鍍鋅鋼激光焊接鋅燒損研究

鍍鋅鋼激光焊接鋅燒損研究
        摘要：鋅燒損是鍍鋅鋼板激光焊接過程中的關(guān)鍵問題之一.本文通過測量焊后上下層鋅燒損寬度、中間層鋅的相對含量及腐蝕前后增重比，實驗研究了激光搭接焊接工藝參數(shù)與焊接過程中光致等離子體譜線信息與鋅燒損的相關(guān)性.研究結(jié)果表明：鋅燒損的主要影響工藝因素主次順序為焊接速度、激光功率、輔助氣體流量和離焦量；鋅的燒損量隨著鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強度的增大而增大；氣孔因鍍層鋅的蒸發(fā)而產(chǎn)生，直徑越大，局域鋅元素含量越高.鋅譜線強度可用于在線監(jiān)測鍍鋅鋼激光焊接時氣孔的產(chǎn)生及鋅燒損量的動態(tài)變化.
        關(guān)鍵詞：激光焊接；鋅燒損；鍍鋅鋼；等離子體；氣孔
        鍍鋅鋼板以其極高的強度和優(yōu)良的耐腐蝕性能大量應(yīng)用于汽車制造行業(yè).激光焊接具有焊縫窄而平滑、強度高、成形性好和焊件變形小等特點[1-3]，因此鍍鋅鋼激光焊接成為現(xiàn)代汽車制造的關(guān)鍵技術(shù).激光焊接的高能量密度會引起鍍層鋅的大量燒損而降低接頭的耐腐蝕性能.同時，鋅的劇烈蒸發(fā)還將引起氣孔、飛濺和塌陷等焊接缺陷[4-5].因此，激光焊接工藝參數(shù)對鋅燒損影響的研究及焊接過程鋅燒損的實時監(jiān)測問題尤為重要.等離子作為激光深熔焊接中存在的物理現(xiàn)象，與鋅燒損等焊接問題存在重要關(guān)聯(lián).本文探究了鍍鋅鋼激光焊接時的鋅譜線Zn I 328.2 nm及Zn I 330.3 nm與鋅燒損的關(guān)系，為鋅燒損的實時監(jiān)測提供理論依據(jù).
        1實驗條件
        1.1實驗材料
        實驗材料為寶鋼生產(chǎn)的高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板B340/590DPD+Z，材料化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)見表1，其抗拉強度σb≥590 MPa ，屈服強度σs≥340 MPa.該材料具有良好的沖壓性能，因為鍍鋅，防腐性能優(yōu)越，可用于車身各種結(jié)構(gòu)件、加強件和防撞件等.實驗試件尺寸為100 mm×30 mm×1.2 mm的平板件.實驗中自制的簡易焊接夾具夾緊試件，為了盡可能避免油污影響焊接質(zhì)量，焊前用丙酮清洗焊接部位，去除油污.
        1.2實驗裝置及設(shè)備
        實驗采用的激光器是德國ROFIN生產(chǎn)的DC025型板條式CO2激光器，激光波長為10.6 μm，最大輸出功率P=2 500 W，連續(xù)輸出的激光模式為TEM00，光束發(fā)散半角α0.9，采用焦距f=200 mm的銅拋物反射鏡聚焦，光束聚焦后的焦斑直徑為0.4 mm；焊接機床為湖南大學(xué)激光研究所與上海團結(jié)普瑞瑪公司共同開發(fā)的SESAMO型數(shù)控三維五軸激光切割焊接機床.光譜采集系統(tǒng)采用美國Princeton Instruments公司生產(chǎn)的SpectraPro2356型光譜儀.為了提高測量精度和方便光譜信號的后處理分析，本試驗選擇分辨率為0.05 nm，1 200 g/mm的光柵.采用光纖探測組件接受光信號并將光信號傳輸給光譜儀.光纖探測頭固定裝置采用二位電動位移平臺.實驗示意圖如圖1.
        焊后采用型號為JXA8230的電子探針顯微分析儀對焊縫元素進行半定量的線掃描分析（日本進口的電子探針顯微分析儀 （Electron Probe Micro Analyzer，EPMA））.
        1.3實驗方案
        實驗過程采用搭接焊，正交試驗選取激光焊接過程中對焊接質(zhì)量有較大影響的4個因素，分別是激光功率、焊接速度、離焦量、輔助氣體流量（注：采用Ar氣），每個因素各取4個水平，其焊接水平因素表如表2所示，實驗參數(shù)表如表3所示，實驗過程中采集光致等離子體信號譜線.
        2實驗結(jié)果及分析
        實驗前，首先分析了鋅的燒損量與鍍鋅層燒損寬度的相關(guān)性.鋅的燒損寬度采用體式顯微鏡測量焊縫兩側(cè)平行于焊縫中心線的兩條白色燒損線間的寬度；焊后鋅含量采用電子探針顯微分析儀進行中間層鋅元素含量掃描后獲取.如圖2所示，上、下層鋅的燒損寬度與焊后試件鋅的含量正相關(guān)，因而可以用上、下層鋅的燒損寬度來描述焊后試件鋅的燒損量[7].
        2.1焊接工藝參數(shù)對鋅燒損的影響
        照射到工件表面的激光輻照功率密度是否達到鋅汽化的閾值將決定鋅的燒損寬度[8].以上、下層鋅燒損寬度及腐蝕后增重千分比為分析依據(jù)，其影響鋅燒損因素主次順序為：焊接速度、激光功率、輔助氣體流量、離焦量，優(yōu)水平為激光功率1 400 W，焊接速度25 mm/s，離焦量-1 mm，輔助氣體流量25 L/min.研究結(jié)果表明：上述4個焊接工藝參數(shù)中，輔助氣體流量對鋅燒損的影響最小.
        2.1.1焊接速度對鋅燒損的影響
        焊接速度是本焊接過程中對焊接質(zhì)量最重要的影響工藝參數(shù).從圖3中可以看出，上、下層鋅的燒損量及焊后腐蝕增重比都隨著焊接速度的增大而減小.在激光功率一定的條件下，焊接速度增大，輸入試件的線能量減少，因而上、下層鋅的燒損量也隨著減少.然而，激光深熔焊接形成穩(wěn)定小孔存在著激光輸入線能量最小閾值[7].因而，激光功率一定時，焊接時形成穩(wěn)定小孔存在合適的焊速范圍.焊接速度過大，焊接過程無法形成穩(wěn)定的小孔；焊接速度過小，鋅的燒損量增加.同時，過低的焊接速度還會導(dǎo)致熱輸入量過大，從而導(dǎo)致焊縫組織性能惡化或出現(xiàn)宏觀裂紋.
        2.1.2激光功率對鋅燒損的影響
        激光功率是本焊接試驗中影響鍍層鋅燒損的主要因素.上、下鋅層燒損寬度、腐蝕后增重千分比均隨著激光功率的增大而增大.激光功率越大，輸入能量越大，試件表層上的鍍層鋅越容易汽化.此時，鋅的燒損量（pi）與激光功率近似呈正比，如圖4所示.試件材料接觸中性的鹽水，可以用于模擬大氣腐蝕條件下焊件受外部介質(zhì)的化學(xué)作用或電化學(xué)作用發(fā)生腐蝕.試驗結(jié)果表明，激光功率越大，鋅的燒損量越大，焊后試件腐蝕程度越嚴重.
        2.1.3離焦量對鋅燒損的影響
        離焦量也是影響鍍鋅鋼激光焊接鋅燒損的重要工藝參數(shù).上、下鋅層鋅的燒損寬度由照射到工件表面的激光輻照功率密度是否達到鋅汽化閾值來決定.而離焦量的變化帶來了輻照在工件表面的光斑直徑和照射在工件表面激光功率密度的變化，進而影響工件材料對激光能量的吸收及上、下鋅層鋅的燒損寬度.圖5表明，鋅的燒損量變化在離焦量-1.5 mm～1 mm區(qū)間中波動變化，試件焊后腐蝕后增重千分比的變化與上、下鋅層燒損寬度變化趨勢相同.離焦量為-1.5 mm時，鋅的燒損量比-1.0 mm時大.這是因為該區(qū)域中激光輻照光斑的直徑起主導(dǎo)作用，激光輻照面積越大，鋅的燒損量越大.而離焦量在-1.0 mm至1.0 mm區(qū)間，離焦量引起的激光輻照功率密度決定了鋅的燒損.離焦量為0時，激光輻照功率密度在離焦量為-1.0 mm～1.0 mm區(qū)域中最大，此時鋅的燒損寬度最大.
        2.2鋅譜線強度與鋅燒損的相關(guān)性
        采用等離子體特征信號作為焊接質(zhì)量實時在線監(jiān)測的依據(jù)是激光焊接在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢.本文采集了16組實驗中的5組光致等離子體譜線信息進行分析，如圖6所示.研究發(fā)現(xiàn)：鋅譜線Zn I 328.2 nm及Zn I 330.3 nm的強度特征隨鋅燒損量變化顯著[8-10].因此本文重點分析了鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強度，得到了鋅燒損量與鋅譜線強度之間的相關(guān)性.從圖7發(fā)現(xiàn)，中間層剩余含鋅量隨著鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強度的增大而減小，即鋅的燒損量隨著鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強度的增大而增大.在光學(xué)薄的等離子體中，光發(fā)射譜線的強度與激發(fā)態(tài)原子的密度成正比.而激發(fā)態(tài)原子的密度分布符合波爾茲曼分布，與鋅蒸氣原子密度成正比.因此，監(jiān)測鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強度可用于反映鍍鋅鋼激光焊接時鋅燒損量的動態(tài)變化.
        2.3鋅元素分布與氣孔之間的關(guān)系
        如圖8所示，采用電子探針顯微分析儀進行鋅元素線掃描的過程中發(fā)現(xiàn)，鋅元素含量突增的地方均有氣孔存在，且氣孔越大，局域鋅元素含量越高.因為在鍍鋅鋼激光焊接過程中，鍍層鋅和基體鋼物理特性的極大差異（鍍鋅層鋅的熔點是420 ℃，沸點是908 ℃，基體鋼的熔點是1 300 ℃ ， 沸點是2 861 ℃[11-12]），鍍層鋅的汽化先于基體鋼的熔化.由于鋅的沸點低， 鍍鋅鋼板的鍍層鋅極易汽化而形成鋅蒸氣.當(dāng)鋅蒸氣被壓入焊接熔池時， 對熔池產(chǎn)生擾動， 熔池中的氣泡不易排出.加之激光焊接熔池的冷卻速度快，熔池凝固時間短，熔池中的鋅蒸氣引起的氣泡極易使焊縫產(chǎn)生氣孔.
        3結(jié)論
        鍍鋅鋼激光焊接時，以上、下層鋅燒損寬度及腐蝕后增重千分比為依據(jù)，其影響鋅燒損因素主次順序為：焊接速度、激光功率、輔助氣體流量、離焦量，優(yōu)水平為激光功率1 400 W，焊接速度25 mm/s，離焦量-1 mm，輔助氣體流量25 L/min.分析可得出以下結(jié)論：
        1）激光功率越大，焊接速度越小，輸入工件的線能量越大，鋅的燒損量越大，焊后試件腐蝕程度越嚴重；而在離焦量為-1.5～1 mm區(qū)間，鋅的燒損量和試件焊后腐蝕增重千分比成波動變化.
        2）焊后試件含鋅量隨著鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強度的增大而減小，即鋅的燒損量隨著鋅譜線平均強度的增大而增大.鋅譜線Zn I 328.2 nm和Zn I 330.3 nm的平均強度可用于在線監(jiān)測鍍鋅鋼激光焊接時鋅燒損量的動態(tài)變化.
        3）激光焊接鍍鋅鋼時產(chǎn)生氣孔是因為鍍層鋅的蒸發(fā)而引起，氣孔越大，局域鋅元素含量越高.