镀锌板激光焊接_激光焊接和点焊
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引言
镀锌钢的镀锌层不但具有物理屏蔽作用，而且对钢基体还起到了电化学保护作用，其良好的抗腐蚀性能使得镀锌钢在许多领域得到广泛的应用，包括电力、交通、建筑、化工、通风供热设施以及家具制造等行业。尤其在汽车制造中，各种普通镀锌钢，高强度镀锌钢，超高强度镀锌钢的应用大幅提高了车身等部件的抗腐蚀性能和汽车的使用寿命。然而，因镀锌钢中镀锌层的存在，使得镀锌钢的焊接工艺性大为降低。原因是在镀锌钢的焊接过程中，镀层锌和基体钢物理特性的极大差异（镀锌层锌的熔点是 420度，沸点是 908度，基体钢的熔点是 1300度，沸点是 2861度），镀层锌的气化先于基体钢的熔化，这一现象对镀锌钢的焊接过程和质量都有很大影响。目前，镀锌钢的主要焊接工艺有三种：电阻电焊、电弧焊和激光焊接。对电阻点焊而言，由于镀锌层的存在，焊接时电极易于锌层合金化，降低了电极的寿命。而采用电弧焊焊接镀锌钢时，由于锌的低沸点，在电弧刚接触到镀锌层时，锌迅速气化，产生的锌蒸气向外喷射，很容易使焊接产生熔渣粒子、气孔、飞溅、未熔合及裂纹等焊接缺陷，电弧的稳定性也因此受到影响，焊接质量下降，同时焊接过程中还会产生大量烟雾灰尘。另外，由于电弧焊的焊缝宽度较大，且热输入量大，镀层锌的大量气化降低了镀锌钢焊缝处的抗腐蚀性能。镀锌钢采用激光焊接时，同样存在镀锌层的气化，以及焊接气孔、飞溅、未熔合等缺陷。但激光焊接与电阻点焊和电弧焊相比，激光焊接单位热输入量少、热变形小、焊缝深宽比大、焊接速度高、焊缝强度普遍高于母材、镀层锌的损耗低 ,且激光焊接是单边加工、复杂结构适应性好、易于实现远程焊接和自动化。例如，德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃、美国通用、福特、意大利菲亚特、日本的日产、本田和丰田等汽车公司，都采用了激光焊接技术，建立了激光焊接生产线，在有的汽车生产中激光搭接焊缝已达到 100米长。在国内汽车厂家，只有少数几家企业（如：上海通用，一汽奥迪，大众等）引进国外的设备和技术，建立了激光焊接生产线。
本文以镀锌钢板为例，在分析镀锌钢板激光焊接特性的基础上，综述了提高镀锌钢板焊接质量的工艺措施，焊接过程的优化仿真及焊接质量的在线检测与控制。镀锌钢板激光焊接特性
激光焊接过程，根据焊接机理的不同可以分为两类：热传导焊与深熔焊。两者之间的根本区别就是是否存在焊接小孔。激光焊接镀锌钢板时，一般采用深熔焊接。但由于镀锌钢板中镀层锌的存在，激光深熔焊接镀锌钢板的过程存在两种特有的焊接特征：锌蒸气和锌等离子体。
(1)锌蒸气
当高能量密度的激光束照射到工件表面时，工件吸收激光能量，温度迅速升高，由于锌的低沸点，镀锌钢板的镀层锌极易气化而形成锌蒸气。当锌蒸气被压入焊接熔池时，对熔池产生扰动，熔池中的气泡不易排出，对焊接过程的影响最大。因为激光焊接熔池的冷却速度很快，熔池凝固时间很短，熔池中的气泡极易使焊缝产生焊接缺陷，如飞溅、熔渣、气孔、未熔合，影响焊缝成形，降低焊缝质量。同时，锌的蒸发使镀锌层的含锌量减少，对镀锌层的防腐性也有一定的影响；还有文献中提到锌层的蒸气对人体有害，影响工作环境。因此解决锌蒸气问题成为镀锌钢板激光焊接的根本问题。
镀锌钢板的激光焊接过程中，锌蒸气的产生可以分为两类：①上表层锌和下表层锌的气化；②叠层搭接焊时中间层锌的气化（如图1 所示）。上下表层锌蒸发而产生的锌蒸气膨胀并向空中自由扩散，对焊接质量无直接影响。镀锌钢板叠层搭接焊中，中间镀锌层气化产生的锌蒸气的膨胀扩散途径有三种：①经由板间间隙膨胀扩散至空气中；②经由焊接小孔膨胀扩散至空气中；③锌蒸气被压入焊接熔池。对于镀锌钢板叠层搭接焊锌蒸气经由板间间隙扩散排出的方式，合适的板间间隙值是控制锌蒸气排出的关键因素，间隙值的选取见本文第三部分第一节第二点板间间隙法。锌蒸气经由焊接小孔排出是另一种有效的途径。但是，焊接
小孔是细长小孔且焊接速度较快，有时锌蒸气无法通过板间间隙和焊接小孔完全排出而被强大的蒸气压力压入焊接熔池，形成熔池中的气泡。当熔池凝固时间足够长，气泡会随熔池的搅拌从内部熔池向熔池表面移动并最终排出到空气中；但如果熔池凝固时间短，熔池中锌蒸气的气泡在向熔池外移动和挤压过程中容易形成飞溅和熔渣，或者留在熔池内形成焊缝中的气孔，严重时会在板间形成大气泡，阻碍板间的熔合。实际镀锌钢板的激光焊接过程中，锌蒸气的迅速产生且蒸气压力大，锌蒸气同时经由上述三种扩散途径排出。
图 1 锌蒸气的扩散.(a)上下表层锌蒸气扩散；(b)中间层锌蒸气扩散 Fig.1 The diffusion of zinc vapor.（a）On top and bottom surface；
（b）In middle layer.(2)锌等离子体
光致等离子体是激光深熔焊接的重要特征。当激光束照射到镀锌钢板上，表层锌和基体钢吸收激光并迅速气化，形成锌和铁的混合金属蒸气。金属蒸气在激光的辐照作用下电离并形成等离子体。由于锌的气化温度低于铁的气化温度，锌蒸气比铁蒸气更容易产生，锌蒸气气压比铁蒸气气压高8 个数量级；同时当等离子体温度在10000K 时，锌等离子体的电子密度比铁等离子体的电子密度大2 个数量级（Zn：2.2x25450px-3, Fe：4.1x25400px-3）。因此有文献认为,锌的蒸气将加剧等离子体的产生，是镀锌钢板激光焊接时大量等离子体存在的主要原因。然而，也有文献从理论计算探讨锌蒸气问题时发现：在相同的条件下,锌比铁的蒸气密度约小25%，而锌的电离能(9.36eV)比铁(7.83eV)大,所以在被激光辐照气化的金属蒸气中,锌并不比铁优先电离,也就是说锌蒸气并不加速等离子体的形成。正是因为锌蒸气不易电离,使得在焊接过程中可观察到大量锌蒸气的存在。
无论锌是否加剧了等离子体的产生，在镀锌钢板激光焊接过程中仍然有大量的光致等离子体存在。等离子体对激光束有严重的阻隔作用，它不但对激光束有散射作用，而且会吸收激光能量，使得照射到工件上的能量减少，影响焊接小孔稳定形成，从而降低了焊接过程的稳定性。有关镀锌钢激光焊接的锌行为研究，特别是锌等离子体和小孔效应的实验研究目前比较缺乏。有文献分别对焊接小孔内和小孔外的等离子体做了研究，得出一定浓度的小孔孔内等离子体对激光能量的吸收是有利的，而孔外的等离子体云对焊接过程中激光能量的吸收 有屏蔽作用。镀锌钢板激光焊接质量的提高方法
激光焊接与传统的焊接方式相比，焊接过程更加复杂，包括材料对激光的吸收、材料的固态加热及相变(熔化、汽化）、小孔和等离子体的形成及其在激光能量耦合和传输过程中的作用、小孔内材料蒸汽和熔池内液态材料的流动、材料热物理参数的变化、小孔的稳定性、熔池表面的变形以及各种焊接工艺参数对焊接质量的影响等诸多方面。如本文第二部分所述，激光焊接镀锌钢板时存在锌蒸气和锌等离子体，焊接稳定性减低，焊接时易产生多种焊接缺陷，从而增加了激光焊接过程和焊接质量的控制难度。锌蒸气的抑制和等离子体的控制是实现镀锌钢板激光焊接的关键技术。国内外许多科研工作者开展了镀锌钢板激光焊接的研 究，提高激光焊接镀锌钢板焊接质量的方法可以分为：①寻求特定的工艺措施；②工艺参数优化和焊接过程仿真优化；③在线检测控制。
3.1 寻求特定的工艺措施
镀锌钢板激光焊接过程中锌蒸气对焊接质量的影响最大，因此采取相应措施减少锌蒸气的影响是提高镀锌钢激光焊接质量的首要任务。一般而言，镀锌钢板激光焊接接头的形式有以下几种：搭接、对接、角接、卷边接头等。而实际生产
中，叠层搭接接头形式应用最多，且锌蒸气对该种接头形式的焊接质量影响最为严重。文献中有关解决镀锌钢激光焊接时锌蒸气问题的各种特定工艺措施，其根本途径有两类：①激光焊接过程中不产生锌蒸气或产生极少量的锌蒸气；②使产生的锌蒸气尽可能的顺利排出到空气中。锌蒸气的排出途径又主要有经由板间间隙排出、经由焊接小孔排出、熔池冒泡排出三种方式。同时，也有文献研究了锌 蒸气排出的其他方式，如预先开排气孔、预先切割出排气缝。此外，减少等离子体对焊接过程的影响是提高镀锌钢板激光焊接中的另一个重要任务。
(1)吹送保护气体
吹送保护气体是激光焊接中最常用的工艺措施，其方式有同轴吹气和侧吹气两种，其控制参数有保护气体种类、气体流速、侧吹方向、侧吹角度、喷嘴尺寸。保护气体在激光焊接中起到的作用主要有三个方面：①对焊缝进行保护，防止焊缝氧化并加快焊缝冷却；②在一定程度上抑制等离子体对焊接过程的影响；③防止溅射物和金属蒸汽对聚焦镜片的污染。同轴吹气保护，气流与焊接时产生的金属蒸汽和等离子体形成对流，降低蒸汽和等离子体的热量，同时增加小孔内的气压，抑制孔内的金属蒸汽和等离子体向孔外喷射，有利于焊接小孔的稳定和降低孔外等离子体的屏蔽作用。而侧吹气体保护，能够吹散熔池表面的等离子体和飞溅，减少焊缝表面缺陷。研究表明，镀锌钢板激光焊接时，合适的吹气方式和吹送气体参数有利于增加熔深，减少焊缝气孔，抑制等离子体的不利影响，得到好的焊缝成形和表面质量。
(2)板间间隙法
镀锌钢板的叠层搭接激光焊，常在搭接的两层或多层板间留出一定间隙，以便中间镀层锌产生的锌蒸气顺利从间隙中排出。板间间隙法可以通过控制搭接板间的夹紧力控制板间间隙，在板间预夹薄层垫片保证夹紧后板间间隙值，或采用特殊的结构保证合适的间隙值如图2 所示。
图 2(a)节薄板间隙焊；(b)带圆弧结构间隙焊
Fig.2（a）Gap welding of burl sheet metal；（b）Gap welding of the
radius configuration 也有文献提到在板间夹层粉末状材料，完全夹紧时锌蒸气能够从粉末间的间隙排出。采用间隙法焊接时，关键就是板间间隙的控制，许多文献通过试验或理论研究了焊接时板间间隙的问题。间隙过小，锌蒸气不能完全经由间隙排出，焊接过程容易产生焊接气孔、飞溅等缺陷，焊缝强度下降。间隙过大，锌蒸气可能会阻隔焊缝熔合而产生假焊；或由于间隙太大，熔池金属材料因填充间隙而使焊缝上表面凹陷，焊缝质量下降。对搭接焊间隙的研究，板间间隙常在0.1～0.2mm，但也视实际情况不同而定，如：镀层种类及厚度、母材厚度、激光束参数、焊接速度等。有文献对镀锌钢激光搭接焊板间间隙进行了理论研究，并建立了数学模型：
g=AVtZntp-1/2(1)
其中 g 是间隙值，A 是材料系数（镀锌钢板A=16.1sm-1/2），V 是焊接速度，tZn 是镀锌层的厚度，tp 是焊接母材的厚度。虽然这种预留间隙的焊接方法在镀锌钢激光焊接时可以很好的排出锌蒸气，减少焊接气孔，能得到较好焊接质量，但此方法需要预留间隙的间隙值的精度要求较高。对于曲面型镀锌钢板焊接时，其间隙值更难以达到理论要求。
(3)添加元素法
在镀锌钢板激光焊接中添加与锌发生化学反应的异种元素是抑制锌蒸气产生另一种有效途径。文献[11]中提及在保护气体Ar 中混合加入少量O2(2–5%)，利用氧气与锌反应而减少锌蒸气对焊接过程的影响，这种方法不足是增加了焊缝的氧化。文献[5]采用三明治形式的搭接焊，预置铜粉在两层板间，利用铜与锌的冶金反应降低锌蒸气对焊接过程的影响。采用添加铜焊接镀锌钢板，通过焊接过程中的光谱分析表面，锌蒸气的产生明显减少，且焊缝抗腐蚀性和焊缝机械性能没有因铜的加入而降低。铜的添加显著增加了焊接过程的稳定性；添加铜粉的前后，焊缝中的气孔数量由10%降低至1%。
(4)开排气孔的方法
开排气孔的方法是预先在需要焊接的母材上加工出排气小孔，从而使得激光焊接镀锌钢板的过程中产生的锌蒸气能够从排气小孔中排出。文献[11]采用脉冲YAG 激光预先在搭接板的下层板上打出合适的排气小孔，再用1500W 连续CO2 激光焊接双层搭接镀锌钢板。排气小孔与实际焊缝的位置及排气小孔尺寸是获得良好焊接质量的关键。Weichiat Chen通过有限元优化分析和焊接试验发现，焊接速度为9m/min，连续CO2 激光焦点直径0.2mm，预先在下层镀锌钢板上焊缝方向离焊缝中心0.14mm 处打出直径为0.07mm 的排气小孔，焊接时能得到好的焊接质量。激光焊接镀锌钢板采用开排气孔的方法焊接，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；而当焊接速度过高时，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。开排气孔的方法与预留间隙法相比，预留间隙法不适于实际生产，其间隙值大小难以保证；开排气孔方法能够解决锌蒸气问题，且焊缝强度更高、可实践性更好，不足的是需要额外开排气孔，增加了工序。
(5)双光束激光焊接
双光束激光焊接方法是近几年出现的一种新方法。双光束焊接根据所采用的光源分为两种：同一激光源分出的两束激光；两个激光源发出的两束不同激光束（如：CO2+高功率二极管；YAG+高功率二极管）。焊接过程中一束光作为辅助加工，另一束光实现焊接功能。采用双光束激光焊接方法焊接镀锌钢板，根据辅助光束的作用机理分为四类：①延迟焊接小孔闭合；②延迟熔池凝固；③预先切割出细缝；④预先气化锌层。文献[14]先采用YAG 激光在搭接镀锌钢板上切割出一条细缝，再用CO2 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。若采用的双光束是同一光源分出的两束光，前一光束可气化镀锌层(预先气化宽度为焊接熔池的宽度，如2mm），后一光束实现焊接作用。采用双光束激光焊接镀锌钢板，关键是前后光束的相互位置与功率匹配，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。
(6)脉冲激光焊接
图 3 由焊接小孔形成的一系列焊缝重叠区.（a）平面视图；（b）侧面视图 Fig.3 A series of partially overlapping spot welds made with a keyhole mode.（a）Plan view；（b）Side view.脉冲激光与连续激光焊接的区别是焊接小孔的间断出现，焊缝熔池也随着焊接小孔的波动而波动，且相邻两个焊接小孔与熔池之间存在一定的重叠区，如图3所示。研究结果表明，脉冲激光焊接镀锌钢板的关键和难点是控制脉冲激光束参数（脉冲波形、脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复频率、脉冲占空比、平均功率密度峰值、平均功率）和焊接速度的良好匹配，得到合适的重叠率，以便将焊接过程中产生的锌蒸气经由焊接小孔和熔池排出，得到好的熔池一致性和焊接质量。文献[35]同时指出，采用CO2脉冲激光难于YAG脉冲激光实现无孔焊缝，其原因是YAG激光的脉冲峰值功率密度相比CO2激光更高。
(7)激光填丝钎焊
激光钎焊技术在汽车制造中以得到很好的应用，如车顶与侧围的连接，车厢后盖的激光钎焊。激光填丝钎焊是激光焊接与钎焊技术的组合，具有钎焊的特性，即焊接过程中钎料吸收大部分热量而熔化，母材吸收少部分热量基本不熔化。采用激光填丝钎焊焊接镀锌钢板最大的优势就是，母材吸收热量少，大大减少了镀锌层的气化，减少了锌蒸气的影响，提高了焊接质量。在激光钎焊接焊接过程中关键技术是激光能量在钎料与母材上的分配，要得到好的焊接效果，激光功率、焊接速度、焦点位置、光斑直径、填充材料、送丝速度、送丝方向都要很好的控制匹配。一般而言，激光钎焊过程中减小焊丝与母材的距离与夹角,保证钎料熔化后与母材直接接触可获得较好的焊缝成形，并且采用前方送丝较后方送丝的焊接效果好。其原因是后方送丝时，少量光照在镀锌层上产生锌蒸气出现喷射气孔；前方送丝时，少量光照在熔池中使熔池温度升高无不良影响。在相同的离焦量下，将激光束沿焊接方向倾斜一定角度入射,激光由圆形光斑变成椭圆光斑,激光照射面积增加，有利于钎料铺张，此时焊缝的外观成形优于激光束垂直入射。此外，焊接汽车车顶时，采用带角度的上下板搭接激光填丝钎焊，一定的搭接角度有利于产生的锌蒸气逃逸，提高焊接质量。如要提高激光钎焊的速度，可以对焊丝先行预热（热丝激光钎焊），增加钎焊的填充量，加快焊丝铺展，提高焊速。激光钎焊采用的填充钎料一般为铜基合金，如CuSi3(熔点950～1050℃)、CuAl8、CuSn 等，其中CuSi3 用的最多，因为这种材料有好的流动性和挺直性。
(8)其它方法
文献中除了上述激光焊接镀锌钢板时通过解决锌蒸气问题以提高焊接质量的方法，还有如采用立焊、激光束的来回摆动焊接（与双焦点焊效果相似）以及焊前预先去除焊缝处的锌层等方法。采用立焊焊接镀锌钢板的过程中，金属溶液所受重力与焊接小孔深度方向垂直有利于保持小孔打开和锌蒸气顺利排出，且立焊方式不会对熔池焊缝产生表面下凹现象。立焊方式焊接镀锌钢板与平焊方式相比，焊接过程更稳定，焊缝成形良好，减少了锌蒸气产生的气孔和飞溅。然而，由于实际生产中受到实际焊接条件的限制，立焊方式应用的灵活性受到限制。
3.2 工艺参数优化与仿真优化
对焊接过程的优化是提高焊接质量的重要方法。其中包括：焊接接头形式的优化，焊接参数的优化，焊接过程的机理分析以及焊接过程的建模与仿真分析等。工艺参数优化中最常用正交试验方法，不但能减少试验次数，还能比较各参数的波动对焊接质量的影响程度。激光焊接镀锌钢板试验中，常用来比较优选的工艺参数有：激光功率，焊接速度，焦点位置，吹气气流等。通过镀锌钢板激光焊接的机理研究，建模和仿真优化工艺参数则是分析和认识焊接机理和降低试验费用的重要途径。建模仿真时，激光束加热过程可以被简化为移动点热源和线热源，或者直接由试验拍摄得到实际的小孔热源；所建模型可以是一维、二维或三维。常用的建模与求解方法为有限差分法和有限单元法，人工神经网络方法。有学者对CO2 激光焊接镀锌钢板搭接焊进行了三维建模仿真并分析了多因素的焊接过程，考虑的因素包括：焊接过程中固体、液体、气体三种状态的特性及液体表面张力、气体压力、液体气体流速，焊接小孔模拟，锌和铁蒸气及等离子体现象及对焊接过程的影响。通过复杂的建模仿真与实际镀锌钢板激光焊接试验对比，证实所建模型与实际焊接过程很接近。利用该模型，设置相应的参数可模拟焊接过程分析温度、强度、压力和速度的影响因素，而不用做任何实际焊接试验。
3.3 镀锌钢板焊接过程的在线监控
对加工过程实现在线监控是现代制造过程中保障加工质量和降低成本的重要手段。激光焊接过程的在线检测与控制则是提高焊接质量和实现自动化的关键技术，也是焊接技术发展的必然趋势。焊接过程的在线监测技术可以分为焊前监测、焊中监测和焊后检测，其中焊前检测和焊中监测是提高焊接质量的重要途径。
(1)焊缝跟踪
焊缝跟踪作为一种重要的焊前监测技术，主要用于对接焊和其他对焊接轨迹有严格要求的焊接过程。镀锌钢板的激光对接焊时，要求板间的对接缝宽非常小（一般在0.1～0.5mm之间），且不能大于焦点光斑直径（聚焦光斑直径常小于0.5mm）。对于实际生产中的曲线轨迹焊接，由于装夹误差和焊接设备的移动轨迹误差的叠加，理论移动轨迹与实际移动轨迹会产生偏移，焊接时会出现多种焊接缺陷。此时，采用焊缝跟踪技术可提高焊接质量，并有利于实现自动化无人加工。焊缝跟踪技术的研究，包括焊缝偏差信号获取、焊缝跟踪传感器研究、控制系统和控制方法的研究以及焊缝偏差补偿方法等。
(2)在线检测控制
焊接过程中的信号，如声音、光、电、图像、热等信号常用于焊中监测。光电二极管和高速摄像机是最常用于在线信号采集的一维和二维传感器。在线检测控制可以分为三步：对反应焊接缺陷、焊缝成形质量和焊接过程稳定性等信号的采集；通过傅立叶变换、小波分析等方法作数据提取、处理和分析；基于人工神经网络、智能控制、模糊控制、专家系统等控制系统的实时控制。镀锌钢板的激光焊接过程中，锌蒸气的产生使得信号采集和焊接控制的难度增大，单独采用某一监测控制方法很难实现无缺陷焊接，而有关镀锌钢板激光焊接的在线检测控制的报道较少。结论
锌蒸气和锌等离子体是激光深熔焊接镀锌钢板的过程存在的两种特有焊接特征。镀锌钢板激光焊接的根本问题是锌蒸气对焊接过程的影响，锌蒸气的产生包括上表层锌和下表层锌的气化以及叠层搭接焊时中间层锌的气化。在镀锌钢板的叠层搭接焊中，中间镀锌层气化产生的锌蒸气的膨胀扩散途径有三种：①经由板间间隙膨胀扩散至空气中；②经由焊接小孔膨胀扩散至空气中；③锌蒸气被压入焊接熔池。减少镀层锌的蒸发和顺利排出锌蒸气是提高镀锌钢激光焊接质量的根本途径，其实现工艺措施包括了吹送保护气体、板间间隙法、添加元素法、开排气孔的方法、双光束激光焊接、脉冲激光焊接、激光填丝钎焊、立焊、激光束的来回摆动焊接以及焊前预先去除焊缝处的锌层等方法。工艺参数的正交试验优化、焊接过程的建模与仿真优化以及在线监测与控制技术则是提高镀锌钢激光焊接质量的重要方法。
目前，镀锌钢激光焊接的锌行为研究，特别是锌等离子体和小孔效应的实验研究比较缺乏；锌行为在焊接过程中的数值模拟仿真仍存在困难。此外，镀锌钢脉冲激光焊接机理、采用不同激光器(如光纤激光器、短脉冲激光器等)实现镀锌钢的激光焊接工艺以及镀锌钢与其他材料的焊接机制，还有待更深入的研究。
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