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镀锌板填丝激光钎焊工艺的初探
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2008-05-07 16:39:25  中国焊接之家    
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                                        李飞群 瞿 丰 丁健君 吴腾飞

                              (上海交通大学 材料科学与工程学院,上海 200030)

    摘要: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。
               
    关键词: 镀锌板;激光焊接;填丝钎焊
               

    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。总而言之,工件间的连接是通过钎焊层实现的,而母材本身不应被激光严重熔蚀损伤。

    2 实验过程

    2.1 实验材料

        实验采用材料与汽车制造用材料一致。试件用剪床剪成100mm×30mm,连续热镀锌低碳非合金钢板厚0.7mm,镀锌量100克每平米。钎焊焊丝采用¢0.8mm的铜硅合金焊丝。焊丝具有良好的挺直性。

    2.2 实验设备

        实验采用日本IHI公司3KW Nd:YAG激光器(光纤传输),ABB公司六轴工业机器人,焊接时用氩气作为保护气。

    2.3 实验过程

        如图1所示,试件用台钳夹紧,将焊丝平放在V型槽中,实验过程中沿激光束输出方向采用氩气吹送保护。

    2.4 焊接参数

        焊接工艺参数见表1

        激光填丝焊接中,焦点位置在焊丝表面上方2mm处,其中约80%的光束照射在焊丝上,20%照射于附近镀锌板上。试验表明:焊丝能够熔化并浸润镀锌钢板,成形良好。

    2.5 焊缝外观

        焊缝外观见图2。

        试验发现焊丝可以充分熔化,并浸润焊缝。焊缝外表面圆滑平顺,无气孔、裂纹和咬边等缺陷。

    2.6 焊缝金相组织

        通过打磨、抛光、腐蚀后,获得试样显微金相照片见图3。显微观察激光钎焊试样,发现母材和钎料熔体间产生的金属间相层,降低了接头的机械性能。工业用途镀锌板材料的钎焊,若金属间相层小于10微米,则认为是可行的。

    3 讨论 

    a 激光填丝钎焊是常规激光焊接工艺的扩展,它综合了激光焊接和填料钎焊的优点,可以降低激光焊接对接头装夹精度、激光功率、激光聚焦性能的严格要求。在改善焊缝冶金性能、实现异种材料焊接等方面有应用空间。本试验中的激光钎焊采用焊丝预置方法,达到了预期效果。实际应用中宜采用自动送丝,这样,影响因素如送丝角度、送丝速度、激光功率分配等参数就更多更复杂,有待进一步的深入研究。

    b 大功率Nd:YAG激光器的问世,为材料焊接提供了一条新的途径。Nd:YAG激光器产生的激光通过光缆传输,结合工业机器人,可以组成一个柔性的焊接单元,更有利于全位置焊缝的焊接。由于镀锌板锌元素的存在,激光输出光束模式好、聚焦斑点较小、焦距较长的大功率Nd:YAG激光器尤其适合镀锌钢板的焊接,一方面它对锌层的烧损最小,同时还可以将锌蒸汽对聚焦镜头的污染程度减低到最小。在汽车制造业中,填丝激光钎焊可以取代传统的手工火焰钎焊,还可以用于车身顶盖与侧围的焊接,一方面提高了效率,同时取代了后续涂胶工艺,降低了生产成本。

    c 以上实验的结果还需利用扫描电镜(SEM)和X射线能谱分析(EDS)方法观察焊缝区域各部位的钎料-母材间的润湿铺展及冶金交互作用情况,并有待进一步深入研究。

    d 对于工业推广,镀锌板的激光钎焊还要进行疲劳实验、耐蚀实验等验证过程。

    参考文献

    (1) Jian xie,Paul Denney.Galvanized steel joined with lasers.Welding Journal,2001,8 :59-61.
    (2) Rehan Akhter,Steen W M,Watkins K G . Welding zinc-coated steel
    with a laser and the properties of the weldment. Journal of Laser
    Application,1991,3:9-20
    (3)胡军辉 ,曾晓雁 ,谢长生。激光填料焊接技术的发展现状及展望。激光技术,1997,21,257-261。
    (4) 梅汉华,肖荣诗 ,左铁钏,采用填充焊丝激光焊接工艺的研究,北京工业大学学报,1996,23:38-42
    (5)王成,张旭东,田志凌等,填丝二氧化碳激光焊的焊缝成形研究,应用激光1999,19:269-272


                                                                                                  (  插图略 )

     

               


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