（机械工程专业论文）镀锌钢激光添加铜粉搭接焊的试验研究与模拟.pdf

t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no fl a s e rl a pw e l d i n go f g a l v a n i z e ds t e e lw i t ha d d i n gc up o w d e r b y z h a n g h a i r o n g b e ( t a n g s h a nc o l l e g e ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gy i m a y ，2 0 1 1 ，_j_jj_，_j_jj_ll 湖南大学 学位论文原创性声明 | l h il ll iti ri ii i i ir l wll 19 0 7 4 6 3 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：秘岛象 日期：矽，年j 月? 彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：弘砀毕 日期：州，年j 月彳日 导师签名：碓电阀弄步物 日期：汕1 年f 月日 摘要 随着人们对钢铁防腐要求的提高，镀锌钢板作为一种经济实惠耐用及抗腐蚀 性强的材料越来越受到广泛地应用。激光焊接技术在汽车零部件中有着极其重要 的作用。激光焊接速度快，热影响区小，焊缝组织细化，焊接变形小，一般激光 焊缝的机械性能都强于母材。本文研究了镀锌钢激光焊接的等离子体温度与工艺 参数的关系，并且在此基础上重点研究了添加不同浓度铜粉的镀锌钢光纤激光搭 接焊实验。 首先，采用基于密度泛函理论c a s t e p 程序软件，计算了锌金属间化合物c u z n 、 m g z n 2 与n i z n 的结构稳定性、弹性常数等力学性质。计算了不同浓度的c u 与z n 结 合形成的固溶体的力学性能。通过对锌合金化合物的模拟，为后文进行镀锌钢的 激光添粉焊接作一定的理论指导与预测。 其次，通过研究镀锌钢激光焊接的等离子体温度与工艺参数，分析得到了激 光功率、焊接速度、离焦量、保护气体流量与等离子体温度的关系曲线，研究结 果表明，工艺参数对等离子体温度有一定影响，并且保护气体流量对等离子体温 度影响比较明显，随保护气体流量增大而减少；焊接速度对等离子体温度影晌最 小，上下偏差为1 3 2 3 k ，并且等离子体温度的变化可以为激光深熔焊接的实时监 测及预测提供一定的理论指导。 最后，重点进行了添加不同浓度的铜粉的镀锌钢光纤搭接焊实验，检测了焊 接接头的力学性能、断口形貌、成分分布、主要物相。通过试验数据的处理和分 析，得出了添加不同浓度铜粉的镀锌钢光纤搭接焊的焊接接头性能。 关键词：车身用镀锌钢板；激光焊接；等离子体温度；铜粉；力学性能 i i 一 a b s t r a c t z l n c 。c o 龇e ds t e e ll sa ni m p o r t a n tc o m m e r c i a lm a t e r i a l i t i sd u r a b l e ，c h e a pa n d v e r yu s e f u lf o rc o m b a t i n gc o r r o s i o n l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei na u t o m o b i l ep a r t s l a s e rw e l d i n g s p e e di sf a s t ，h e a ta f f e c t e dz o n ei ss m a i i w e l d m l c r o s t r u c t u r ei sr e f i n i n g ，l a s e rw e l d i n gd e f o r m a t i o ni s s m a l l ，g e n e r a l l ys p e a k i n g ， m e c h a n l c a lp r o p e r t i e so fw e l ds e a mi s s t r o n g e rt h a nt h eb a s em e t a l i nt h i sp a p e r ，t h e r e l a t l o n s h l pb e t w e e np l a s m at e m p e r a t u r ea n d t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro n1 a s e r w e l d i n go fg a l v a n i z e ds t e e li sm a i n l ys t u d i e d i na d d i t i o n ，e x p e r i m e n t so fl a s e r1 a p w e l d i n go fg a l v a n i z e ds t e e l sw i t ht h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fc up o w d e ra r e m a i n l yr e s e a r c h e d r e s e a r c hc o n t e n t so ft h e t o p i ca r ea sf o i l o w s f1 r s t ly ，s t r u c t u r a ls t a b i l i t ya n de l a s t i cp r o p e r t i e so f c u z n 、m g z n 2a n dn i z nh a v eb e e n d e t e r m i n i e df r o mf i r s t 。p r i n c i p l e sc a l c u l a t i o nb yu s i n gc a s t e pp r o g r a mb a s e do nt h e d e n 8 i t yf u n c t i o n a lt h e o r y m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs o l i ds o l u t i o n s ，t h a ti sf o 加e d b v t h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f c ua n dz nh a sb e e ns t u d i e d t h r o u g h t h es i m u l a t i o no fz i n ca l l o ya n di t sc o m p o u n d s ，t h el a s e rw e l d i n go f g a l v a n i z e ds r e e l w i t ht h ec u p o w d e rp r o v i d e sa nc e r t a i nt h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dp r e d i c t i o n s e c o n d l y , t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np l a s m at e m p e r a t u r e a n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro nl a s e rw e l d i n go fg a l v a n i z e ds t e e l ，r e l a t i o n c u r v e so f l a s e rp o w e r , s p e e do fw e l d i n g ，d e f o c u s e d d i s t a n c e ，s h i e l d i n gg a sf l o wa n dp l a s m a t e m p e r a t u r ea r ea n a l y z e d i th a sb e e ns h o w nt h a t t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e rh a sa c e r t a l ne f f e c to np l a s m at e m p e r a t u r e s h i e l d i n gg a sf l o wh a so b v i o u si m p a c t o nt h e p l a s m at e m p e r a t u r e i td e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f s h i e l d i n gg a sf l o w h o w e v e r t h e1 n f l u e n c eo fs p e e do fw e l d i n go np l a s m a t e m p e r a t u r ei sl e a s t ，w h o s ed e v i a t i o ni s 13 2 3 k c h a n g e so fp l a s m at e m p e r a t u r ec a n p r o v i d ec e r t a i nt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o r m o n i t i n ga n dp r e d i c t i n go fl a s e rw e l d i n gw i t hd e e pp e n e t r a t i o n n n a l l y , t h ee x p e r i m e n t so fl a s e rl a p w e l d i n go fg a l v a n i z e ds t e e l sw i t ht h e d l f i e r e mc o n c e n t r a t i o n so fc up o w d e r a r em a i n l yc a r r i e d o u t t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，f r a c t u r em o r p h o l o g y , c o m p o n e n td i s t r i b u t i o na n dt h em a i np h a s eo ft h e w e l d e dj o i n ta r ed e t e c t e d t h r o u g hp r o c e s s i n ga n da n a l y s i so f e x p e r i m e n td a t a t h e p r o p e r t yo fw e l d i n gj o i n to fl a s e rl a pw e l d i n go fg a l v a n i z e ds t e e l sw i t ht h ec up o w d e r o fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n si sc o n c l u d e d i i i 镀锌钢激光添加铜粉搭接焊的试验研究与模拟 k e y w o r d s ：g a l v a n i z e ds t e e ls h e e t st ov e h i c l eb o d y ；l a s e rw e l d i n g ；p l a s m at e m p e r a t u r e ； c up o w d e r ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 插图索引v i i i 附表索引x 第l 章绪论1 1 1 镀锌钢1 1 1 1 镀锌钢简介l 1 1 2 镀锌钢种类2 1 1 3镀锌钢应用2 1 2 镀锌钢的激光焊接特性及研究现状3 1 2 1 镀锌钢的主要焊接工艺3 1 2 2 激光焊接原理与特点4 1 2 2 1 激光焊接的基本原理4 1 2 2 2 激光焊接的特点5 1 2 3 激光焊接镀锌钢的应用研究6 1 2 4 激光焊接镀锌钢容易产生的缺陷及分析7 1 3 激光添加材料焊接的优势及应用研究8 1 3 1 激光添加材料焊接机理及优势8 1 3 2 激光添加材料焊接的研究现状1 0 1 4 本课题的研究内容及创新点1 2 1 4 1 研究内容12 1 4 2 创新点12 第2 章锌合金化合物力学性质的理论模拟1 3 2 1 模拟研究的目的及意义1 3 2 2 模拟研究的基本理论1 3 2 2 1 总能量的计算【4 9 1 13 2 2 1 1 总能表达式1 3 2 2 1 2k s 方程15 2 2 1 3 赝势15 v 镀锌钢激光添加铜粉搭接焊的试验研究1 i 模拟 2 2 1 4 自洽计算( s c f ) 1 6 2 2 1 5 广义梯度近似( g g a ) 1 7 2 2 2c a s t e p 计算输出结果l8 2 3 锌金属间化合物的计算条件及方法1 8 2 4 锌金属间化合物的计算结果1 9 2 4 1 晶格常数和能量1 9 2 4 2 合金形成热和结合能2 l 2 4 3 弹性常数和力学性质2 2 2 5 锌固溶体的计算模型及方法2 4 2 6 锌固溶体的计算结果2 4 2 6 1 晶格常数和能量2 4 2 6 2 弹性常数和力学性质2 5 2 6 3 电子结构分析2 6 2 7 本章小结一2 7 第3 章锌等离子体温度与工艺参数的关系2 9 3 1 等离子体温度的谱线相对强度计算方法2 9 3 2 锌等离子体的检测理论一3 0 3 3 试验方案总体描述3 1 3 4 试验条件3 2 3 4 1 激光器一3 2 3 4 2 数控五轴加工机床3 3 3 4 3 光谱仪3 4 3 4 4 面阵c c d 3 4 3 4 5 测试软件3 5 3 4 6 焊接试验材料及焊接夹具3 6 3 5 试验过程3 6 3 6 试验结果分析3 7 3 6 1 激光功率与等离子体温度的关系3 9 3 6 2 焊接速度与等离子体温度的关系4 0 3 6 3 离焦量与等离子体温度的关系4 0 3 6 4 保护气体流量与等离子体温度的关系4 1 3 7 本章小结一4 2 第4 章镀锌钢的激光添粉焊接4 3 4 1 试验条件及方法4 3 4 1 1 试验设备与材料一4 4 v i t 程硕十学位论文 4 1 2 试验方法4 4 4 2 试验结果与分析4 5 4 2 1 焊缝的表面成形性4 5 4 2 2 焊接接头的力学性能4 6 4 2 3 焊接接头的显微组织分析4 7 4 2 4 焊接接头的能谱分析5 2 4 2 5 焊接接头的x r d 分析5 6 4 3 本章小结5 7 总结与展望5 8 参考文献6 0 致 射6 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 5 附录b 程序源代码6 6 v l i 镀锌钢激光添加铜粉搭接焊的试验研究与模拟 插图索引 图1 1 不同环境下不同镀层厚度的镀锌钢使用寿命1 图1 2 镀锌钢在汽车上的应用一2 图1 3 激光深熔焊接小孔示意图4 图1 4 激光焊接原理示意图5 图2 1c u z n 、m g z n 2 与n i z n 的晶胞结构1 9 图2 2c u z n 、m g z n 2 与n i z n 的能量耦合曲线一2 1 图2 3 锌金属间化合物的合金形成热和结合能2 2 图2 4 计算模型2 4 图2 5c u x z n l x 与g b 的关系图2 6 图2 6c u x z n l x 超胞( 1 1 0 ) 电子密度图2 7 图3 1 锌等离子体光谱图3 0 图3 2 锌等离子体谱线能级跃迁图3 1 图3 3 试验装置示意图3 l 图3 4 试验现场图3 2 图3 5d c 0 2 5 型板条式c 0 2 激光器及其模式3 3 图3 6s e s a m o 型三维激光切割焊接机床3 3 图3 7 等离子体温度测量流程图3 5 图3 8 熔宽正反面照片与对应的锌谱线强度信号3 9 图3 9 激光功率对等离子体温度的影响4 0 图3 1 0 焊接速度对等离子体温度的影响4 0 图3 1 l 离焦量对等离子体温度的影响4 l 图3 1 2 保护气体流量对等离子体温度的影响4 2 图4 1 接头形式示意图一4 4 图4 2 激光焊接试验现场图4 4 图4 3 试件拉伸试样( 单位：m m ) 一4 6 图4 4 添加不同浓度铜粉与焊接接头力学性能的关系曲线4 6 图4 5 试件断口扫描形貌4 7 图4 6 未添加粉末的焊接接头的各部位的显微组织4 9 图4 7 添加铜粉浓度为0 3 7 的焊接接头的各部位的显微组织4 9 图4 8 添加铜粉浓度为2 8 2 的焊接接头的各部位的显微组织5 0 图4 9 添加铜粉浓度为3 4 6 的焊接接头的各部位的显微组织5 l v i i i 工程硕士学位论文 图4 1 0 添加铜粉浓度为6 1 1 的焊接接头的各部位的显微组织5 1 图4 1 l 添加铜粉浓度为8 0 6 的焊接接头的各部位的显微组织5 2 图4 1 2 未添加粉末的焊接接头能谱分析图5 3 图4 1 3 添加铜粉浓度为2 8 2 的焊接接头能谱分析图5 4 图4 1 4 添加铜粉浓度为8 0 6 的焊接接头能谱分析图一5 5 图4 1 5 焊接接头x 射线衍射图5 7 i x 镀锌钢激光添加铜粉搭接焊的试验研究与模拟 附表索引 表2 1c u z n 、m g z n 2 与n i z n 的结构参数1 9 表2 2c u z n 、m g z n 2 与n i z n 的平衡晶格常数和能量2 0 表2 3c u z n 、m g z n 2 与n i z n 的合金形成热和结合能计算结果2 1 表2 4c u z n 、m g z n 2 与n i z n 弹性常数计算结果和实验结果2 2 表2 5c u z n 、m g z n 2 与n i z n 的模量2 3 表2 6c u x z n l x 的平衡晶格常数和能量一2 5 表2 7c u 。z n l x 的弹性常数计算结果2 5 表2 8c u 。z n l x 的模量一2 5 表3 1 锌谱线参数31 表3 2 激光器主要技术参数3 2 表3 3 三维激光机床主要技术参数3 3 表3 4s p e c t r a p r o - - 2 3 5 6 型光谱仪主要技术参数3 4 表3 5p i x i s ：4 0 0 f 主要技术参数一3 5 表3 6 镀锌钢板的化学成分及力学性能3 6 表3 7 正交试验因素水平表3 7 表3 8 正交试验设计表3 7 表3 9 等离子温度极差分析计算表3 8 表4 1 镀锌钢板的化学成分及力学性能4 4 表4 2 焊缝外观形貌4 5 x zf，?0，、 工程硕士学位论文 1 1 镀锌钢 第1 章绪论 1 1 1 镀锌钢简介 钢铁产品暴露于大气中，表面一般会存在水蒸气凝结或者由于吸附凝聚，化 学凝聚和毛细凝聚等作用下形成的薄层水膜，这种液态水溶液在钢铁表面的存在， 容易使得表面的一些自由能较高，处于活化状态或半自由状态的铁原子呈现负电 性，在钢铁和水溶液界面形成双电层，产生电位梯度。由于电化学作用，铁在溶 有氧气的水溶液中极容易溶解，造成腐蚀。如果考虑到空气由于污染而含有二氧 化硫等物质，钢铁的大气腐蚀将更为严重和复杂。据估算，全世界钢铁产品的十 分之一消耗于腐蚀，仅在美国每年因钢铁的腐蚀损坏与修复就需花费3 0 0 亿美元 以上。由此可见，钢铁的腐蚀造成了材料及能源的极大浪费【lj 。 镀锌钢的首要特性就是抗腐蚀性好，且得益于镀锌层的作用。镀锌层耐腐蚀 机理主要有两个方面：( 1 ) 镀锌层对钢铁基体起物理屏障的保护作用，通过把钢 件与腐蚀环境介质隔离，从而达到防腐的目的。同时，镀锌钢表面在腐蚀过程中 生成腐蚀产物膜，表面锌的氧化物也能够抑制腐蚀的进一步进行；( 2 ) 镀锌层对 钢基体可起到电化学保护作用一阴极保护作用。在常见的腐蚀介质中，锌对于钢 是阳极，故对因划伤、碰撞而露出的钢基，镀锌层可作牺牲阳极保护作用。有研 究表明镀锌钢的耐蚀寿命主要由镀锌层的厚度决定的，镀锌层厚度越大，镀锌 钢的耐腐蚀寿命越长。通常8 6 9 m 厚镀层的镀锌钢在大气中的使用寿命不低于2 0 年。不同镀锌层厚度在不同的大气环境中的影响存在差异，如下图1 1 所示。 蚌 疆 靛 罡 革 6 ( 镀层m m 图1 1 不同环境下不同镀层厚度的镀锌钢使用寿命 镀锌钢激光添加铜粉搭接焊的试验研究与模拟 镀锌钢板镀层锌的熔点4 2 0 度，沸点9 0 8 度；基体钢的熔点1 3 0 0 度，沸点 2 8 6 1 度，采用热输入焊接镀锌钢板时，在钢基体熔化之前锌很容易蒸发。在焊接 过程中，锌的挥发使焊接接头的镀锌层的防腐性降低，因此应尽量避免锌的挥发， 最好是减少焊接热输入量1 2 j 。 1 1 2 镀锌钢种类 镀锌钢按生产及加工方法可分为以下几类：热浸镀锌钢板。将薄钢板浸入 熔解的锌槽中，使其表面粘附一层锌的薄钢板。目前主要采用连续镀锌工艺生产， 即把成卷的钢板连续浸在熔解有锌的镀槽中制成镀锌钢板；合金化镀锌钢板。 这种钢板也是用热浸法制造，但在出槽后，立即把它加热到5 0 0 左右，使其生 成锌和铁的合金被膜。这种镀锌板具有良好的涂料的密着性和焊接性；电镀锌 钢板。用电镀法制造这种镀锌钢板具有良好的加工性。但镀层较薄，耐腐蚀性不 如热浸法镀锌板；单面镀和双面差镀锌钢板。单面镀锌钢板，即只在一面镀锌 的产品。在焊接、涂装、防锈处理、加工等方面，具有比双面镀锌板更好的适应 性。为克服单面未涂锌的缺点，又有一种在另面涂以薄层锌的镀锌板，即双面差 镀锌板；合金、复合镀锌钢板。它是用锌和其他金属如铅、锌制成合金乃至复 合镀层的钢板。这种钢板既具有卓越的防锈性能，又有良好的涂装性能。 除上述五种外，还有彩色镀锌钢板、印花涂装镀锌钢板、聚氯乙烯叠层镀锌 钢板等，但目前最常用的仍为热浸镀锌板。 1 1 3 镀锌钢应用 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。而在汽车生产中应用最广 泛，它能大幅度提高汽车使用寿命并且降低故障率。各种牌号的普通镀锌钢、高 强度镀锌钢、超高强度镀锌钢都在汽车上得到了很好的应用。如汽车车身外型、 地板，以及内部有防腐要求的零部件等。镀锌钢的应用不但提高了抗腐蚀性能， 还保证了结构强度，在汽车制造中占重要地位。图1 2 所示为镀锌钢在汽车上的 应用。 图1 2 镀锌钢在汽车上的应用 2 工程硕士学位论文 近年来，世界上各主要汽车制造厂家越来越重视提高汽车的使用寿命，因而对 车身用钢板质量的要求也日益提高。为了防止汽车车身钢板的腐蚀，2 0 世纪7 0 年代开始采用镀锌薄钢板，德国首次推出全热镀锌薄钢板的车身，随后，镀锌钢 板的增长率不断上升，尤其是汽车车身，在镀锌钢板与铝板和塑料板激烈竞争中， 促进钢铁厂更积极地发展镀锌钢板。美国的一些轿车覆盖件甚至全部采用镀锌钢 板来制造，我国生产的奥迪轿车和富康轿车，镀锌钢板的用量均占钢板总量的7 4 以上【3 】。镀锌钢板的抗腐蚀性能随着镀锌层厚度增加而增加，但是成型性能和可 焊接性能随着镀锌层厚度增加而恶化。 1 2 镀锌钢的激光焊接特性及研究现状 1 2 1 镀锌钢的主要焊接工艺 在汽车制造行业中，镀锌钢板的焊接主要有以下几种方法： 1 ) 电阻点焊：此焊接方法是利用电流通过板材内部和板材之间的电阻所产生 的热量来加热熔化而形成焊点。电阻点焊工艺成熟，应用广泛，但是焊接镀锌钢 板时，锌与焊枪容易合金化，降低焊枪使用寿命，同时使焊件表面镀锌层遭到破 坏，特别是连续点焊时，电极头易过热变形，焊点强度逐渐降低，甚至产生未焊 透。另外，由于锌的电阻率较低，焊接开始时焊件之间接触电阻小，不利于熔核 的形成。 2 ) 电弧钎焊：此焊接方法又分为m i g 电弧焊和t i g 电弧焊。m i g 电弧钎焊 从某种意义上说也属于熔化极气体保护焊( m a g ) ，它采用低熔点的铜基焊丝代 替了碳钢焊丝，焊接时热输入量小，母材不会熔化，同时锌的蒸发降至最低，提 高了焊缝的抗腐蚀性能( 铜基焊缝也耐腐蚀) ，从而确保了镀锌钢板更好更有效的 焊接。电弧钎焊具有节能高效的特点，同时氩气气流对电弧具有压缩作用，热量 较集中，加热升温速度快，钎焊接头在高温停留时间短，金属不易产生晶粒长大 并使热影响区变窄，其组织与性能变化也较小，焊缝成型美观，速度快【4 j 。电弧 钎焊焊接镀锌钢，当焊接稳定时焊缝成型良好，但是焊接过程烟雾与灰尘较大， 影响工作环境，并且易产生气孔，熔渣粒子，飞溅现象，未熔合及裂纹，锌蒸气 影响电弧稳定性和镀锌钢板的防腐性【5 】。 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。与传统焊接工艺相比，激光焊接镀锌钢板不仅 具有激光焊接的优点，而且还有以下优势： 1 ) 激光焊接镀锌钢板产生的焊缝狭窄，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。 2 ) 镀锌层烧损少，且焊接变形小。 3 镀锌钢激光添加铜粉搭接焊的试验研究与模拟 3 ) 无需真空，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【6 1 。 4 ) 镀锌钢板的激光焊接与点焊相比，焊接接头的疲劳强度提高了3 6 1 2 6 ，抗拉强度提高了3 4 11 3 。与电弧焊接相比，激光焊缝的热影响区小， 从而限制了热变形，同时改善了冶金机械性能。与电子束焊相比，它无需真空和 自动化程度高1 7 1 。 5 ) 传统焊接中，采用电阻点焊技术，需要1 6 m m 的凸缘宽度，而激光焊接是 单边非接触性焊接，只需要5 m m ；把电阻焊改为激光焊，每辆车就可以节省钢材 4 0 k g ，并且焊接速度可以从0 5 m m i n 提高到2 0 m m i n ，甚至更快。 1 2 2 激光焊接原理与特点 1 2 2 1 激光焊接的基本原理 激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能量密度焊接方法。具体地说，激 光焊接是将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用，使材料内部 熔化( 这与激光打孔、激光切割的蒸发不同) 实现焊接的。激光焊接可分为脉冲 波激光焊接和连续波激光焊接，激光焊接按其热力学机制又可分为激光热传导焊 接和激光深穿透焊接( 或者称激光深熔焊接) 。 当激光以大于1 0 6 w c m 2 的功率密度照射金属时，即可得到激光深熔焊接， 其特点是当高强度激光束作用在金属表面时，引起材料表面熔化和蒸发，当蒸发 速率足够大时，所产生的高压蒸气的压力足够克服液态金属表面张力和液体重力， 从而排开部分液态金属，使得激光作用区处的熔池下凹形成小孔，所产生的蒸气 继续迫使坑底的金属排向熔池四周，从而使小孔进一步加深。这个过程继续进行 下去，最终就在液态金属中形成一个类似锁眼的小孔。当激光束在小孔中产生的 金属蒸气压力与液态金属的表面张力和重力达到平衡，小孔不再继续加深而形成 一个稳定深度的小孔，这就是所谓的“小孔效应”【8 】。激光深熔焊小孔机制如图1 3 所示。 图1 3 激光深熔焊接小孑l 示意图 4 工程硕士学位论文 匙孔现象发生在材料熔化和汽化的临界点，气态金属产生蒸气压力很高，足 以克服液态金属的表面张力，并把熔融的金属吹向四周，形成匙孔。随着金属蒸 气的逸出，在工件上方及匙孔内部形成等离子体，较厚的等离子体会对入射激光 产生一定屏蔽作用。由于激光在匙孔内的多重反射，匙孔几乎可以吸收全部激光 能量，在经内壁作用一热传导方式通过熔融金属传到周围固态金属中去。当工件 相对于激光束移动时液态金属在小孔后方流动、逐渐凝固，形成焊缝，这种焊接 称为深熔焊，是激光焊接中最常用的焊接模式。图1 4 所示为激光热传导焊和深 熔焊原理示意图。 尚。 热传导蜱接。小孔谢熔焊接 1 萼离子体云 2 蔼化材辑 3 诨接小孔 4 埠接馆深 图1 4 激光焊接原理示意图 1 2 2 2 激光焊接的特点 激光焊接代表着一种在微小区域内加热与冷却之间的精细平衡。激光焊接的 目的是通过辐射吸收形成液态熔池，并使之长到理想尺寸，然后沿固体界面移动， 消除被焊构件的初始缝隙，产生高质量焊缝。熔池过小、过大或者蒸发严重，都 将导致焊接失败。此外，焊缝的最终质量还可能因其它因素的改变而改变，如合 金成分的蒸发，焊接熔池的体积与几何形状的不稳定以及过大的热梯度等。 激光焊接以高能量密度的激光作为光源，对金属进行熔化形成焊接接头。与 一般焊接方法相比，激光焊接具有以下特点。 1 ) 激光焊接速度快，热输入小，焊接应力和变形小，热影响区小； 2 ) 激光能发射、透射，能在空间传播一定距离而衰减很小，并且可以进行远 距离或一些难以接近的部位的焊接； 3 ) 激光可通过棱镜、光导纤维等光学方法弯曲传输、聚焦、偏转，特别适合 于微型零件及可达性很差部位的焊接； 4 ) 一台激光器可以为多个工作台进行不同的工作，既可以用于焊接，又可以 用于切割、合金化和热处理，一机多用； 5 ) 可以焊一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等，甚至可用于焊接 5 镀锌钢激光添加铜粉搭接焊的试验研究与模拟 非金属材料的焊接，如有机玻璃、陶瓷；焊后无需热处理，适合于某些对热输入 敏感的材料的焊接； 6 ) 属于非接触焊接，接近焊区的距离与电弧焊相比，要求较低，焊区材料的 疲劳强度比电子束高。与电子束焊相比，不需要真空设备，并且不产生x 射线， 也不受磁场干扰； 7 ) 当激光束进入熔融孔道时，光束反复反射并与孔壁金属表面相互作用过程 中，如遇到夹杂物( 如氧化物、硅化物) 时，便首先被吸收，不纯杂质有选择地 被加热并被汽化而逸出焊缝。激光焊接焊透的韧性与母材相当或高于母材。在 s m a 焊、g m a 焊、激光焊、电子束焊四种焊接方法中，激光焊接的硬度最高又 由于热膨胀区域窄，对金属组织变化的影响可不作考虑1 9 j 。 激光焊接存在的缺陷是激光特别是高功率连续激光器，价格昂贵；焊接脆硬 性材料时易形成硬脆接头；合金元素蒸发造成焊缝产生气孔和咬边；对焊件加工、 组装、定位要求很高，激光器的电光转换及整体效率很低。 1 2 3 激光焊接镀锌钢的应用研究 激光焊接已经成为汽车制造领域中不可缺少的工艺【l 肌1 3 j ，镀锌钢作为汽车零 部件的主要材料，使得镀锌钢激光焊接应用更加广泛，但是由于镀锌钢焊接还易 产生熔渣粒子、气孔、飞溅、未熔合、假焊、焊缝不连续、焊缝材料烧损、焊缝 凹坑、焊缝凹陷、焊缝凹凸不平等缺陷。国内外的研究人员对于镀锌钢激光焊接 工艺也展开了一定的研究。 上海交通大学黄海军【1 4 】等人以n d ：y a g 激光器对汽车用镀锌钢板进行了焊 接工艺研究，通过预留板间间隙的激光焊工艺试验，对不同工艺条件下焊接试样 的焊缝成形、微观组织及结合强度进行了分析与评价。得出预留间隙法可以有效 地降低镀锌层在加热过程中的汽化影响，从而获得高质量的激光焊接质量。 湖南大学陈根余、张屹1 15 】等人采用“三明治”焊接新方法，利用多通道光谱 仪对激光焊接光致等离子体的光谱进行了测量，并且利用阿贝尔逆变换数值方法 获得激光焊接孔外等离子体的温度场。 北京工业大学崔怀洋、左铁钏【l6 】等人以裁焊板工业生产为背景，对汽车用镀 锌钢板的c 0 2 激光切割板坯的c 0 2 激光焊焊接性进行了试验研究。对于等厚和不 等厚的镀锌板拼接进行c 0 2 激光焊接，在激光功率4 0 0 0 w 时，其焊接速度可达 0 1 m 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o 5 1 0 m m 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。 华中科技大学黄治军、胡伦骥【l 7 】等人研究了镀锌板激光焊接接头锌的分布及 6 工程硕十学位论文 焊接接头耐蚀性能。定量及s e m 分析表明，焊缝中表面只残留少量锌，在焊缝 两侧的热影响区，锌层厚度呈梯度分布，并且激光焊缝窄，基材锌层阳极保护作 用得以保存，激光焊接板仍具有较好耐蚀性。 上海大众汽车有限公司席升印和上海交通大学果绍风、唐新华【l8 j 针对3 层镀 锌钢板不同的板材厚度组合，当工艺参数适当时，得出当叠层间隙o 2 m m 时，焊 接过程稳定，焊缝成形较为均匀，无气孔、飞溅等质量缺陷。 德国巴伐利亚机构研究中心m s c h m i d t 1 9 】等人根据激光焊接镀锌钢的实际状 况对激光功率进行快速频率调节展现了一种新方法。 德国的生产工程c a d 研究所h b l e y 2 0 】等人为提高焊接质量和节约成本，利 用搭接焊对两块镀锌钢板接触面留有0 1m m 间隙，结果表明锌蒸气可以从板间间 隙逃逸有效地提高了焊缝成型质量。 美国爱荷华州大学的w e i c h i a tc h e n 2 l 】等人采用脉冲y a g 激光预先在搭接板 的下层板上打出合适的排气小孔，再用1 5 0 0 w 连续c 0 2 激光焊接双层搭接镀锌 钢板，能减少锌蒸气的影响，减少焊接气孔，得到的焊缝因熔融金属填满了所开 的排气小孔形成类似于铆接的结构而增强了抗拉强度；但是，当焊接速度过高时， 因排气小孔无法被熔融金属填满得到的焊缝抗拉强度反而下降，并且需要额外开 排气孔，增加了工序。 意大利国际大学的s i q b a l 2 2 】等人采用n d y a g 和c 0 2 激光器串联，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气从细缝中排出。切割细缝与焊 接过程同时进行有利于保证焊接光束与切缝的位置关系。在合适的参数匹配下双 光束焊接能够解决锌蒸气问题，得到较好的焊缝质量。然而，要得到两束激光必 需增加额外的焊接装备，也就增加了加工成本。 国内外的学者对于镀锌钢激