镀锌板填丝激光钎焊工艺的初探

HEATS

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。
    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
    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
    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
    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。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。