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17 活化剂对镀锌钢激光熔透性能的影响

Lifang Mei 1,2 amp; Zhenghui Wang 1 amp; Dongbing Yan1,3 amp; Shuixuan Chen1 amp; Dan Xie1

摘要

为了研究活化焊接技术在增加低功率脉冲激光熔透焊缝宽度，提高低功率激光焊接效率的同时降低成本的可行性，本研究进行了理论分析和实验验证，以确定助焊剂Cr2O3对车体DC56D镀锌钢板焊接性能的影响。获得有关焊接宽度，接头组织，机械性能，元素分布和耐腐蚀性的变化的研究数据。结果表明，活化剂可以有效地增加钢板的YAG激光能量吸收和母材金属的熔化，从而增加焊缝宽度。尽管接头显微组织主要由等距晶体和柱状晶状体主导，但由于活性助焊剂，热影响区略微扩大。在焊接接头处未观察到明显的活性元素扩散和偏析现象。加入活化焊剂并不会改变焊缝化学成分的相对含量和分布。就抗拉强度，显微硬度和耐腐蚀性而言，具有活性焊剂的焊接试件优于不添加活性焊剂的试件，表明添加活性焊剂有效地提高了低功率激光穿透焊接试件的性能。

关键词

激光技术，活化剂，熔焊，焊接宽度，性能

活化焊接的概念最早由Paton焊接学院（乌克兰）提出[1]。该技术涉及预先在焊接区上涂覆一层具有特殊化学成分的活性焊剂（AF），并且通过使用多种焊接规范可以实现焊接缺陷小的高温穿透能力，从而显着提高焊接深度。活化焊接是一种简单，高效，节能的焊接方法。 A-TIG是第一种活化焊接技术。 可以将焊接深度增加到传统TIG的2-3倍。 它也可以同时完成3-12mm厚的钢板的焊接而无需倒角[2]。

基于活化焊接的活化激光焊接技术是国际领先的焊接技术。把激光和活性焊接结合不仅可以显着提高熔深，焊接质量和焊接效率，而且还可以提高激光吸收率并降低成本。这是激光焊接未来的重要发展方向。在中国和国外，关于基于AF的激光焊接技术的研究很少。例如，Heiple等人[3]发现，在不锈钢激光焊接熔池中添加66％的表面活性元素Se可使焊接深度与宽度（D / W）的比率增加200％。 Chen等人[4]讨论了AF对Ti合金激光焊接外观的影响。范等人[5]研究了YAG的活性焊接，发现表面AF和表面活性元素S显着增加了焊缝的熔深和深宽比，并影响了焊缝形状。 Kuo等人[6]发现在高速CO2激光焊接（gt; 5 m / min）中使用AF可以显著增加焊接深度。 Ma等人 [7]通过观察熔池表面的等离子体形式初步探讨了AF对激光焊接等离子体的影响。他们认为，AF的蒸汽原子吸收了一些自由电子，并成为带负电的阴离子。这些阴离子在周围的空气中扩散并消失，因此在一定程度上抑制了等离子体。刘等人 [8]对3 mm SUS304不锈钢进行连续光纤激光活性焊接进行了实验研究，并分析了氟化物和氧化物对焊接深度和宽度的影响。范等人[9]研究了AF对不锈钢YAG激光焊接的影响。他们发现，在不同的焊接条件下，AF可以提高焊缝熔深和D / W比。该机制被认为是焊接熔池的表面张力和温度的变化，因此AF改变了焊接熔池中的流体流动方式。沉等人 [10]报道了AF对脉冲激光束焊接AZ31镁合金的影响。他们发现，当热输入值处于临界值（E = 53.42 J mm-1）时，AF（SiO2）在改善激光焊接的穿透力时非常有效。五个典型的AF（SiO2，TiO2，ZnCl2，CaCl2和CaF2）均增加了焊缝的熔深和D / W比。而且，具有氧化物和氯化物活性剂的带区的宽度比具有氟和氯化物活化剂的带区的宽度宽。 AF可以促进金属对激光能量的吸收，增加激光焊接的金属穿透力，并降低深穿透和全穿透焊接的激光功率密度和线性能量阈值。它也可以增加关键点深处的焊接宽度[11]。

上述研究报告了通过添加AF可以提高低碳钢，不锈钢和合金接头的高功率激光焊接的熔深的机制。但是，关于AF对镀锌钢板低功率激光焊接接头的影响的研究是有限的。AF对镀锌钢焊接接头的微观结构和机械性能的影响仍然值得探究。为了解决低功率激光引起的焊宽窄和连接弱，以低成本实现镀锌钢板车身的高效率，高质量的低功率激光焊接，在低功率激光焊接中引入了活化焊接。 本研究分析了AF在焊缝拓宽和补强中的作用机理。 研究了表面AF对激光焊接镀锌钢接头的宏观形貌，微观结构和力学性能的影响。 提供了一些理论参考和实践指导，以促进活化激光焊接的应用。

2试验条件和方法

2.1测试装置

该测试使用了HANS LASER W400B系列激光焊接系统（图1）。 该系统由激光电源，PC数控系统，光学系统，冷却系统，CCD监视系统，红灯定位系统和侧吹式保护性气体设备组成。 激光的峰值功率为1200 W，平均为400W。连续焊接下的脉冲功率，脉冲频率和脉冲宽度分别为0.1–8 J / ms，1–200 Hz和1–65 ms。在焊接过程中，氩气用拉伐耳喷管以保护熔池。

2.2测试材料

将用于车身的DC56D Z钢板（1.2mm厚）用作测试材料。 其化学组成和机械性能列于表1。首先，用CO2激光切割将板切成60mmtimes;30mm的试样。 在国内外已经开发并应用的现有AFs主要包括氧化物，氯化物和氟化物。 氯化物具有高毒性，因此不适合推广和应用。 氧化物和氟化物是常用的AF。 这项研究将活化焊接引入了低功率激光焊接技术中，以增加焊接宽度并改善接头的机械性能。 选择AF时，主要注意增加焊接宽度。 先前的研究结果表明，Cr2O3在增加焊接宽度方面优于其他AF [10]。 考虑到研究目标，本研究选择了Cr2O3作为研究对象。

表1钢板的化学成分和力学性能

名称化学成分/％ 机械性能 拉伸强度 屈服强度

Z-锌涂层重量：45/45 g / m2

2.3测试方法

根据车身结构件的焊接特性，用夹具夹紧DC56D（镀锌钢）以进行活性激光对接焊测试。为了提高焊接质量，试件表面用丙酮擦洗以消除油渍和其他有机物。在电子天平上称量活化粉末（0.01 mg）与丙酮均匀混合成混浊的液体。用刷子平整地将该浑浊的液体均匀地涂覆在试件表面上。在此过程中，尽可能确保涂层的均匀性。涂层的厚度应恰好覆盖钢板表面的金属光泽。丙酮完全挥发后，进行了Nd：YAG激光活化焊接测试。焊接原理如图2所示。通过使用相同的技术参数立即焊接涂有AF的区域和没有AF的区域，以确保测试数据的可比性和一致性。焊接工艺参数见表2。

图2活性激光焊接的示意图

表2 YAG激光焊接工艺参数

当前占空比（％） 脉宽（ms） 焊接速度（mm / s）气体流量（L / min） 散焦距离（mm）

38 63 3.5 15 -0.3

焊接后，用微距摄影机和立体显微镜检查焊缝表面外观。用电子显微硬度测试仪测量不同焊接区域的硬度。用微处理器控制的电子万能试验机分析了焊接试样的拉伸强度。通过线性切割取样，抛光和酸腐蚀制备金相试样。用金相显微镜观察它们的微观结构和焊缝的横截面形状。用扫描电子显微镜确定焊接接头不同区域的元素组成和分布。最后，通过盐雾试验分析了焊接试件的耐腐蚀性。

3测试结果与分析

3.1自动对焦对焊缝成形的影响

选用表2中的参数，在有和没有AF的试件上进行了深熔对接测试。焊接表面的外观如图3、4和5所示。有和没有AF的试件的焊件表面都是光滑连续的。存在密集的甚至鱼鳞状的波纹，但没有气孔，裂纹，残留颗粒，表面凹陷和其他缺陷。然而，带有AF的试件的焊件接头明显比没有AF的试件的焊接接头宽。不带AF的试件的焊缝约为1.0-1.2 mm，而带AF的试件的焊缝约为1.8-2.1 mm。

对焊缝横截面形状的分析（图6）表明，在进行脉冲YAG激光穿透焊接后，带有和不带有AF的试件的焊接截面看起来像“手指”。然而，具有AF的测试件的焊接接头具有较大的熔池，并且上下焊接宽度均显着增加，从而增加了接头宽度。焊接接头的表面外观和截面形状证实了涂层AF可以在一定程度上增加焊接宽度。

AF在熔焊过程中增加的焊接宽度可归因于两个原因。首先是AF可以增加试件的激光能量吸收。从分子能的角度来看，O是自然界中具有最高电负性的物质，而Cr具有低电负性。分子之间的电负性差异越大，分子极性越强，激光吸收能力越高[12]。此外，在试件表面上涂覆AF形成具有一些孔结构的细颗粒涂层，并减少了试件的激光反射。同时，活化粒子的不规则形状使散射的激光易于被其他粒子吸收。此外，活性原子在焊接过程中会变成带负电的粒子，因为它们吸收激光诱导的等离子体中的自由电子。考虑到它们的质量，负粒子的运动比自由电子和等离子体边缘处的波动慢得多。最后，一些负粒子成为自由电子的运动本底，而另一些则在空气中消失，从而有效地降低了焊接等离子体的电子密度。这种情况在一定程度上削弱和抑制了激光束的反射，折射，Bre致辐射的逆吸收，散射以及其他等离子体的负面影响，从而有效地提高了到达焊接表面的激光功率密度[13，14]。考虑到AF的这些影响，它可以增加工件表面对辐照激光束的吸收和焊接热输入，从而显着提高温度上升速率和峰值温度。因此，熔透焊缝宽度急剧增加。

第二个原因是AF改变了熔池中的流动条件[15]。当未涂覆AF时，熔池中液态金属表面张力的温度系数为负。换句话说，熔池边缘区域的温度较低，但表面张力较高。因此，表面张力从熔池中心流向边缘。输入的热量已经在熔池的熔融膨胀之前扩散到周围区域。加入AF后，熔池中的表层氧含量急剧增加，并且张力温度梯度相应地变化。熔池中液态金属的表面张力值降低，温度系数变为正值；因此，表面张力沿相反的方向在熔池中流动[16]。在熔池的中心，直接通过聚变流体传输到底部熔池的激光热量提高了整个熔池的加热效率[17]。高密度的集中热源促进了熔合区和熔池的扩展，从而形成了宽焊缝。

此外，薄薄的黑色粉末物质围绕着涂有AF的试件的熔合线。根据初步分析，Cr2O3（2603 K）的熔点比表面镀锌（619.75 K）的熔点高得多，因此在用AF进行激光焊接时，熔池的最高温度显著高于在无AF的情况下进行激光焊接时的熔池的最高温度。添加AF间接增加了工件表面的热量输入和激光功率密度。简而言之，带有AF的测试件在熔池附近经历了更严重的Zn燃烧。燃烧后，Zn涂层变成黑色粉末物质。从理论上讲，锌燃烧会降低焊接接头的耐腐蚀性。但是，由于表面有Cr2O3涂层，在焊接过程中发生一系列的物理和化学反应后，能否提高焊接接头的耐腐蚀性仍需要在后续研究中进行进一步的测试和分析。

3.2 AF对微结构焊接接头的影响

在焊接过程中，经过一系列化学冶金反应后，随着激光热源的距离增加，熔池中液态金属的温度迅速降低。它们在冷却冷凝后形成焊接接头，并在连续冷却过程中产生固态相变[18]。在激光焊接热源的作用下，焊接区和热影响区（HAZ）经历了不同的微观结构变化。焊接接头处熔池的液体冷凝和固相转变决定了焊接金属的晶体尺寸，结构和性能。此外，AF涂层可能会在焊缝的化学成分和组织中造成不同程度的不均匀性[19]。因此，分析焊接接头的微观结构至关重要。在当前测试中，通过采样，安装，研磨，抛光和腐蚀制备了金相试样。用MM-6水平金相显微镜分析了它的微观结构。观察到了焊缝，热影响区和母材的晶体尺寸，边界和显微组织。测试了诸如微孔和微裂纹的缺陷，并测量了焊缝宽度。研究了AF对焊接接头微结构的影响。

根据在100–200倍下观察到的显微组织，分析了有无AF的试件在熔池区和热影响区中的显微结构差异。结果如图7所示。

图7显示，有和没有AF的试件基本上具有相同的焊接金相组织，主要由柱状晶和等距晶体构成。但是，与没有Cr2O3涂层的试样相比，带有Cr2O3涂层的试样的热影响区中的柱状晶体更小，并且焊接热影响区宽度稍大。由于激光焊接过程中聚集的能量，它会快速加热。熔池中的热量主要通过热传导向外传递。由于在熔池和母材之间的交接处具有较大的温度梯度和快速的散热性，因此在熔融冷却过程中，具有强方向性的柱状晶体大量生长。这些柱状晶体垂直于熔合线，并在熔池中向内生长，并与温度梯度相反[20]。在凝固过程中，高温熔池内部的温度梯度逐渐降低。带和不带AF的两个试件的熔池区均以等距晶体为主，但是带AF的试件的熔池区具有较小的晶体。一方面，焊接接头的微观结构质量取决于焊接热量的输入。鉴于AF涂层增加了测试件的激光能量吸收并因此增加了焊接热输入，焊缝中的等距晶体区域的尺寸减小，而柱状晶体区域略微扩展，即焊机热影响区宽度增加。另一方面，晶体大小是由熔池中的温度梯度决定的。快速的温度变化会导致晶核快速形成，从而导致晶体细化。换句话说，熔池中较大的温度梯度有助于凝固后的焊接微观结构的细化。否则，焊缝组织相对较厚[21]。在母体材料表面涂覆AF之后，由于Cr2O3的高熔点和高沸点，温度梯度增加且结晶时间减少。结果，晶体被细化。在这两个因素的共同作用下，带有AF的测试件的焊缝和焊接热影响区的结晶度较小，而带有AF的测试件的焊接热影响区较大。

3.3 AF对焊接接头力学性能的影响

3.3.1拉伸强度

通过拉伸试验测试了有无AF的焊接试件的抗拉强度。首先，根据国家标准GB / T 2651-2008的拉伸试验方法确定试样的形状和尺寸。其次，用线切割放电加工机将测试样品切成标准样品。最后，拉伸试验是在WDW-100微处理器控制的电子通用机械试验机上进行的。在测试中，将拉伸加载速率设置为10 mm / min，从具有AF的焊接工件中选择五个样品，并在相同的工艺参数下与另外五个没有AF的样品进行拉伸测试。获得该平均值作为最终抗拉强度结果。对测试数据和工件断裂的分析表明，在恒定的技术参数下，AF试件的平均抗拉强度为266 MPa，所有断裂都发生在焊接区（图8a）。试件呈现滑动断裂，断裂与最大法向应力之间的夹角为45°。倾斜的部分是光滑的，规则的和叶片状的，并且该区域的

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