镀锌板填丝激光钎焊工艺的初探
摘要：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。
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。
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。
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