镀锌钢光纤激光搭接焊添加铜粉的试验研究张屹

2014-11-20 13:31王刚刘西霞杨雄

湖南大学学报·自然科学版 2014年10期

王刚+刘西霞+杨雄

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51175162）；湖南省自然科学基金重点资助项目（12JJ2032）

作者简介：张屹（1976-），男，湖南长沙人，湖南大学教授，博士

通讯联系人，Email：zy@hnu.edu.cn

摘要：采用4 kW 光纤激光器对2片1.2 mm厚H220YD镀锌钢板间添加不同质量分数铜粉进行了激光搭接焊.对工艺参数优化后所得到的焊接接头进行了焊缝表面成形、力学性能、断口形貌、成分分布和主要物相等分析.结果表明：添加铜粉质量分数为2.82%时，焊接接头的平均抗拉强度和延伸率分别为382.5 MPa和32.5%；添加铜粉质量分数不大于3.46%时，拉伸断裂于母材，属于韧性断裂，而添加铜粉质量分数大于3.46%时，拉伸断裂于焊缝区，属于韧性断裂为主脆性断裂为辅的混合断裂；夹层铜粉的加入，改变了镀锌钢界面的元素分布及物相组成，焊接接头焊缝区域C，Al，Mn，Fe，Zn，Cu元素的混合区宽度较大；当添加铜粉质量分数为2.82%时，Cu元素变化比较稳定，因铜能固溶于锌中形成锌铜固溶体，起到很好的固溶强化作用，故增强了焊缝的强度；当添加铜粉质量分数为8.06%时，Cu元素会向热影响区扩散，易形成Cu5Zn8脆性金属间化合物，使得拉伸易断裂于焊缝区.

关键词：车身用镀锌钢；激光焊接；材料添加；力学性能

中图分类号：TG456. 7

激光焊接技术在汽车白车身焊接中的应用，使得车身的强度和刚度大大提高，同时增强了车身的安全性而且有利于车身的轻量化.镀锌钢由于具有良好的抗腐蚀性能，使得其在汽车上得到广泛的应用，它能大幅提高汽车使用寿命、降低故障率.但是，锌的熔点及气化温度较低，分别为420 ℃和908 ℃，高强度的激光热源接触镀锌板，在钢熔化之前，镀层锌的温度已达到了沸点发生汽化＼[1-4＼]，不利于焊接.锌的挥发会导致诸多焊接缺陷，如气孔、未熔合及裂纹等，并且大量锌的挥发以及产生的气孔会降低母材的防腐蚀能力和焊缝的机械强度，从而对镀锌钢板的激光焊接在汽车等工业领域的应用产生了诸多限制＼[5-8＼].

如何对由锌蒸气蒸发所带来的焊接质量问题加以控制成为镀锌板焊接中的重要环节＼[8＼].文献＼[9＼]指出，通过在保护气体Ar中加入少量O2（2%～5%），使得氧气与锌发生一定反应进而减少锌蒸气的挥发，但同时加入的O2又容易导致焊缝氧化.Li等＼[10＼]通过在被焊镀锌板之间加入一定厚度的铝箔以达到控制锌蒸气的目的，获得成形及性能合格的接头，并指出，在焊接热作用下，液态的锌和铝化学反应后生成了一种更高沸点的液态ZnAl合金，大大降低了锌蒸气压强，避免对熔池造成扰动.另外，Zhou等＼[11＼]研究了双激光束以及在搭接截面添加铝箔的方法对锌蒸气的抑制，认为，在双激光束作用下，Al可以固溶Zn，生成AlZn二元合金，提高了熔点温度，同样起到了控制锌蒸气的作用，进而提高了镀锌钢激光搭接焊接的稳定性.Dasgupta等＼[12-13＼]研究了板间预置Cu粉的三明治结构叠层搭接激光焊，指出Zn可与加入的Cu粉发生冶金反应，将一部分锌在焊缝中固溶，从而减少了锌蒸气的蒸发，通过对焊接过程中产生的光谱进行分析，发现锌蒸气的蒸发明显减少，从而抑制焊接过程中的气孔和飞溅，同时焊缝的机械性能及抗腐蚀性并没有因为Cu粉的加入而降低.由此，通过加入一种或几种与锌发生化学反应的异种元素，成为镀锌板焊接中抑制锌蒸气产生的一种新方法.添加一种可与锌发生化学反应的元素粉末，不仅可将锌固化，防止镀锌钢的锌元素逸出，而且可改善焊接表面成形质量，适当的元素与锌反应后，形成的金属间化合物还可改善熔敷金属的冶金行为.

本文通过添加不同质量分数的铜粉，采用光纤激光器进行搭接焊研究，针对焊缝成形形貌和性能进行对比分析，通过添加不同质量分数的铜粉对焊接接头的力学性能进行了相关研究.

1 试验装置与方法

试验用光纤激光器最大输出功率为4 000 W，连续输出，波长为1 070 nm，模式为TEM00.试验采用PRICIETER焊接头，聚焦镜焦距为200 mm，采用300 μm的光纤芯径，聚焦光斑直径为0.4 mm.试验材料为100 mm×30 mm×1.2 mm的H220YD+ZF镀锌钢板材，试验前试样表面用丙酮和酒精清洗，除去材料表面氧化膜，材料化学成分及力学性能见表1.

将H220YD+ZF镀锌钢板两两组合后，用夹具夹紧进行激光搭接焊试验，搭接部位预留一定间隙，放置一定量的铜粉，添加铜粉时，用丙酮调和并均匀地涂敷到经表面清理后的镀锌钢板上，待其干燥后，与另一镀锌钢板组合成搭接接头，接头形式示意图如图1所示.焊接过程中，激光光束与镀锌钢板上表面垂直，在适宜的焊接工艺参数下，激光光束在搭接部位移动形成连续的焊缝.整个过程，采用氩气作为保护气体经拉伐尔喷嘴对焊接熔池区进行保护.试验经大量研究得出最优工艺参数，通过添加不同质量分数的铜粉，进行激光搭接焊接试验.图2为激光焊接试验现场图.

焊后，利用体视显微镜观察焊缝表面形貌，分析焊缝的成形性及表面质量；利用微机控制电子万能试验机分析焊接试件的抗拉强度与伸长率；采用SEM分析焊接试件的断口形貌，分析试件的断裂机制；采用FEI Quanta200电子扫描电镜自带能谱

EDS检测、分析焊缝元素混合区的宽度；采用西门子D500X射线能谱仪分析焊缝区的主要物相.

2 试验结果与分析

2.1 焊缝的表面成形性

焊缝表面成形性作为焊接性能的一个重要衡量指标对激光焊接工艺的改善以及焊接质量的提高有重要指导作用.对焊缝表面形貌的考察与评价主要从以下几方面进行：焊缝的平整性、连续性、气孔、飞溅、表面氧化等.焊接工艺参数为：激光功率P=1 800 W，焊接速度v=15 mm/s，离焦量Δ=5 mm，侧吹保护气体流量q=20 L/min，采用光纤激光对2块H220YD+ZF钢搭接接头进行焊接，表2所示为在此工艺参数下，不同质量分数铜粉的焊缝表面成形状况.

从表2可以看出，当镀锌钢激光焊接时，不添加铜粉的情况下，焊缝正面熔宽较平稳连续，呈现细密均匀的鱼鳞状波纹，但是从焊缝背面看，却出现气孔等明显缺陷；当添加铜粉质量分数不大于2.82%时，焊缝形貌均平稳连续，呈均匀细密的鱼鳞状波纹，未出现明显的气孔、裂纹等缺陷，接头变形小；当添加铜粉质量分数大于3.46%，甚至达到8.06%时，焊缝正面形貌不连续均匀，呈现焊缝熔宽不一致现象，伴有飞溅、裂纹、凹陷等缺陷.产生这种现象的原因是：当不添加任何粉末时，激光焊接镀锌钢处于零间隙，焊接过程中的锌蒸气无法从板间逃逸，造成熔池产生气孔；当添加2.82%质量分数的铜粉时，铜对锌有固溶作用，减少了锌的影响；当铜粉质量分数过大时，搭接间隙增加，熔融金属沿着小孔周边由前沿向后沿流动，使得焊接熔池出现剧烈的对流扰动，填充间隙，上表面凹陷，同时，铜粉过多，焊缝更易产生脆性金属间化合物.

2.2 焊接接头的力学性能

本文对试样接头分别进行拉伸试验来评定其抗拉强度.首先按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1-2010）焊接接头拉伸试验方法，用电火花数控线切割机将试件制备成标准检验试样，如图3所示，焊缝位于中心位置.在微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验，加载速率为1.0 mm/min，由计算机输出机械性能数据.

根据搭接接头承载拉伸力的形式，在焊接工艺参数为：激光功率P=1 800 W，焊接速度v=15 mm/s，离焦量Δ=5 mm，侧吹保护气体流量q=20 L/min时，针对添加不同质量分数的铜粉的镀锌钢采用光纤搭接焊，所得焊接试件进行了拉伸试验.结果表明：焊缝抗拉强度均大于190.94 MPa；未添加铜粉、添加铜粉质量分数分别为0.37%，2.82%，3.46%时，断口均出现在母材上；添加铜粉质量分数分别为6.11%和8.06%时，镀锌钢板断裂于焊缝处.图4所示为添加不同质量分数铜粉与焊接接头力学性能的关系曲线.

由图4可知，当添加铜粉质量分数为2.82%时，焊接接头的力学性能处于最佳，即抗拉强度和断后延伸率最大（382.5 MPa和32.5%），均大于未添加铜粉情况下的焊接接头的力学性能.当铜粉质量分数分别为6.11%和8.06%时，焊接接头力学性能低于未添加铜粉情况下的焊接接头的力学性能.为了进一步观测断口断裂机制，采用电子扫描电镜分析焊接试件的断口形貌，图5所示为拉伸试件断口形貌图.

根据图5试件断口扫描图，进一步分析断裂机制.从图5（a）（b）（c）（d）中可看出：通过扫描电镜观察，焊件的断口形貌呈韧窝花状，由一些大小不等、深浅不一的圆形或椭圆形凹坑组成，它是由正应力作用下塑形变形、以微孔聚集并长大的机理发生断裂，由此可确定焊接试件的断裂属于韧性断裂.由图5（e）（f）可知，韧窝较浅且又具有脆性断裂的痕迹，并有明显剥离，可以判断接头的断裂属于以韧性断裂为主脆性断裂为辅的混合断裂.这是因为添加铜粉质量分数太高，在焊接过程中生成CuZn脆性金属间化合物，说明铜质量分数超过一定值后会使得试件脆性增加.

2.3 焊接接头的能谱分析

能谱分析的主要目的是做元素的定性分析，了解主要元素C，Al，Mn，Fe，Cu和Zn在焊缝区的变化趋势.本文主要采取线分析对焊缝区进行能谱分析.

图6，图7和图8分别为未添加铜粉、添加铜粉质量分数为2.82%和8.06%的能谱扫描位置和谱线图.从图中可看出，Al元素变化比较均匀，烧损现象不是很明显；Fe，C元素在焊缝区变化不是很稳定；铜粉质量分数不同时，Cu，Zn元素在焊缝区的变化也有差异，并且添加铜粉质量分数为2.82%时，Cu元素变化比较均匀，烧损现象不是很明显，而铜粉质量分数为8.06%时，焊缝区Cu元素因向热影响区扩散迁移或烧损而变化不稳定.从金属学的角度分析，最理想的组织状态是溶质元素均匀分布于固溶体中，其力学性能也一定是优异的.由于焊接成形过程的特殊性和铜粉质量分数的差异，中心温度高，金属层快速融合、凝固，导致原子扩散驱动力很大，使得不同区域的各元素相互扩散，如Cu元素.而当铜粉的添加量为2.82%时，其在焊缝区的分布比较均匀，由于铜能固溶于锌中形成锌铜固溶体，因而可起到很好的固溶强化作用，提高了焊缝的强度；添加铜粉质量分数为8.06%时，熔池区温度大于热影响区，Fe元素活性增加，扩散速度快，可能促使FeAl脆性金属间化合物的形成，同时，随着熔池温度向热影响区的传递，Cu元素与Zn元素极易形成Cu5Zn8脆性金属间化合物，这样很容易使得拉伸断裂于焊缝区.

2.4 焊接接头的XRD分析

图9（a）（b）（c）分别为未添加铜粉末、添加铜粉质量分数为2.82%和8.06%的焊接接头X射线衍射图.由图9（a）可看出，当未添加粉末时，X射线衍射谱只出现与铁素体组织相对应的衍射峰.由图9（b）可看出，当添加铜粉质量分数为2.82%时，焊接接头的X射线分析表明，除得到Fe元素外，还有少量铜锌固溶体，证实了EDS分析得到的Cu元素在焊缝区的分布比较均匀并固溶于锌中形成锌铜固溶体，起到很好的固溶强化作用，使焊缝区强度得到增强.由图9（c）可看出，当添加铜粉质量分数为8.06%时，焊接接头的X射线分析表明，除得到Fe元素外，还有部分铜锌固溶体和脆性化合物Cu5Zn8，验证了EDS分析出现的可能结果，进一步说明当添加铜粉质量分数为8.06%时，焊接接头容易断裂于焊缝区.

3 结论

1）镀锌钢激光焊接时，当添加铜粉质量分数不大于2.82%时，焊缝形貌均平稳连续，呈均匀细密的鱼鳞状波纹，未出现明显的气孔、裂纹等缺陷，接头变形小；而未添加铜粉和添加铜粉质量分数大于3.46%甚至添加铜粉质量分数至8.06%时，焊缝表面形貌不连续均匀，伴有气孔、飞溅、裂纹等缺陷.

2）镀锌钢激光搭接焊添加铜粉质量分数为2.82%时，焊接接头的平均抗拉强度和延伸率分别为382.5 MPa和32.5%，相对其他情况，抗拉强度和延伸率均有所提高；添加铜粉质量分数不大于3.46%时，拉伸断裂于母材，属于韧性断裂，而添加铜粉质量分数大于3.46%时，拉伸断裂于焊缝区，属于韧性断裂为主脆性断裂为辅的混合断裂.

3）夹层铜粉的加入，改变了镀锌钢界面的元素分布及物相组成，焊接接头焊缝区域C，Al，Mn，Fe， Zn和Cu元素的混合区宽度较大，铜粉质量分数不同，造成焊缝区Cu，Fe，Zn波动较大.当添加铜粉质量分数为2.82%时，其在焊缝区的分布比较均匀，由于铜能固溶于锌中形成锌铜固溶体，因而可起到很好的固溶强化作用，增强了焊缝的强度；当添加铜粉质量分数为8.06%时，Cu元素会向热影响区扩散，易形成Cu5Zn8脆性金属间化合物，使得拉伸易断裂于焊缝区.

参考文献

[1] 伍强，陈根余，王贵，等.高强度镀锌钢的CO2激光焊接＼[J＼]. 中国激光， 2006， 33（8）： 1133-1138.

WU Qiang， CHEN Genyu， WANG Gui， et al. CO2 laser welding of zinc coated high strength steel＼[J＼]. Chinese Journal of Lasers，2006，33（8）： 1133-1138.（In Chinese）

[2] CHEN W， ACKERSON P， MOLIAN P. CO2 laser welding of galvanized steel sheets using vent holes＼[J＼]. Materials & Design， 2009， 30（2）： 245-251.

[3] 伍强，陈根余，徐兰英，等. CO2激光焊接车身拼焊板＼[J＼]. 中国激光， 2007， 34（12）： 1726-1731.

WU Qiang， CHEN Genyu， XU Lanying， et al. CO2 laser welding of vehicle body＼[J＼]. Chinese Journal of Lasers， 2007， 34（12）： 1726-1731. （In Chinese）

[4] SALMAN I， GUALIMI M， REHMAN A U. Dual beam method for laser welding of galvanized steel： experimentation and prospects＼[J＼]. Optics & Laser Technology， 2010， 42（1）： 93-98.

[5] MA J J， KONG F R， CARLSON B， et al. Twopass laser welding of galvanized highstrength dualphase steel for a zerogap lap joint configuration＼[J＼]. Journal of Materials Processing Technology， 2013， 213（3）： 495-507.

[6] YANG S，CARLSON B，KOVACEVIC R. Laser welding of highstrength galvanized steels in a gapfree lap joint configuration under different shielding conditions ＼[J＼]. Welding Journal， 2011， 90（1）： 8s-18s.

[7] 张屹，杨雄，唐军君，等. 镀锌钢激光焊接锌烧损研究＼[J＼]. 湖南大学学报：自然科学版，2013，40（9）：37-41.

ZHANG Yi， YANG Xiong， TANG Junjun， et al. Study of the zinc burnout in laser welding of galvanized steel＼[J＼]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2013，40（9）： 37-41. （In Chinese）

[8] 张屹，李时春，金湘中，等.镀锌钢板激光焊接关键技术研究＼[J＼].激光与光电子学进展， 2010，47（7）： 33-41.

ZHANG Yi， LI Shichun， JIN Xiangzhong， et al. Key technology of laser welding of galvanized steel＼[J＼]. Laser & Optoelectronics Progress， 2010，47（7）：33-41.（In Chinese）

[9] KIM J D， NA I， PARK C C. CO2 laser welding of zinccoated steel sheets＼[J＼]. KSME International Journal， 1998，12（4）： 606-614.

[10] LI X， LAWSON S， ZHOU Y. Novel technique for laser lap welding of zinc coated sheet steels＼[J＼]. Journal of Laser Applications， 2007， 19（4）： 259-264.

[11] ZHOU Shiquan， PENG Zhenguo. Mechanism of Zn vapour suppressed by Al in laser lapwelding of high strength zinc coated sheet steel＼[J＼]. Applied Mechanics and Materials，2010，37/38： 634-642.

[12] DASGUPTA A K， MAZUMDER J. Laser welding of zinc coated steel： an alternative to resistance spot welding ＼[J＼]. Science and Technology of Welding & Joining， 2008， 13（3）： 289-293.

[13] DASGUPTA A K， MAZUMDER J， LI P. Physics of zinc vaporization and plasma absorption during CO2 laser welding＼[J＼]. Journal of Applied Physics，2007，102（5）： 053108-053108.