鍍鋅板填絲激光釺焊工藝的初探

tags:    時間:2014-03-11 13:22:00
鍍鋅板填絲激光釺焊工藝的初探簡介
    摘要:介紹了採用Nd:YAG激光器在鍍鋅板填絲焊接中的應用優勢和加工機理,分析了實驗結果。工藝試驗證明填絲激光釺焊在合適的條件下,可以獲得成形好、缺陷較……
鍍鋅板填絲激光釺焊工藝的初探正文
    

摘要:介紹了採用Nd:YAG激光器在鍍鋅板填絲焊接中的應用優勢和加工機理,分析了實驗結果。工藝試驗證明填絲激光釺焊在合適的條件下,可以獲得成形好、缺陷較少且性能合格的接頭。
           
關鍵詞: 鍍鋅板;激光焊接;填絲釺焊
           

引言

    鍍鋅鋼板廣泛應用於汽車車身及家電製造業。用熱鍍或電鍍工藝產生的鋅層隔絕基層鋼板與空氣、水份等的接觸,並優先電解保護鋼板,以增強產品使用過程中的抗腐蝕性。同時,由於基層鋼板和鍍鋅層兩者截然不同的物理及機械特性,鍍鋅鋼板的焊接容易產生過熱、飛濺及影響電弧穩定性的鋅蒸汽等問題。在應用中,電阻點焊是鍍鋅鋼板最常見的焊接方法。除上述問題外,電阻點焊還有電極頭使用壽命等技術難題。

    近些年來,激光束焊接作為一種替代電阻點焊的工藝手段,受到人們的廣泛關注。以搭接焊結構為例,激光束焊接相對電阻點焊而言具有單面加工、搭邊量小(質量減輕)、結構強度增加、無電極磨損現象、焊接質量穩定、非接觸式加工、焊接速度快、焊接變形小等特點。
             
    工業上用於焊接的激光器主要為二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器。近年來出現了適合於材料加工的大功率Nd:YAG激光器。由於Nd:YAG激光器產生的激光可以有效地利用光纖傳輸,在板材結構件地焊接中逐步得到了推廣應用。

    近年來,許多學者對鍍鋅鋼板地激光焊接進行了研究,提出了不同地工藝手段,在此介紹採用Nd:YAG激光器在鍍鋅板填絲焊接中地實驗研究情況。

1 焊接機理

    早在1984年,一些學者就開始對激光填料焊接工藝進行了研究,當時是為了解決激光對焊存在的一些問題。國內也有學者採用二氧化碳激光器對填絲激光焊進行過研究,但多採用開坡口對接接頭形式。對於鍍鋅板的角接填絲釺焊,尤其是採用Nd:YAG激光器為熱源的激光工藝研究,尚未發現有相關的報道,我們對此進行了試驗。

    如圖1所示,激光填絲釺焊與常規「掃描」方式不一樣,聚焦光束首先照射在焊絲表面上,對焊絲加熱使其充分熔化形成高溫金屬熔體,流入熔體在合適的激光加熱條件下,使之與工件間形成良好的冶金結合,在界面層中主要生成均勻的固溶體及共晶組織。總而言之,工件間的連接是通過釺焊層實現的,而母材本身不應被激光嚴重熔蝕損傷。

2 實驗過程

2.1 實驗材料

    實驗採用材料與汽車製造用材料一致。試件用剪床剪成100mm×30mm,連續熱鍍鋅低碳非合金鋼板厚0.7mm,鍍鋅量100克每平米。釺焊焊絲採用¢0.8mm的銅硅合金焊絲。焊絲具有良好的挺直性。

2.2 實驗設備

    實驗採用日本IHI公司3KW Nd:YAG激光器(光纖傳輸),ABB公司六軸工業機器人,焊接時用氬氣作為保護氣。

2.3 實驗過程

    如圖1所示,試件用台鉗夾緊,將焊絲平放在V型槽中,實驗過程中沿激光束輸出方向採用氬氣吹送保護。

2.4 焊接參數

    焊接工藝參數見表1

    激光填絲焊接中,焦點位置在焊絲表面上方2mm處,其中約80%的光束照射在焊絲上,20%照射於附近鍍鋅板上。試驗表明:焊絲能夠熔化並浸潤鍍鋅鋼板,成形良好。

2.5 焊縫外觀

    焊縫外觀見圖2。

    試驗發現焊絲可以充分熔化,並浸潤焊縫。焊縫外表面圓滑平順,無氣孔、裂紋和咬邊等缺陷。

2.6 焊縫金相組織

    通過打磨、拋光、腐蝕后,獲得試樣顯微金相照片見圖3。顯微觀察激光釺焊試樣,發現母材和釺料熔體間產生的金屬間相層,降低了接頭的機械性能。工業用途鍍鋅板材料的釺焊,若金屬間相層小於10微米,則認為是可行的。

3 討論 

a 激光填絲釺焊是常規激光焊接工藝的擴展,它綜合了激光焊接和填料釺焊的優點,可以降低激光焊接對接頭裝夾精度、激光功率、激光聚焦性能的嚴格要求。在改善焊縫冶金性能、實現異種材料焊接等方面有應用空間。本試驗中的激光釺焊採用焊絲預置方法,達到了預期效果。實際應用中宜採用自動送絲,這樣,影響因素如送絲角度、送絲速度、激光功率分配等參數就更多更複雜,有待進一步的深入研究。

b 大功率Nd:YAG激光器的問世,為材料焊接提供了一條新的途徑。Nd:YAG激光器產生的激光通過光纜傳輸,結合工業機器人,可以組成一個柔性的焊接單元,更有利於全位置焊縫的焊接。由於鍍鋅板鋅元素的存在,激光輸出光束模式好、聚焦斑點較小、焦距較長的大功率Nd:YAG激光器尤其適合鍍鋅鋼板的焊接,一方面它對鋅層的燒損最小,同時還可以將鋅蒸汽對聚焦鏡頭的污染程度減低到最小。在汽車製造業中,填絲激光釺焊可以取代傳統的手工火焰釺焊,還可以用於車身頂蓋與側圍的焊接,一方面提高了效率,同時取代了後續塗膠工藝,降低了生產成本。

c 以上實驗的結果還需利用掃描電鏡(SEM)和X射線能譜分析(EDS)方法觀察焊縫區域各部位的釺料-母材間的潤濕鋪展及冶金交互作用情況,並有待進一步深入研究。

d 對於工業推廣,鍍鋅板的激光釺焊還要進行疲勞實驗、耐蝕實驗等驗證過程。

參考文獻

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