鍍鋅板激光焊接

1、1引言鍍鋅鋼的鍍鋅層不但具有物理屏蔽作用，而且對(duì)鋼基體還起到了電化學(xué)保護(hù)作用，具良好的抗腐蝕性能使得鍍鋅鋼在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，包括電力、 交通、建筑、化工、通風(fēng)供熱設(shè)施以及家具制造等行業(yè)。尤其在汽車制造中，各 種普通鍍鋅鋼，高強(qiáng)度鍍鋅鋼，超高強(qiáng)度鍍鋅鋼的應(yīng)用大幅提高了車身等部件的 抗腐蝕性能和汽車的使用壽命。然而，因鍍鋅鋼中鍍鋅層的存在，使得鍍鋅鋼的 焊接工藝性大為降低。原因是在鍍鋅鋼的焊接過(guò)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(diǎn)是420度，沸點(diǎn)是908度，基體鋼的熔點(diǎn)是1300 度，沸點(diǎn)是2861度），鍍層鋅的氣化先于基體鋼的熔化，這一現(xiàn)象對(duì)鍍鋅鋼的 焊接過(guò)程和質(zhì)量都

2、有很大影響。目前，鍍鋅鋼的主要焊接工藝有三種：電阻電焊、 電弧焊和激光焊接。對(duì)電阻點(diǎn)焊而言，由于鍍鋅層的存在，焊接時(shí)電極易于鋅層 合金化，降低了電極的壽命。而采用電弧焊焊接鍍鋅鋼時(shí)，由于鋅的低沸點(diǎn)，在 電弧剛接觸到鍍鋅層時(shí)，鋅迅速氣化，產(chǎn)生的鋅蒸氣向外噴射，很容易使焊接產(chǎn) 生熔渣粒子、氣孔、飛濺、未熔合及裂紋等焊接缺陷，電弧的穩(wěn)定性也因此受到 影響，焊接質(zhì)量下降，同時(shí)焊接過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量煙霧灰塵。另外，由于電弧 焊的焊縫寬度較大，且熱輸入量大，鍍層鋅的大量氣化降低了鍍鋅鋼焊縫處的抗 腐蝕性能。鍍鋅鋼采用激光焊接時(shí)，同樣存在鍍鋅層的氣化，以及焊接氣孔、飛 濺、未熔合等缺陷。但激光焊接與電阻點(diǎn)焊

3、和電弧焊相比， 激光焊接單位熱輸入 量少、熱變形小、焊縫深寬比大、焊接速度高、焊縫強(qiáng)度普遍高于母材、鍍層鋅 的損耗低，且激光焊接是單邊加工、復(fù)雜結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程焊接和自 動(dòng)化。例如，德國(guó)奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃、美國(guó)通用、福特、意大利 菲亞特、日本的日產(chǎn)、本田和豐田等汽車公司，都采用了 激光焊接技術(shù).建立了 激光焊接生產(chǎn)線，在有的汽車生產(chǎn)中激光搭接焊縫已達(dá)到100米長(zhǎng)。在國(guó)內(nèi)汽車廠家，只有少數(shù)幾家企業(yè)（如：上海通用，一汽奧迪，大眾等）引進(jìn)國(guó)外的設(shè) 備和技術(shù)，建立了激光焊接生產(chǎn)線。本文以鍍鋅鋼板為例，在分析鍍鋅鋼板激板焊接 特性的基礎(chǔ)上,綜述了提高 鍍鋅鋼板焊接質(zhì)量的工藝措施，焊

4、接過(guò)程的優(yōu)化仿真及焊接質(zhì)量的在線檢測(cè)與控 制。2鍍鋅鋼板激光焊接特性激光焊接過(guò)程,根據(jù)焊接機(jī)理的不同可以分為兩類： 熱傳導(dǎo)焊與深熔焊。兩 者之間的根本區(qū)別就是是否存在焊接小孔。激光焊接鍍鋅鋼板時(shí)，一般采用深熔 焊接。但由于鍍鋅鋼板中鍍層鋅的存在，激光深熔焊接鍍鋅鋼板的過(guò)程存在兩種 特有的焊接特征：鋅蒸氣和鋅等離子體。(1)鋅蒸氣當(dāng)高能量密度的激光束照射到工件表面時(shí)， 工件吸收激光能量，溫度迅速升 高，由于鋅的低沸點(diǎn)，鍍鋅鋼板的鍍層鋅極易氣化而形成鋅蒸氣。當(dāng)鋅蒸氣被壓入焊接熔池時(shí)，對(duì)熔池產(chǎn)生擾動(dòng)，熔池中的氣泡不易排出，對(duì)焊接過(guò)程的影響最 大。因?yàn)榧す夂附尤鄢氐睦鋮s速度很快， 熔池凝固時(shí)間很短，熔

5、池中的氣泡極易 使焊縫產(chǎn)生焊接缺陷，如飛濺、熔渣、氣孔、未熔合，影響焊縫成形，降低焊縫 質(zhì)量。同時(shí)，鋅的蒸發(fā)使鍍鋅層的含鋅量減少， 對(duì)鍍鋅層的防腐性也有一定的影 響；還有文獻(xiàn)中提到鋅層的蒸氣對(duì)人體有害， 影響工作環(huán)境。因此解決鋅蒸氣問(wèn) 題成為鍍鋅鋼板激光焊接的根本問(wèn)題。鍍鋅鋼板的激光焊接 過(guò)程中,鋅蒸氣的產(chǎn)生可以分為兩類：上表層鋅和下 表層鋅的氣化；疊層搭接焊時(shí)中間層鋅的氣化(如圖 1所示)。上下表層鋅 蒸發(fā)而產(chǎn)生的鋅蒸氣膨脹并向空中自由擴(kuò)散， 對(duì)焊接質(zhì)量無(wú)直接影響。鍍鋅鋼板 疊層搭接焊中，中間鍍鋅層氣化產(chǎn)生的鋅蒸氣的膨脹擴(kuò)散途徑有三種：經(jīng)由板問(wèn)間隙膨脹擴(kuò)散至空氣中；經(jīng)由焊接小孔膨脹擴(kuò)散至空氣

6、中；鋅蒸氣被壓入 焊接熔池。對(duì)于鍍鋅鋼板疊層搭接焊鋅蒸氣經(jīng)由板間間隙擴(kuò)散排出的方式，合適的板問(wèn)間隙值是控制鋅蒸氣排出的關(guān)鍵因素， 間隙值的選取見(jiàn)本文第三部分第一 節(jié)第二點(diǎn)板問(wèn)間隙法。鋅蒸氣經(jīng)由焊接小孔排出是另一種有效的途徑。但是，焊接小孔是細(xì)長(zhǎng)小孔且焊接速度較快，有時(shí)鋅蒸氣無(wú)法通過(guò)板問(wèn)間隙和焊接小孔完全 排出而被強(qiáng)大的蒸氣壓力壓入焊接熔池， 形成熔池中的氣泡。當(dāng)熔池凝固時(shí)間足 夠長(zhǎng)，氣泡會(huì)隨熔池的攪拌從內(nèi)部熔池向熔池表面移動(dòng)并最終排出到空氣中；但如果熔池凝固時(shí)間短，熔池中鋅蒸氣的氣泡在向熔池外移動(dòng)和擠壓過(guò)程中容易形 成飛濺和熔渣，或者留在熔池內(nèi)形成焊縫中的氣孔，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在板間形成大氣泡， 阻礙

7、板間的熔合。實(shí)際鍍鋅鋼板的激先焊接過(guò)程中,鋅蒸氣的迅速產(chǎn)生且蒸氣壓 力大，鋅蒸氣同時(shí)經(jīng)由上述三種擴(kuò)散途徑排出。-T(a)鍍鋅層焊健下層鋅蒸氣擴(kuò)散圖1鋅蒸氣的擴(kuò)散.(a)上下表層鋅蒸氣擴(kuò)散；(b)中間層鋅蒸氣擴(kuò)散Fig. 1 The diffusion of zinc vapor.(a) On top and bottom surface ；(b) In middle layer.(2)鋅等離子體光致等離子體是激光深熔焊接的重要特征。當(dāng)激光束照射到鍍鋅鋼板上，表 層鋅和基體鋼吸收激光并迅速氣化，形成鋅和鐵的混合金屬蒸氣。金屬蒸氣在激 光的輻照作用下電離并形成等離子體。由于鋅的氣化溫度低于鐵的氣化

8、溫度，鋅 蒸氣比鐵蒸氣更容易產(chǎn)生，鋅蒸氣氣壓比鐵蒸氣氣壓高8個(gè)數(shù)量級(jí)；同時(shí)當(dāng)?shù)入x子體溫度在10000K時(shí)，鋅等離子體的電子密度比鐵等離子體的電子密度大2個(gè)數(shù)量級(jí)(Zn： 2.2x25450px-3, Fe : 4.1x25400px-3 )。因此有文獻(xiàn)認(rèn)為,鋅的蒸氣將加劇等離子體的產(chǎn)生，是鍍鋅鋼板激光焊接時(shí)大量等離子體存在的主要原 因。然而，也有文獻(xiàn)從理論計(jì)算探討鋅蒸氣問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)：在相同的條件下，鋅比鐵的蒸氣密度約小25%而鋅的電離能（9.36eV）比鐵（7.83eV）大,所以在被激光 輻照氣化的金屬蒸氣中，鋅并不比鐵優(yōu)先電離，也就是說(shuō)鋅蒸氣并不加速等離子 體的形成。正是因?yàn)殇\蒸氣不易電離，使

9、得在焊接過(guò)程中可觀察到大量鋅蒸氣的 存在。無(wú)論鋅是否加劇了等離子體的產(chǎn)生，在鍍鋅鋼板激光焊接過(guò)程中仍然有大量 的光致等離子體存在。等離子體對(duì)激光束有嚴(yán)重的阻隔作用， 它不但對(duì)激光束有 散射作用，而且會(huì)吸收激光能量，使得照射到工件上的能量減少，影響焊接小孔 穩(wěn)定形成，從而降低了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。有關(guān)鍍鋅鋼激光焊接的鋅行為研究， 特別是鋅等離子體和小孔效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究目前比較缺乏。有文獻(xiàn)分別對(duì)焊接小孔內(nèi)和小孔外的等離子體做了研究，得出一定濃度的小孔孔內(nèi)等離子體對(duì)激光能量 的吸收是有利的，而孔外的等離子體云對(duì)焊接過(guò)程中激光能量的吸收 有屏蔽作用。3鍍鋅鋼板激光焊接質(zhì)量的提高方法激光焊接與傳統(tǒng)的焊接方式

10、相比,焊接過(guò)程更加復(fù)雜，包括材料對(duì)激光的吸 收、材料的固態(tài)加熱及相變（熔化、汽化）、小孔和等離子體的形成及其在激光 能量耦合和傳輸過(guò)程中的作用、小孔內(nèi)材料蒸汽和熔池內(nèi)液態(tài)材料的流動(dòng)、材料熱物理參數(shù)的變化、小孔的穩(wěn)定性、熔池表面的變形以及各種焊接工藝參數(shù)對(duì)焊 接質(zhì)量的影響等諸多方面。如本文第二部分所述，激光焊接鍍鋅鋼板時(shí)存在鋅蒸 氣和鋅等離子體，焊接穩(wěn)定性減低，焊接時(shí)易產(chǎn)生多種焊接缺陷，從而增加了激 光焊接過(guò)程和焊接質(zhì)量的控制難度。鋅蒸氣的抑制和等離子體的控制是實(shí)現(xiàn)鍍鋅 鋼板激光焊接的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)外許多科研工作者開(kāi)展了鍍鋅鋼板激光焊接的研 究，提高激光焊接鍍鋅鋼板焊接質(zhì)量的方法可以分為：尋求特

11、定的工藝措施； 工藝參數(shù)優(yōu)化和焊接過(guò)程仿真優(yōu)化；在線檢測(cè)控制。3.1尋求特定的工藝措施鍍鋅鋼板激光焊接 過(guò)程中鋅蒸氣對(duì)焊接質(zhì)量的影響最大，因此采取相應(yīng)措施 減少鋅蒸氣的影響是提高鍍鋅鋼激光焊接質(zhì)量的首要任務(wù)。一般而言，鍍鋅鋼板 激光焊接接頭的形式有以下幾種：搭接、對(duì)接、角接、卷邊接頭等。而實(shí)際生產(chǎn)中，疊層搭接接頭形式應(yīng)用最多，且鋅蒸氣對(duì)該種接頭形式的焊接質(zhì)量影響最為 嚴(yán)重。文獻(xiàn)中有關(guān)解決鍍鋅鋼激光焊接時(shí)鋅蒸氣問(wèn)題的各種特定工藝措施，其根本途徑有兩類：激光焊接過(guò)程中不產(chǎn)生鋅蒸氣或產(chǎn)生極少量的鋅蒸氣；使產(chǎn)生的鋅蒸氣盡可能的順利排出到空氣中。 鋅蒸氣的排出途徑又主要有經(jīng)由板問(wèn)問(wèn) 隙排出、經(jīng)由焊接小孔

12、排出、熔池冒泡排出三種方式。同時(shí)，也有文獻(xiàn)研究了鋅 蒸氣排出的其他方式，如預(yù)先開(kāi)排氣孔、預(yù)先切割出排氣縫。止匕外，減少等離子 體對(duì)焊接過(guò)程的影響是提高鍍鋅鋼板激光焊接中的另一個(gè)重要任務(wù)。(1)吹送保護(hù)氣體吹送保護(hù)氣體是激光焊接中最常用的工藝措施， 其方式有同軸吹氣和側(cè)吹氣 兩種，其控制參數(shù)有保護(hù)氣體種類、氣體流速、側(cè)吹方向、側(cè)吹角度、噴嘴尺寸。 保護(hù)氣體在激光焊接中起到的作用主要有三個(gè)方面：對(duì)焊縫進(jìn)行保護(hù)，防止焊縫氧化并加快焊縫冷卻；在一定程度上抑制等離子體對(duì)焊接過(guò)程的影響；防止濺射物和金屬蒸汽對(duì)聚焦鏡片的污染。 同軸吹氣保護(hù)，氣流與焊接時(shí)產(chǎn)生的金 屬蒸汽和等離子體形成對(duì)流，降低蒸汽和等離子體

13、的熱量，同時(shí)增加小孔內(nèi)的氣 壓，抑制孔內(nèi)的金屬蒸汽和等離子體向孔外噴射， 有利于焊接小孔的穩(wěn)定和降低 孔外等離子體的屏蔽作用。而側(cè)吹氣體保護(hù)，能夠吹散熔池表面的等離子體和飛 濺，減少焊縫表面缺陷。研究表明，鍍鋅鋼板激光焊接時(shí)，合適的吹氣方式和吹 送氣體參數(shù)有利于增加熔深，減少焊縫氣孔，抑制等離子體的不利影響，得到好 的焊縫成形和表面質(zhì)量。(2)板問(wèn)間隙法鍍鋅鋼板的疊層搭接激光焊，常在搭接的兩層或多層板間留出一定間隙， 以 便中間鍍層鋅產(chǎn)生的鋅蒸氣順利從間隙中排出。 板問(wèn)間隙法可以通過(guò)控制搭接板 間的夾緊力控制板問(wèn)間隙，在板間預(yù)夾薄層墊片保證夾緊后板問(wèn)間隙值，或采用 特殊的結(jié)構(gòu)保證合適的間隙值如

14、圖 2所示。fg aZinc vapour11-»m .工 iifx mm0 r£ rU M i* »圖2 (a)節(jié)薄板間隙焊；(b)帶圓弧結(jié)構(gòu)間隙焊Fig. 2 (a) Gap welding of burl sheet metal； (b) Gap welding of the radius configuration也有文獻(xiàn)提到在板間夾層粉末狀材料，完全夾緊時(shí)鋅蒸氣能夠從粉末間的問(wèn) 隙排出。采用間隙法焊接時(shí)，關(guān)鍵就是板間間隙的控制，許多文獻(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)或理 論研究了焊接時(shí)板問(wèn)間隙的問(wèn)題。間隙過(guò)小，鋅蒸氣不能完全經(jīng)由間隙排出，焊接過(guò)程容易產(chǎn)生焊接氣孔、飛濺等缺陷，

15、焊縫強(qiáng)度下降。間隙過(guò)大，鋅蒸氣可能 會(huì)阻隔焊縫熔合而產(chǎn)生假焊；或由于間隙太大，熔池金屬材料因填充間隙而使焊 縫上表面凹陷，焊縫質(zhì)量下降。對(duì)搭接焊間隙的研究，板問(wèn)間隙常在0.10.2mm 但也視實(shí)際情況不同而定，如：鍍層種類及厚度、母材厚度、激光束參數(shù)、焊接 速度等。有文獻(xiàn)對(duì)鍍鋅鋼激光搭接焊板問(wèn)間隙進(jìn)行了理論研究，并建立了數(shù)學(xué)模型：g=AVtZntp-1/2(1)其中g(shù)是間隙值，A是材料系數(shù)(鍍鋅鋼板 A=16.1sm-1/2) , V是焊接速 度，tZn是鍍鋅層的厚度，tp是焊接母材的厚度。雖然這種預(yù)留間隙的焊接方 法在鍍鋅鋼激光焊接時(shí)可以很好的排出鋅蒸氣，減少焊接氣孔，能得到較好焊接質(zhì)量，但

16、此方法需要預(yù)留間隙的間隙值的精度要求較高。對(duì)于曲面型鍍鋅鋼板焊接時(shí)，其間隙值更難以達(dá)到理論要求。(3)添加元素法在鍍鋅鋼板激光焊接中添加與鋅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的異種元素是抑制鋅蒸氣產(chǎn) 生另一種有效途徑。文獻(xiàn)11中提及在保護(hù)氣體Ar中混合加入少量02(2-5%), 利用氧氣與鋅反應(yīng)而減少鋅蒸氣對(duì)焊接過(guò)程的影響，這種方法不足是增加了焊縫的氧化。文獻(xiàn)5采用三明治形式的搭接焊，預(yù)置銅粉在兩層板間，利用銅與鋅 的冶金反應(yīng)降低鋅蒸氣對(duì)焊接過(guò)程的影響。采用添加銅焊接鍍鋅鋼板，通過(guò)焊接 過(guò)程中的光譜分析表面，鋅蒸氣的產(chǎn)生明顯減少，且焊縫抗腐蝕性和焊縫機(jī)械性 能沒(méi)有因銅的加入而降低。銅的添加顯著增加了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性

17、；添加銅粉的 前后，焊縫中的氣孔數(shù)量由10%御氐至1%(4)開(kāi)排氣孔的方法開(kāi)排氣孔的方法是預(yù)先在需要焊接的母材上加工出排氣小孔，從而使得激光焊接鍍鋅鋼板的過(guò)程中產(chǎn)生的鋅蒸氣能夠從排氣小孔中排出。文獻(xiàn)11采用脈沖YAG激光預(yù)先在搭接板的下層板上才T出合適的排氣小孔，再用1500W連續(xù)CO2激光焊接雙層搭接鍍鋅鋼板。排氣小孔與實(shí)際焊縫的位置及排氣小孔尺寸是獲得 良好焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。Weichiat Chen通過(guò)有限元優(yōu)化分析和焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊 接速度為9m/min,連續(xù)CO2激光焦點(diǎn)直徑0.2mm預(yù)先在下層鍍鋅鋼板上焊縫 方向離焊縫中心0.14mm處打出直徑為0.07mm的排氣小孔，焊接時(shí)能得到好

18、的 焊接質(zhì)量。激光焊接鍍鋅鋼板采用開(kāi)排氣孔的方法焊接，能減少鋅蒸氣的影響， 減少焊接氣孔，得到的焊縫因熔融金屬填滿了所開(kāi)的排氣小孔形成類似于怫接的 結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)了抗拉強(qiáng)度；而當(dāng)焊接速度過(guò)高時(shí)，因排氣小孔無(wú)法被熔融金屬填滿 得到的焊縫抗拉強(qiáng)度反而下降。開(kāi)排氣孔的方法與預(yù)留間隙法相比， 預(yù)留間隙法 不適于實(shí)際生產(chǎn)，具間隙值大小難以保證；開(kāi)排氣孔方法能夠解決鋅蒸氣問(wèn)題， 且焊縫強(qiáng)度更高、可實(shí)踐性更好，不足的是需要額外開(kāi)排氣孔，增加了工序。(5)雙光束激光焊接雙光束激光焊接方法是近幾年出現(xiàn)的一種新方法。雙光束焊接根據(jù)所采用的 光源分為兩種：同一激光源分出的兩束激光；兩個(gè)激光源發(fā)出的兩束不同激光束 （如：

19、CO2高功率二極管；YAG高功率二極管）。焊接過(guò)程中一束光作為輔助加 工，另一束光實(shí)現(xiàn)焊接功能。采用雙光束激光焊接方法焊接鍍鋅鋼板，根據(jù)輔助 光束的作用機(jī)理分為四類：延遲焊接小孔閉合；延遲熔池凝固；預(yù)先切割 出細(xì)縫；預(yù)先氣化鋅層。文獻(xiàn)14先采用YAG激光在搭接鍍鋅鋼板上切割出 一條細(xì)縫，再用CO2激光實(shí)現(xiàn)焊接。細(xì)縫的作用：一是預(yù)先去除部分鋅層；二 是便于焊接過(guò)程中鋅蒸氣從細(xì)縫中排出。切割細(xì)縫與焊接過(guò)程同時(shí)進(jìn)行有利于保 證焊接光束與切縫的位置關(guān)系。若采用的雙光束是同一光源分出的兩束光， 前一 光束可氣化鍍鋅層（預(yù)先氣化寬度為焊接熔池的寬度，如 2mm ,后一光束實(shí)現(xiàn) 焊接作用。采用雙光束激光焊接

20、鍍鋅鋼板，關(guān)鍵是前后光束的相互位置與功率匹 配,在合適的參數(shù)匹配下雙光束焊接能夠解決鋅蒸氣問(wèn)題，得到較好的焊縫質(zhì)量。然而，要得到兩束激光必需增加額外的焊接裝備，也就增加了加工成本。（6）脈沖激光焊接GO圖3由焊接小孔形成的一系列焊縫重疊區(qū).（a）平面視圖；（b）側(cè)面視圖Fig. 3 A series of partially overlapping spot welds madewith a keyholemode. (a) Plan view ； (b) Side view.脈沖激光與連續(xù)激光焊接的區(qū)別是焊接小孔的間斷出現(xiàn), 焊縫熔池也隨著焊 接小孔的波動(dòng)而波動(dòng)，且相鄰兩個(gè)焊接小孔與熔池之間

21、存在一定的重疊區(qū)，如圖3所示。研究結(jié)果表明，脈沖激光焊接鍍鋅鋼板的關(guān)鍵和難點(diǎn)是控制脈沖激光束 參數(shù)（脈沖波形、脈沖能量、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、脈沖占空比、平均功率 密度峰值、平均功率）和焊接速度的良好匹配，得到合適的重疊率，以便將焊接 過(guò)程中產(chǎn)生的鋅蒸氣經(jīng)由焊接小孔和熔池排出， 得到好的熔池一致性和焊接質(zhì)量。 文獻(xiàn)35同時(shí)指出，采用CO2永沖激光難于YAG永沖激光實(shí)現(xiàn)無(wú)孔焊縫，其原因 是YAG敷光的脈沖峰值功率密度相比 CO2敖光更高。（7）激光填絲釬焊激光釬焊技術(shù)在汽車制造中以得到很好的應(yīng)用， 如車頂與側(cè)圍的連接，車廂 后蓋的激光釬焊。激光填絲釬焊是激光焊接與釬焊技術(shù)的組合， 具有釬焊的特

22、性， 即焊接過(guò)程中釬料吸收大部分熱量而熔化，母材吸收少部分熱量基本不熔化。采 用激光填絲釬焊焊接鍍鋅鋼板最大的優(yōu)勢(shì)就是，母材吸收熱量少，大大減少了鍍鋅層的氣化，減少了鋅蒸氣的影響，提高了焊接質(zhì)量。在激光釬焊接焊接過(guò)程中 關(guān)鍵技術(shù)是激光能量在釬料與母材上的分配，要得到好的焊接效果，激光功率、 焊接速度、焦點(diǎn)位置、光斑直徑、填充材料、送絲速度、送絲方向都要很好的控 制匹配。一般而言，激光釬焊過(guò)程中減小焊絲與母材的距離與夾角，保證釬料熔化后與母材直接接觸可獲得較好的焊縫成形，并且采用前方送絲較后方送絲的焊 接效果好。其原因是后方送絲時(shí)，少量光照在鍍鋅層上產(chǎn)生鋅蒸氣出現(xiàn)噴射氣孔； 前方送絲時(shí)，少量光照

23、在熔池中使熔池溫度升高無(wú)不良影響。 在相同的離焦量下， 將激光束沿焊接方向傾斜一定角度入射，激光由圓形光斑變成橢圓光斑，激光照 射面積增加，有利于釬料鋪張，此時(shí)焊縫的外觀成形優(yōu)于激光束垂直入射。止匕外， 焊接汽車車頂時(shí)，采用帶角度的上下板搭接激光填絲釬焊， 一定的搭接角度有利 于產(chǎn)生的鋅蒸氣逃逸，提高焊接質(zhì)量。如要提高激光釬焊的速度，可以對(duì)焊絲先 行預(yù)熱（熱絲激光釬焊），增加釬焊的填充量，加快焊絲鋪展，提高焊速。激光 釬焊采用的填充釬料一般為銅基合金，如CuSi3（熔點(diǎn)9501050C ）、CuAl8、CuSn 等，其中CuSi3用的最多，因?yàn)檫@種材料有好的流動(dòng)性和挺直性。（8）其它方法文獻(xiàn)中

24、除了上述激光焊接鍍鋅鋼板時(shí)通過(guò)解決鋅蒸氣問(wèn)題以提高焊接質(zhì)量 的方法，還有如采用立焊、激光束的來(lái)回?cái)[動(dòng)焊接(與雙焦點(diǎn)焊效果相似)以及 焊前預(yù)先去除焊縫處的鋅層等方法。采用立焊焊接鍍鋅鋼板的過(guò)程中，金屬溶液 所受重力與焊接小孔深度方向垂直有利于保持小孔打開(kāi)和鋅蒸氣順利排出，且立焊方式不會(huì)對(duì)熔池焊縫產(chǎn)生表面下凹現(xiàn)象。立焊方式焊接鍍鋅鋼板與平焊方式相 比，焊接過(guò)程更穩(wěn)定，焊縫成形良好，減少了鋅蒸氣產(chǎn)生的氣孔和飛濺。然而， 由于實(shí)際生產(chǎn)中受到實(shí)際焊接條件的限制，立焊方式應(yīng)用的靈活性受到限制。3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化與仿真優(yōu)化對(duì)焊接過(guò)程的優(yōu)化是提高焊接質(zhì)量的重要方法。 其中包括：焊接接頭形式的 優(yōu)化，焊接參數(shù)

25、的優(yōu)化，焊接過(guò)程的機(jī)理分析以及焊接過(guò)程的建模與仿真分析等。 工藝參數(shù)優(yōu)化中最常用正交試驗(yàn)方法， 不但能減少試驗(yàn)次數(shù)，還能比較各參數(shù)的 波動(dòng)對(duì)焊接質(zhì)量的影響程度。激光焊接鍍鋅鋼板試驗(yàn)中，常用來(lái)比較優(yōu)選的工藝 參數(shù)有：激光功率，焊接速度，焦點(diǎn)位置，吹氣氣流等。通過(guò)鍍鋅鋼板激光焊接 的機(jī)理研究，建模和仿真優(yōu)化工藝參數(shù)則是分析和認(rèn)識(shí)焊接機(jī)理和降低試驗(yàn)費(fèi)用 的重要途徑。建模仿真時(shí)，激光束加熱過(guò)程可以被簡(jiǎn)化為移動(dòng)點(diǎn)熱源和線熱源， 或者直接由試驗(yàn)拍攝得到實(shí)際的小孔熱源；所建模型可以是一維、二維或三維。常用的建模與求解方法為有限差分法和有限單元法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。有學(xué)者對(duì)CO2激光焊接鍍鋅鋼板搭接焊進(jìn)行了三

26、維建模仿真并分析了多因素的焊接過(guò) 程，考慮的因素包括：焊接過(guò)程中固體、液體、氣體三種狀態(tài)的特性及液體表面 張力、氣體壓力、液體氣體流速，焊接小孔模擬，鋅和鐵蒸氣及等離子體現(xiàn)象及 對(duì)焊接過(guò)程的影響。通過(guò)復(fù)雜的建模仿真與實(shí)際鍍鋅鋼板激光焊接試驗(yàn)對(duì)比，證實(shí)所建模型與實(shí)際焊接過(guò)程很接近。利用該模型，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)可模擬焊接過(guò) 程分析溫度、強(qiáng)度、壓力和速度的影響因素，而不用做任何實(shí)際焊接試驗(yàn)。3.3 鍍鋅鋼板焊接過(guò)程的在線監(jiān)捽對(duì)加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控是現(xiàn)代制造過(guò)程中保障加工質(zhì)量和降低成本的重 要手段。激光焊接過(guò)程的在線檢測(cè)與控制則是提高焊接質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵 技術(shù)，也是焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。焊接過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以分為焊前監(jiān) 測(cè)、焊中監(jiān)測(cè)和焊后檢測(cè)，其中焊前檢測(cè)和焊中監(jiān)測(cè)是提高焊接質(zhì)量的重要途徑。(1)焊縫跟蹤焊縫跟蹤作為一種重要的焊前監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要用于對(duì)接焊和其他對(duì)焊接軌跡 有嚴(yán)格要求的焊接過(guò)程。鍍鋅鋼板的激光對(duì)接焊時(shí)，要求板間的對(duì)接縫寬非常小 （一般在0.10.5mm之間），且不能大于焦點(diǎn)光斑直徑（聚焦光斑直徑常小于 0.5mm o對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中的曲線軌跡焊接，由于裝夾誤差和焊接設(shè)備的移動(dòng)軌 跡誤差的疊加，理論移