n cb e h a v i o r ；p l a s m a s p e c t r u m ；g a l v a n i z e ds t e e ls h e e t s ；p o r e s l v 帧i j 学f 口论艾 插图索引 图1 1 镀锌钢在汽车上的应j 1 j 1 图1 2 锌蒸汽的扩散7 图1 3 钢板问隙9 图1 4 由焊接小孔形成的一系列焊缝重叠区1 0 图2 1 谱线的轮廓和宽度16 图2 2l o r e n t z 拟合曲线17 图3 1 试验装置示意图2 1 图3 2 试验现场图2 0 图3 3d c 0 2 5 型板条式c 0 2 激光器及其模式2 1 图3 4s e s a m o 型三维激光切割焊接机床及光路系统2 2 图3 5 等离子体光谱信号采集系统原理图2 3 图3 6 等离子体光谱信号光纤探测组件2 4 图3 7 数控二维位移平台2 4 图3 8 汞灯的光谱图2 6 图3 9 等离子体光谱图2 7 图3 1 0 光谱信号数据的处理流程图2 8 图4 1 添加不同量铜粉时采集的等离子体光谱31 图4 2 锌离子能级跃迁图3 2 图4 3 特征谱线3 4 图4 4 添加不同量铜粉量时等离子体温度的变化3 4 图4 5 添加不同量铜粉时的等离子体平均温度曲线3 5 图4 6l o r e n t z 拟合结果3 6 图4 7 不同添粉量时的等离予体电子密度曲线3 7 图4 8c 0 2 激光焊接时等离子体温度与逆韧致辐射吸收系数的关系曲线3 8 图4 9 等离子体逆韧致辐射吸收系数随铜粉量的变化曲线一3 8 图5 1 焊缝纵截面的线扫描位置4 l 图5 2 不同添粉量时沿焊缝深度方向c u 和z n 的分布变化4 2 图5 3 焊缝横截面上、中、下线扫拙位置4 2 图5 4 铜元素重量百分数为2 3 3 时焊缝横截面上部的元素分布4 3 图5 5 铜元素重量百分数为2 3 3 时焊缝横截面。卜部的元素分布4 3 图5 6 铜元素重量百分数为2 3 3 时焊缝横截面下部的元素分布4 3 图5 7 焊缝区上、中、下部锌元素的平均相对含量4 4 v l i 臼锌 j q 激) | i ! - i j j 粉焊接 1 0 f 辛行为 伞 j 0 扫【j 犟f d i ：彳 图5 8 铜重量百分数为2 3 3 时焊缝区铜、锌元素的平均相对含量4 4 图5 9 铜元素重量百分数为0 不1 12 3 3 时锌谱线的平均强度4 5 图5 1 0 体视镜观察的焊接气孔的形貌图4 6 图5 1 1 扫描电子显微镜_ 卜- 拍摄的气孔及线扫描位置4 6 图5 1 2 线扫描位置处主要元素的分布变化4 6 图5 1 3 焊接气孔与c u i 3 2 4 8 n m 谱线相对强度的利应关系图4 8 附表索引 表3 1s e s a m o 型三维激光切割焊接机床技术参数2 2 表3 2b 3 4 0 5 9 0 d p d + z 的材料化学成分( 质量分数，) 2 5 表3 3 正交试验因素水平表2 5 表3 4 焊接工艺参数2 5 表4 1 锌等离子体谱线的相关参数3 2 i x 硕l j 学位论文 第一章绪论 1 1 镀锌钢板的性能及应用综述 镀锌钢板因其多种优异性能而越来越受到人们的青睐，其原因是：( 1 ) 镀锌 钢板具有良好的耐腐蚀性能，一方面，表面锌层的覆盖隔断了钢材表面和外部环 境的接触，减少了钢材与环境之问的化学腐蚀；另一方面，锌的电极电位比铁的 电极电位低( 锌为0 7 6 2 v 、铁为o 4 4 v ) ，在完整的锌覆盖层受到破坏而使基 体表面露出个别不太大的部分时，锌将作为电化学反应的阳极，以电化学作用仍 然保护着基体，这就是锌的阳极保护作用。( 2 ) 另外，由于基体组织均匀，且镀 锌层表面光滑，硬度低，摩擦系数小，所以镀锌钢板具有良好的f i 匝成型性能【1 。 ( 3 ) 此外，镀锌钢板还具有良好的表面质量和涂装性。( 4 ) 镀锌是一种低成本、 高效益的方法。 镀锌钢众多的优良性能，尤其是其优良的防腐蚀性能和经济效益，使得其在 现代工业生产中占有非常重要的地位。各种类型的镀锌板材在汽车制造、建筑、 通风和供热设施以及家具制造等领域得到广泛的应用，尤其在汽车生产中受到人 们的青睐，镀锌钢的应用不仅提高了耐腐蚀性能，还极大地提高了车身结构强度， 因此能大幅度降低汽车的破损率并提高使用寿命。图1 1 所示为镀锌钢板在汽车 上的应用i ij ，各种型号的普通镀锌钢、高强度镀锌钢、超高强度镀锌钢在汽车车 身覆盖件、底板，以及内部有防腐要求的零部件上得到了很好的应用。 图1 1 镀锌钢在汽车上的应用【1 1 在汽车工业发展过程中，各国追求的目标之一是延长其使用寿命，据报道， 全世界每辆汽车由于腐蚀平均年损失约15 0 - - 2 5 0 美元。镀锌是应用最经济有效的 金属防腐方法。德国首次推出了全镀锌薄钢板车身，随后，镀锌钢板的应用越来 越广，现在德国奔驰、大众、瑞典的沃尔沃、美国通用、福特、意大利菲亚特、 开本的f = = l 产、本f _ r l 和丰f r i 等汽车公司都丌始采用镀锌钢板替代，在汽车车身用材 特别是中高档乘用车用材上占有显著的比例1 3j ，在我国生产的奥迪、富康轿车车 镀锌钢激光添粉焊接的锌行为控制机理研究 身上，镀锌钢板的用量均占钢板总量的7 4 以上【4 i 。甚至，一些美国汽车公司生 产的轿车覆盖件全部采用镀锌钢板。镀锌钢板应用领域的迅猛发展促使各钢铁厂 更加积极地大力研发镀锌钢板材。 1 2 激光添粉焊接技术概述 1 2 1 激光添粉焊接技术的优势 激光焊接技术以其高速、高效、高精度、高柔性、高质量而受到人们的青睐。 但是，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直径只有几百 微米甚至更小的光斑。因此，为了避免漏光，获得更好的焊接质量，对工件接头 装配精度要求非常高。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，从而降低了焊接质量。特别是当焊接较长焊缝时，为了克服热应力 的影响，激光焊接对工件的加工精度和装配精度提出了非常高的要求。研究发现 扫描式激光对接焊时可允许的对接问隙宽度仅为板厚的10 左右【5j ，同时问隙也 要小于焦斑直径的一半【6 】。镀锌钢板在剪切过程中不可能保证剪切断面完全平整， 因此剪切板在对接装配中无法实现剪切断面毫无间隙地紧密接触。在激光焊接过 程中由于对接间隙的存在会产生严重的咬边、焊缝未焊满以及激光穿过问隙未有 效连接等缺陷，严重影响焊缝的表面质量、接头的成形性和力学性能。为了减少 因对接间隙产生的焊接缺陷，人们需要花很长的时间用于提高板料剪切断面的质 量，调整被焊工件问的组对间隙，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，这样大大降低了激 光焊接的效率，增加了加工成本。 激光添粉焊接相比直接对接焊具有诸多优势：( 1 ) 通过填充材料的加入，可 以改善了焊缝的表面成形，减少表面塌陷，咬边等焊接缺陷的产生，从而获得高 表面质量的焊接接头；( 2 ) 加入选定的某种特定填充材料，可以显著提高熔敷金 属的冶金行为，获得所需要的焊缝组织和接头力学性；( 3 ) 可以降低某些功能结 构件焊前的加工、装配精度要求，提高了产品工业化生产的适应性；( 4 ) 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件焊接等激光直接对焊不能 胜任的领域。激光添粉焊接避免了激光直接对接焊时装夹的技术难点。激光添粉 焊接技术在激光拼焊车身薄板和覆盖件，t f l 、薄板金属容器，异种金属激光对接 焊中将有很大应用前景，甚至还可应用二j 二激光补焊和修复【7 12 1 。但是，现在对于 激光添粉焊接的相关理沦研究并不多见。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的机理研究、不同材料的焊接 工艺、辅助设备的丌发都亟待人们去探索。 1 2 2 添加粉末对激光焊接过程的影晌 倾i j 学f 口论迦 添加粉末降低了焊前装配精度的要求，提高了激光焊接技术的适用性。其对 激光焊接过程的影响主要体现在以下几个方面： 1 粉末对激光能量的吸收和反射 激光焊接过程中激光束会发生反射和散射，使得激光能量不能完全被材料所 吸收。没有添加粉末时，激光束在传播过程中常发生定向反射，部分激光被反射， 尤其焊接高反射率的材料时，会使焊接过程中断，甚至会损坏镜片；添加粉末时， 不仅提高了材料与激光的接触面积，而且金属粉末对激光产生的是漫反射，而不 是定向反射，这样就增加了吸收面积和重复1 1 及收的次数，提高了激光能量i 及收率。 2 粉末对光致等离子体的影响 添加粉末对光致等离子体的影响主要表现在：添加粉末对光致等离子体的温 度、密度、吸收系数等特性的影响。目前关于这方面的研究很少，因此本文将对 这方面进行研究。 3 粉末对焊缝成形的影响 在激光深熔焊接过程中，小孔形成后，能量的传递主要是通过小孔及其周围 的熔液进行的。在激光束的移动过程中，沿小孔周围存在烧蚀前沿高、后沿低的 压力梯度和温度梯度，驱使材料熔液绕小孔周边山前沿和后沿流动，从而导致熔 池内存在剧烈的刘流。如无添加材料时，会使凝固表面存在凹凸不平以及咬边等 现象。粉末的添加降低了熔池表面熔液向后沿流动的速度，同时粉末的加入又提 供了更多的熔化金属。当采用适当的工艺参数寸，在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。 4 添加元素对焊缝组织的影响 焊接过程中添加合适定量的金属元素可以细化晶粒，改善焊缝组织，降低焊 接头的残余应力，提高焊接头的力学性r 日匕u t 7 1 。 1 3 激光深熔焊接光致等离子体 1 3 1 激光深熔焊接光致等离子体的产生及分类 等离子体泛指i 乜离的气体，与一般的气体不同，它不仪含有中性原子和分子， 而且含有大量的电予和离子，凶而足f 乜的良导体。因其中正电荷、负电荷密度相 等，从整体上看是i 乜中性的，故称等离子体。激光束作用加工工件表面产生的等 离子体称作光致等离子体：当高功率激光束作用于工件时，工f t ：被加热、熔化， 继而被蒸发，在工件上方形成金属蒸汽，金属蒸汽进一步电离成金属等离子体； 同时，保护气体( 如a r ，h e ，n 2 ) 在高温作用下发生电离，形成了保护气体等 离子体。激光深熔焊接时，根据等离子体所在工件的不同位置可分为孔内等离子 体( k e y h o l ep l a s m a ) 和孔外等离予体云( p l a s m ap l u m e ) ，孔内等离子体的温度和 镀锌钢激光添粉焊接的锌行为控, n o l 理研究 密度一般较孔外等离子体要高，对焊接过程的影响也不同。 1 3 2 光致等离子体对激光焊接过程的影响 激光深熔焊接光致等离子体对激光焊接过程中激光能量的传递与耦合、材料 对激光能量的吸收以及小孑l 的形成产生重要的影响。光致等离子体与激光束的相 互作用主要表现在： 1 孔内等离子体对激光能量的吸收 在激光功率足够大时以深熔焊接的模式进行，焊接过程中小孔形成之后，激 光穿过孔外等离子体云后作用于小孔内部。激光束经孔内等离子体照射在小孔孔 壁上并发生反射，小孔孔壁在每次反射过程中会吸收部分激光能量。这样，经过 孔壁的多次反射和吸收，极大地提高了金属材料与激光能量的作用机率，并提高 了激光能量的吸收率，这个过程也称为菲涅尔( f r e s n e l ) 吸收。同时，在此过程 中存在着电子与原子发生自由自由碰撞( 电子在碰撞前后都是自由的) 时吸收外 来辐射场能量的现象，即逆韧致辐射吸收，光致等离子体在吸收激光能量后，再 通过热传导、对流和热辐射的形式将能量传递给小孔壁。由此可知，孔内等离子 体对激光能量的吸收包括两种机制：菲涅尔吸收和逆韧致辐射吸收。 2 孔外等离子体云对激光能量的吸收 激光过程中的孔外等离子体云对激光能量的吸收将产生能量衰减，降低材料 对激光的吸收率。当等离子体温度、粒子尺寸和粒子密度一定时，等离子体云对 激光能量的吸收与激光波长密切相关：长波长时主要是逆韧致辐射吸收导致能量 衰减，而激光为短波长时的能量损失主要是由散射引起1 1 3 ，1 4 j 。g i r e n 等人采用c 0 2 激光击穿a r 和n 2 混合气体来研究孔外等离子体的衰减作用，发现孔外等离子体 对激光的吸收最高仅为4 0 【”j 。p o u e g o 和f a b b r o 采用1 5 k w 的激光功率和a r 、 n 2 作辅助气体进行焊接时，出现孔外等离子体屏蔽激光束的现象，等离子体实际 只吸收5 0 左右的激光能量i l6 1 。因此，f a b b r o 等人认为出现屏蔽现象的主要原因 是大量孑l 外等离子体使激光束发生强烈散焦。强希文等人研究发现：焊接时当激 光功率密度非常高时，激光的较强电场将扭曲电子的热速度分布，从而使碰撞机 率发生改变，因此使得吸收大小受激光功率的影响【l 。7 1 。肖荣诗等人采用高功率 c 0 2 激光器研究c 0 2 激光焊接过程中等离子体对激光能量的屏蔽效应，认为采用 高功率时，光致等离子体对激光能量的吸收作用和热透镜效应同时发生使得照射 在材料上的功率密度大大降低，因此导致了等离子体屏蔽现象i i 引。 3 孑l 外等离子体的反冲力效应 在高功率激光焊接时，激光束作用丁工件材料表面，使得工件表面温度迅速 升高，当工件表面温度达到汽化温度时，在工件表面附近的金属材料被汽化产生 金属蒸汽，继续受热，材料温度继续升高，表面金属蒸汽会在激光束的作用下电 4 离形成光致等离子体，同时部分保护气体也被电离也形成光致等离予体1 9 1 。等离 子体数量不断增多并积聚，继而受热膨胀向外喷出，此过程中等离子体对试件表 面产生强大的反冲力，称之为激光支持燃烧波和激光支持爆发波。 4 孔外等离子体的热效应 激光深熔焊接产生的等离子体的温度达到3 0 0 0 2 5 0 0 0 k 之问，其自身就是一 个热源以韧致辐射的形式不断对外界辐射出热量。因此当激光束作用于孔外等离 子体时，等离子体相当于一个光疏介质，光束在稿子体中传播时会发生折射，这 样降低了激光束的聚焦性，使得光斑直径变大，功率密度亦囚此而降低，这必定 会降低激光焊接过程的稳定性，并导致焊接缺陷的产生。 5 孔外等离子体对激光的反射和散射 光致等离子体是一个非均匀光疏介质，等离子体中存在很大的电子密度梯度， 导致光致等离子体内部的折射率发生变化，因此当激光束穿过等离子体时将引起 激光束传播方向的改变。p o u e y o 等人报道【2 0 1 ，激光功率为1 5 k w ，采用h e 作为 保护气体时，等离子体对激光束的折射使峰值功率密度下降了2 0 ，而采用a r 作保护气体时，峰值功率密度仅为没有等离子体时初值的十分之一。并且，等离 子体粒子会引起激光束的严重散射，研究表明：散射损失反比于激光波长的四次 方，因此等离子体对y a g 激光焊接引起的散射影h 向大，而对c 0 2 激光焊接引起 的散射小。 1 3 3 激光深熔焊接中光致等离子体信号的监测研究现状 激光焊接技术在焊接领域具有诸多优势，但是激光焊接仍然会存在焊接缺陷 问题，因此对焊接质量进行检测和控制成为自动加工应用领域中很重要的研究方 向。尤其在焊接人型结构的件时，工件装央不好、材料的变形等因素很容易导致 焊缝的未熔透或其他缺陷，从而影响结构件的焊接质量，甚至造成报废。激光深 熔焊接过程中，激光功率密度比较高，光致等离子体是伴随小孔同时存在的不可 避免的重要物理现象。光致等离子体对激光深熔焊过程中的小孔形成、能量及物 质传递起到至关重要的作用，因而采用监测等离子体的声、光及电场信号来判定 激光焊接过程中的焊缝质量是一种切实可行的方法。 近年来，国内外学者对激光焊接过程c 卜产生的等离子体光、声信号进行了大 量的试验研究，取得了一些进展。文献【2 1 最早报道了采用p c s 传感器来测量光 致等离子体的电子温度。h o n gp i n gg u l 2 2 】等人通过采集并分析激光焊接时小孔前 沿辐射的红外光信号和等离子体辐射紫外光信号，发现等离子体辐射的紫外光强 度和焊缝熔宽有一定关系。m i g a m o t o l 2 3j 则利用丌发的光电：二极管探测器检测连续 激光焊接等离子体在控制和未控制情况下的动态行为，根据等离子体波形起伏可 初步判断焊缝穿透情况和焊接质量。 镀锌钢激光添粉焊接的锌行为控, n 4 l 理研究 国内方面，清华大学国静【2 4 1 等人利用轴向光传感器采集同轴光致等离子体光 信号来实现激光焊接熔透检测，研究发现板厚一定的时候，同轴光信号强度随着 线能量的增加而增加，而同轴光信号的频心与激光功率之问的对应关系则恰好相 反。华中科技大学段爱琴，胡伦骥【2 5 , 2 6 】等人通过对伴随激光深熔焊接所存在的光 致等离子体的蓝紫光信号相对强度的临测，以判断焊缝的熔透性。研究表明，焊 缝的熔透性与光致等离子体光信号的累积强度有对应关系，当焊缝全部熔透时， 光信号稳定性非常好，而一旦焊缝处于未熔透或熔透性差时，光信号会产生极大 的波动。同时研究了利用光致等离子体声信号监测激光焊缝的熔透性，发现焊缝 熔透状态不同，其熔池上方的光致等离子体声信号的强度明显不同，熔透时，声 信号强度低得多；在焊缝的熔透趋于跳动状态或未熔透时，声信号强度明显增强。 曾浩【2 7 1 等人利用小波变换对拾取的激光焊接等离子体的a e ( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 信号进行信号分析，并对小波分解后得到的细节信号进一步处理，在此基础提取 的曲线很好地反映了激光焊接过程的状态变化，能够快速地检测观察焊接缺陷， 说明利用声信号实现对激光焊接质量控制是可行的。王春明【28 】等人研究了非穿透 激光深熔焊熔深与等离子体光信号的关系，通过改变激光功率和焊接速度来获得 不同焊缝熔深，采用光电传感器采集等离子体的特征光信号。唐霞辉1 2 9 1 等人借鉴 熔炼材料的激光焊接方法，结合粉末冶金材料特点对高功率c 0 2 激光焊接粉末冶 金材料的等离子体行为及控制方法进行了实验研究。在同样焊接条件下观察到三 种材料的等离子体光强信号幅值有明显区别，n i 粉蓝光最强，检测信号的平均幅 值最高，c o 粉次之，f e 粉最弱。 1 4 镀锌钢板的激光焊接特性及研究现状 1 4 1 镀锌钢板的激光焊接特性 镀锌钢因表面镀锌层的存在而具有良好的抗腐蚀性能，因此在轨道交通、通 讯、船舶、石油钻探等许多领域得到广泛的应用。在汽车行业中的应用更加广泛， 各种类型的镀锌钢，尤其是高强度、超高强度镀锌钢的丌发、应用，使汽车车身 及其零部件的抗腐蚀性能得到了大幅提高，降低了汽车的破损率。然而，镀锌钢 表面镀锌层和基体钢在物理特性方面存在很大的差异，严重影响了其焊接过程中 的稳定性和焊后接头的力学性能。现在在工业上应用的镀锌钢焊接工艺有三种： 电阻点焊、电弧焊和激光焊接。采用电阻点焊时，镀锌层容易使电极易于锌层合 金化，降低了电极的寿命1 3 叭”j 。而采用电弧焊焊接镀锌钢时，由于电弧焊的焊缝 宽度较大，且热输入量大，会使镀层锌大量气化，从而降低了镀锌钢焊接接头的 耐腐蚀性能。 激光焊接相对于电阻点焊和电弧焊而言，单位面积输入的热量少、因此可以 6 获得热变形小、深宽比大的焊缝，且焊接接头强度往往高二f 母材。采用激光焊接 时，激光束聚焦的光斑直径很小使得表面镀层锌的烧损小，关键是激光焊接属于 单边加工法，能很好的适用于复杂结构件，并有利于对焊接过程实现远程控制。 但是，镀锌钢采用激光焊接时，由于锌的低沸点，在激光束刚接触到镀锌层时， 锌迅速气化，产生的锌蒸汽向外喷射，很容易使焊接产生气孔、飞溅、塌陷及未 熔合等焊接缺陷。而且激光焊接过程中会产生大量锌等离：子体，影响焊接过程中 激光束的传播和能量的耦合，降低材料对热量的吸收率。为了获得更好的焊接质 量，减少焊接缺陷，有必要对镀锌钢激光焊接过程中的锌蒸汽及锌等离子体控制 技术进行研究。 1 4 2 镀锌钢板激光焊接过程中的锌行为研究 镀锌钢激光焊接过程中的锌行为是指锌蒸汽和锌等离子体对焊接过程的影 响，锌蒸汽的大量形成容易诱导气孔、飞溅、塌陷及未熔合等焊接缺陷的出现， 孔外大量的锌等离子体对激光束产生反射、散射、阻隔作用，降低材料对激光能 量的吸收率，甚至中断焊接过程。 1 锌蒸汽 镀锌钢激光深熔焊接过程中，熔池冷却速度非常快，凝固时间非常短，锌蒸 汽在熔池快速流动过程中因为来不急从小孔中逃逸而形成熔池中的气泡，在极高 热量的作用下气泡瞬间爆破，从而产生飞溅、熔渣、气孔、未熔合等焊接缺陷。 囚此抑制锌蒸汽的产生成为改善镀锌钢焊接质量的重要方向。焊接过程中锌蒸汽 的产生可以分为两类：( 1 ) 工件上表面和下表面锌层被气化；( 2 ) 激光搭接焊时 中问锌层被气化( 如图1 2 所示) 。工件上下表面锌层被气化生成的锌蒸汽不断膨 胀并扩散到空气中，与焊接时产生的缺陷相关性不大。镀锌钢板采用激光搭接焊 时，中间锌蒸汽有三种去向：( 1 ) 经由焊接小孔逃逸到空气中：( 2 ) 被压缩入板 问问隙并逃逸至大气中；( 3 ) 锌蒸汽被压入焊接熔池。在实际焊接过程中，锌蒸 汽产生速度快且蒸汽压力大，锌蒸汽同时经山上述三种途径扩敞。 ( a ) 图1 2 锌蒸汽的扩散( a ) h t 表层锌蒸汽扩散； 2 锌等离子体 板层中间的锌蒸气 ( b ) ( b ) 中间层锌蒸汽扩散 镀锌钢激光添粉焊接的锌行为控制机理研究 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能量并迅速熔化、气化，形成锌和铁的混合金属蒸汽。金 属蒸汽在激光的辐照作用下电离形成等离子体。由于锌的气化温度低于铁的气化 温度，锌蒸汽比铁蒸汽更容易产生，锌蒸汽气压比铁蒸汽气压高8 个数量级1 3 4j ； 同时当等离子体温度在1 0 0 0 0 k 时，锌等离子体的电子密度比铁等离子体的电子 密度大2 个数量级( z n ：2 2 x 1 0 垤c m 一3 ，f e ：4 1 x 1 0 m c m 一3 ) 1 3 4 】。因此有文献【3 4 1 认 为，锌的蒸汽将加剧等离子体的产生，是镀锌钢板激光焊接时产生大量等离子体 的主要原因。然而，也有文献【3 5 】从理论计算探讨锌蒸汽问题时发现：在相同的条 件下，锌的蒸汽密度比铁小约2 5 ，而锌的电离能( 9 3 6 e v ) 比铁( 7 8 3 e v ) 大， 所以在被激光辐照气化的会属蒸汽中，锌并不比铁优先电离，也就是说锌蒸汽并 不加速等离子体的形成。正是因为锌蒸汽不易电离，使得在焊接过程中可观察到大 量锌蒸汽的存在。 无论锌是否加剧了等离子体的产生，在镀锌钢板激光焊接过程中仍然存在大 量的光致等离子体。孔外等离子体云对激光束的传播有严重的影h 向，它不仅使激 光束发生折射和散射作用，而且发生逆韧致辐射吸收，降低材料对激光能量的吸 收率，破坏焊接过程中的小孔稳定形成，因此使得焊接稳定性受到严重影响。目 前有关对镀锌钢激光焊接的锌行为进行有效抑制的研究比较少。有文献【36 】同时研 究了焊接过程中的小孔内和小孔外的等离子体，得出一定浓度的小孔孔内等离子 体有利于激光能量的吸收，而孑l # i - 等离子体云对激光能量有衰减作用。 1 4 3 镀锌钢板激光焊接过程中锌行为的抑制方法 1 吹送保护气体 吹送保护气体是激光焊接中最常用的工艺措施，其方式有同轴吹气和侧吹气 两种。保护气体在激光焊接过程中主要有三个作用：( 1 ) 防止焊缝氧化并加快焊 缝冷却；( 2 ) 吹散等离子体云，在一定程度上抑制等离子体对焊接过程的影响： ( 3 ) 防止溅射物和金属蒸汽污染镜片。采用同轴吹气时，气流可以降低金属蒸汽 和等离子体内部的热量，并使小孔内部气体压力增加，可以有效抑制孔内蒸汽及 等离子发生孔外喷射现象，有利于形成稳定的小孔，并抑制孔外等离子体对激光 的屏蔽现象。当采用侧吹气体时，气流可以吹散等离子体，降低孔外等离子体对 焊接过程的影响。研究结果表明：镀锌钢采用激光焊接时，吹气方式、保护气体 流量、气体种类等参量对焊接过程中的等离子体抑制及焊接质量有重要影响 4 5 - 5 i 】 o 2 板问间隙法 对于镀锌钢板的激光搭接焊，焊前常在搭接的两层或多层板问留出一定问隙， 以便中问镀层锌产生的锌蒸汽顺利从i n j 隙巾排出。板间间隙可以通过控制搭接板 硕l “! f 眭论艾 问的夹紧力来控制，在板间预夹薄层垫片保证央紧后板问问隙值3 7 。42 1 ，或采用特 殊的结构保证合适的间隙值如图1 3 所示。采用间隙法焊接时，关键就是板问问 隙的控制，许多文献通过试验或理论研究了焊接时板问间隙的问题。间隙过小， 锌蒸汽不能迅速从问隙处逃逸，焊接时锌蒸汽易导致气孔和飞溅的出现。当间隙 过大时，锌蒸汽可能会使焊缝产生未熔合和塌陷【4 3 。46 1 。有人对搭接焊间隙进行了 研究，并为控制合适大小的问隙建立了数学模型【4 5 】： g = a v t z n t p 。1 7 2 ( 1 1 ) 式中g 是间隙值，a 是材料系数( 镀锌钢板的材料系数a = i6 1s m 。1 坨) ，v 是 焊接速度，t z 。是钢板的镀锌厚度，t p 是试件的厚度。预留问隙可以使在镀锌钢激 光焊接时的锌蒸汽顺利排出，降低缺陷率，获得较好的焊缝质量，但此方法需要 精确的预留问隙值，增加了焊前的工作量，降低了焊接效率。 激光柬 昀!孵 人 ，、 $ _ _ ：c _ 一x m m l 0 ( a ) ( b ) 图1 3 钢板间隙( a ) 节薄板间隙焊；( b ) 带圆弧结构间隙焊1 4 4 1 3 丌排气孔的方法 丌排气孑l 的方法是预先在需要焊接的母材上加工出排气小孔，从而使得激光 焊接镀锌钢板的过程t 1 j 产生的锌蒸汽能够从排气小孔中排出。w e i c h i a tc h e n1 4 7 1 通过有限元优化分析和焊接试验发现，焊接速度为9m m i n ，连续c 0 2 激光焦点 直径0 2m m ，预先在下层镀锌钢板上焊缝方向离焊缝中一t l , 0 1 4m m 处打出直径为 o 0 7m m 的排气小孔，焊接时能得到好的焊接质量，并且发现排气小孔与焊缝的 位置及排气小孔尺寸是获得良好焊接质量的关键。激光焊接镀锌钢板时预先丌排 气孑l ，能降低锌蒸汽的影响，降低焊接气孑l 的出现机率，焊接时被熔融的金属在 熔池的流动过程中填满排气小孔，形成了类似于铆接的结构，因而增强了焊接接 头的抗拉强度。相比较于预留问隙，丌排气孔能够解决锌蒸汽问题，且焊缝强度 更高、可实践性更好，不足的是需要额外丌排气孔，增加了工序，降低了焊接效 率。 4 双光束激光焊接 双光束激光焊接方法足近几年出现的一种新方法【4 8 。5 1 1 。根据焊接光源的不同 分为两种：同一激光源分出的两束激光；两个激光源发出的两束不同激光束。焊 镀锌钢激光添粉焊接的锌行为控制机理研究 接时，一束光作为辅助热源，另一束光实现焊接功能。采用双光束激光焊接镀锌 钢板时，辅助光束的作用有：延迟焊接小孔闭合：延迟熔池凝固；预先切 割出细缝：预先气化锌层。有文献【5 0 】先采用y a g 激光在搭接镀锌钢板上切割 出一条细缝，再用c 0 2 激光实现焊接。细缝的作用：一是预先去除部分锌层；二 是便于焊接过程中锌蒸汽从细缝中排出。为了保证焊接光束与切缝的位置关系， 切割细缝与焊接过程同时进行。采用双光束激光进行镀锌钢焊接时，两光束问的 相对位置和功率决定了焊接质量的好坏，采用合适的工艺参数时能够解决锌蒸汽 问题，获得良好的焊缝成形。但是，要实现两束激光同时工作必需增加额外的辅 助装备，不利于降低加工成本。 5 脉冲激光焊接 脉冲激光相对于连续激光而言，其主要区别是使用脉冲激光时焊接小孔会不 连续、间断地出现，焊接d 、孑l s n 熔池不断发生波动，并且相邻的小孔或熔池之间 有一定距离的相互重叠区，如图1 4 i ) r 示。研究发现：采用脉冲激光焊接时，关键 是要控制脉冲激光束的相关参数( 平均功率密度峰值、脉冲占空比、脉冲重复频 率、脉冲能量、脉冲波形、平均功率、脉冲宽度) 和焊接速度之间的相互匹配1 5 2 ， j 。 文献 5 2 】同时指出，采用c 0