鍍鋅鋼光纖激光搭接焊添加銅粉的試驗(yàn)研究張屹

王剛+劉西霞+楊雄

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175162）；湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（12JJ2032）

作者簡介：張 屹（1976-），男，湖南長沙人，湖南大學(xué)教授，博士

通訊聯(lián)系人，Email：zy@hnu.edu.cn

摘 要：采用4 kW 光纖激光器對(duì)2片1.2 mm厚H220YD鍍鋅鋼板間添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)銅粉進(jìn)行了激光搭接焊.對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化后所得到的焊接接頭進(jìn)行了焊縫表面成形、力學(xué)性能、斷口形貌、成分分布和主要物相等分析.結(jié)果表明：添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%時(shí)，焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為382.5 MPa和32.5%；添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3.46%時(shí)，拉伸斷裂于母材，屬于韌性斷裂，而添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.46%時(shí)，拉伸斷裂于焊縫區(qū)，屬于韌性斷裂為主脆性斷裂為輔的混合斷裂；夾層銅粉的加入，改變了鍍鋅鋼界面的元素分布及物相組成，焊接接頭焊縫區(qū)域C，Al，Mn，F(xiàn)e，Zn，Cu元素的混合區(qū)寬度較大；當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%時(shí)，Cu元素變化比較穩(wěn)定，因銅能固溶于鋅中形成鋅銅固溶體，起到很好的固溶強(qiáng)化作用，故增強(qiáng)了焊縫的強(qiáng)度；當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.06%時(shí)，Cu元素會(huì)向熱影響區(qū)擴(kuò)散，易形成Cu5Zn8脆性金屬間化合物，使得拉伸易斷裂于焊縫區(qū).

關(guān)鍵詞：車身用鍍鋅鋼；激光焊接；材料添加；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG456. 7

激光焊接技術(shù)在汽車白車身焊接中的應(yīng)用，使得車身的強(qiáng)度和剛度大大提高，同時(shí)增強(qiáng)了車身的安全性而且有利于車身的輕量化.鍍鋅鋼由于具有良好的抗腐蝕性能，使得其在汽車上得到廣泛的應(yīng)用，它能大幅提高汽車使用壽命、降低故障率.但是，鋅的熔點(diǎn)及氣化溫度較低，分別為420 ℃和908 ℃，高強(qiáng)度的激光熱源接觸鍍鋅板，在鋼熔化之前，鍍層鋅的溫度已達(dá)到了沸點(diǎn)發(fā)生汽化＼[1-4＼]，不利于焊接.鋅的揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致諸多焊接缺陷，如氣孔、未熔合及裂紋等，并且大量鋅的揮發(fā)以及產(chǎn)生的氣孔會(huì)降低母材的防腐蝕能力和焊縫的機(jī)械強(qiáng)度，從而對(duì)鍍鋅鋼板的激光焊接在汽車等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了諸多限制＼[5-8＼].

如何對(duì)由鋅蒸氣蒸發(fā)所帶來的焊接質(zhì)量問題加以控制成為鍍鋅板焊接中的重要環(huán)節(jié)＼[8＼].文獻(xiàn)＼[9＼]指出，通過在保護(hù)氣體Ar中加入少量O2（2%～5%），使得氧氣與鋅發(fā)生一定反應(yīng)進(jìn)而減少鋅蒸氣的揮發(fā)，但同時(shí)加入的O2又容易導(dǎo)致焊縫氧化.Li等＼[10＼]通過在被焊鍍鋅板之間加入一定厚度的鋁箔以達(dá)到控制鋅蒸氣的目的，獲得成形及性能合格的接頭，并指出，在焊接熱作用下，液態(tài)的鋅和鋁化學(xué)反應(yīng)后生成了一種更高沸點(diǎn)的液態(tài)ZnAl合金，大大降低了鋅蒸氣壓強(qiáng)，避免對(duì)熔池造成擾動(dòng).另外，Zhou等＼[11＼]研究了雙激光束以及在搭接截面添加鋁箔的方法對(duì)鋅蒸氣的抑制，認(rèn)為，在雙激光束作用下，Al可以固溶Zn，生成AlZn二元合金，提高了熔點(diǎn)溫度，同樣起到了控制鋅蒸氣的作用，進(jìn)而提高了鍍鋅鋼激光搭接焊接的穩(wěn)定性.Dasgupta等 ＼[12-13＼]研究了板間預(yù)置Cu粉的三明治結(jié)構(gòu)疊層搭接激光焊，指出Zn可與加入的Cu粉發(fā)生冶金反應(yīng)，將一部分鋅在焊縫中固溶，從而減少了鋅蒸氣的蒸發(fā)，通過對(duì)焊接過程中產(chǎn)生的光譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鋅蒸氣的蒸發(fā)明顯減少，從而抑制焊接過程中的氣孔和飛濺，同時(shí)焊縫的機(jī)械性能及抗腐蝕性并沒有因?yàn)镃u粉的加入而降低.由此，通過加入一種或幾種與鋅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的異種元素，成為鍍鋅板焊接中抑制鋅蒸氣產(chǎn)生的一種新方法.添加一種可與鋅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的元素粉末，不僅可將鋅固化，防止鍍鋅鋼的鋅元素逸出，而且可改善焊接表面成形質(zhì)量，適當(dāng)?shù)脑嘏c鋅反應(yīng)后，形成的金屬間化合物還可改善熔敷金屬的冶金行為.

本文通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅粉，采用光纖激光器進(jìn)行搭接焊研究，針對(duì)焊縫成形形貌和性能進(jìn)行對(duì)比分析，通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅粉對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究.

1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)用光纖激光器最大輸出功率為4 000 W，連續(xù)輸出，波長為1 070 nm，模式為TEM00.試驗(yàn)采用PRICIETER焊接頭，聚焦鏡焦距為200 mm，采用300 μm的光纖芯徑，聚焦光斑直徑為0.4 mm.試驗(yàn)材料為100 mm×30 mm×1.2 mm的H220YD+ZF鍍鋅鋼板材，試驗(yàn)前試樣表面用丙酮和酒精清洗，除去材料表面氧化膜，材料化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1.

將H220YD+ZF鍍鋅鋼板兩兩組合后，用夾具夾緊進(jìn)行激光搭接焊試驗(yàn)，搭接部位預(yù)留一定間隙，放置一定量的銅粉，添加銅粉時(shí)，用丙酮調(diào)和并均勻地涂敷到經(jīng)表面清理后的鍍鋅鋼板上，待其干燥后，與另一鍍鋅鋼板組合成搭接接頭，接頭形式示意圖如圖1所示.焊接過程中，激光光束與鍍鋅鋼板上表面垂直，在適宜的焊接工藝參數(shù)下，激光光束在搭接部位移動(dòng)形成連續(xù)的焊縫.整個(gè)過程，采用氬氣作為保護(hù)氣體經(jīng)拉伐爾噴嘴對(duì)焊接熔池區(qū)進(jìn)行保護(hù).試驗(yàn)經(jīng)大量研究得出最優(yōu)工藝參數(shù)，通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅粉，進(jìn)行激光搭接焊接試驗(yàn).圖2為激光焊接試驗(yàn)現(xiàn)場圖.

焊后，利用體視顯微鏡觀察焊縫表面形貌，分析焊縫的成形性及表面質(zhì)量；利用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)分析焊接試件的抗拉強(qiáng)度與伸長率；采用SEM分析焊接試件的斷口形貌，分析試件的斷裂機(jī)制；采用FEI Quanta200電子掃描電鏡自帶能譜

EDS檢測、分析焊縫元素混合區(qū)的寬度；采用西門子D500X射線能譜儀分析焊縫區(qū)的主要物相.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫的表面成形性

焊縫表面成形性作為焊接性能的一個(gè)重要衡量指標(biāo)對(duì)激光焊接工藝的改善以及焊接質(zhì)量的提高有重要指導(dǎo)作用.對(duì)焊縫表面形貌的考察與評(píng)價(jià)主要從以下幾方面進(jìn)行：焊縫的平整性、連續(xù)性、氣孔、飛濺、表面氧化等.焊接工藝參數(shù)為：激光功率P=1 800 W，焊接速度v=15 mm/s，離焦量Δ=5 mm，側(cè)吹保護(hù)氣體流量q=20 L/min，采用光纖激光對(duì)2塊H220YD+ZF鋼搭接接頭進(jìn)行焊接，表2所示為在此工藝參數(shù)下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)銅粉的焊縫表面成形狀況.

從表2可以看出，當(dāng)鍍鋅鋼激光焊接時(shí)，不添加銅粉的情況下，焊縫正面熔寬較平穩(wěn)連續(xù)，呈現(xiàn)細(xì)密均勻的魚鱗狀波紋，但是從焊縫背面看，卻出現(xiàn)氣孔等明顯缺陷；當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于2.82%時(shí)，焊縫形貌均平穩(wěn)連續(xù)，呈均勻細(xì)密的魚鱗狀波紋，未出現(xiàn)明顯的氣孔、裂紋等缺陷，接頭變形??；當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.46%，甚至達(dá)到8.06%時(shí)，焊縫正面形貌不連續(xù)均勻，呈現(xiàn)焊縫熔寬不一致現(xiàn)象，伴有飛濺、裂紋、凹陷等缺陷.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)不添加任何粉末時(shí)，激光焊接鍍鋅鋼處于零間隙，焊接過程中的鋅蒸氣無法從板間逃逸，造成熔池產(chǎn)生氣孔；當(dāng)添加2.82%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅粉時(shí)，銅對(duì)鋅有固溶作用，減少了鋅的影響；當(dāng)銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時(shí)，搭接間隙增加，熔融金屬沿著小孔周邊由前沿向后沿流動(dòng)，使得焊接熔池出現(xiàn)劇烈的對(duì)流擾動(dòng)，填充間隙，上表面凹陷，同時(shí)，銅粉過多，焊縫更易產(chǎn)生脆性金屬間化合物.

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能

本文對(duì)試樣接頭分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)來評(píng)定其抗拉強(qiáng)度.首先按《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1-2010）焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法，用電火花數(shù)控線切割機(jī)將試件制備成標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)試樣，如圖3所示，焊縫位于中心位置.在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，加載速率為1.0 mm/min，由計(jì)算機(jī)輸出機(jī)械性能數(shù)據(jù).

根據(jù)搭接接頭承載拉伸力的形式，在焊接工藝參數(shù)為：激光功率P=1 800 W，焊接速度v=15 mm/s，離焦量Δ=5 mm，側(cè)吹保護(hù)氣體流量q=20 L/min時(shí)，針對(duì)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅粉的鍍鋅鋼采用光纖搭接焊，所得焊接試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn).結(jié)果表明：焊縫抗拉強(qiáng)度均大于190.94 MPa；未添加銅粉、添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.37%，2.82%，3.46%時(shí)，斷口均出現(xiàn)在母材上；添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.11%和8.06%時(shí)，鍍鋅鋼板斷裂于焊縫處.圖4所示為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)銅粉與焊接接頭力學(xué)性能的關(guān)系曲線.

由圖4可知，當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%時(shí)，焊接接頭的力學(xué)性能處于最佳，即抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率最大（382.5 MPa和32.5%），均大于未添加銅粉情況下的焊接接頭的力學(xué)性能.當(dāng)銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.11%和8.06%時(shí)，焊接接頭力學(xué)性能低于未添加銅粉情況下的焊接接頭的力學(xué)性能.為了進(jìn)一步觀測斷口斷裂機(jī)制，采用電子掃描電鏡分析焊接試件的斷口形貌，圖5所示為拉伸試件斷口形貌圖.

根據(jù)圖5試件斷口掃描圖，進(jìn)一步分析斷裂機(jī)制.從圖5（a）（b）（c）（d）中可看出：通過掃描電鏡觀察，焊件的斷口形貌呈韌窩花狀，由一些大小不等、深淺不一的圓形或橢圓形凹坑組成，它是由正應(yīng)力作用下塑形變形、以微孔聚集并長大的機(jī)理發(fā)生斷裂，由此可確定焊接試件的斷裂屬于韌性斷裂.由圖5（e）（f）可知，韌窩較淺且又具有脆性斷裂的痕跡，并有明顯剝離，可以判斷接頭的斷裂屬于以韌性斷裂為主脆性斷裂為輔的混合斷裂.這是因?yàn)樘砑鱼~粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高，在焊接過程中生成CuZn脆性金屬間化合物，說明銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定值后會(huì)使得試件脆性增加.

2.3 焊接接頭的能譜分析

能譜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，F(xiàn)e，Cu和Zn在焊縫區(qū)的變化趨勢.本文主要采取線分析對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行能譜分析.

圖6，圖7和圖8分別為未添加銅粉、添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%和8.06%的能譜掃描位置和譜線圖.從圖中可看出，Al元素變化比較均勻，燒損現(xiàn)象不是很明顯；Fe，C元素在焊縫區(qū)變化不是很穩(wěn)定；銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)，Cu，Zn元素在焊縫區(qū)的變化也有差異，并且添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%時(shí)，Cu元素變化比較均勻，燒損現(xiàn)象不是很明顯，而銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.06%時(shí)，焊縫區(qū)Cu元素因向熱影響區(qū)擴(kuò)散遷移或燒損而變化不穩(wěn)定.從金屬學(xué)的角度分析，最理想的組織狀態(tài)是溶質(zhì)元素均勻分布于固溶體中，其力學(xué)性能也一定是優(yōu)異的.由于焊接成形過程的特殊性和銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異，中心溫度高，金屬層快速融合、凝固，導(dǎo)致原子擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力很大，使得不同區(qū)域的各元素相互擴(kuò)散，如Cu元素.而當(dāng)銅粉的添加量為2.82%時(shí)，其在焊縫區(qū)的分布比較均勻，由于銅能固溶于鋅中形成鋅銅固溶體，因而可起到很好的固溶強(qiáng)化作用，提高了焊縫的強(qiáng)度；添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.06%時(shí)，熔池區(qū)溫度大于熱影響區(qū)，F(xiàn)e元素活性增加，擴(kuò)散速度快，可能促使FeAl脆性金屬間化合物的形成，同時(shí)，隨著熔池溫度向熱影響區(qū)的傳遞，Cu元素與Zn元素極易形成Cu5Zn8脆性金屬間化合物，這樣很容易使得拉伸斷裂于焊縫區(qū).

2.4 焊接接頭的XRD分析

圖9（a）（b）（c）分別為未添加銅粉末、添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%和8.06%的焊接接頭X射線衍射圖.由圖9（a）可看出，當(dāng)未添加粉末時(shí)，X射線衍射譜只出現(xiàn)與鐵素體組織相對(duì)應(yīng)的衍射峰.由圖9（b）可看出，當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%時(shí)，焊接接頭的X射線分析表明，除得到Fe元素外，還有少量銅鋅固溶體，證實(shí)了EDS分析得到的Cu元素在焊縫區(qū)的分布比較均勻并固溶于鋅中形成鋅銅固溶體，起到很好的固溶強(qiáng)化作用，使焊縫區(qū)強(qiáng)度得到增強(qiáng).由圖9（c）可看出，當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.06%時(shí)，焊接接頭的X射線分析表明，除得到Fe元素外，還有部分銅鋅固溶體和脆性化合物Cu5Zn8，驗(yàn)證了EDS分析出現(xiàn)的可能結(jié)果，進(jìn)一步說明當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.06%時(shí)，焊接接頭容易斷裂于焊縫區(qū).

3 結(jié) 論

1）鍍鋅鋼激光焊接時(shí)，當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于2.82%時(shí)，焊縫形貌均平穩(wěn)連續(xù)，呈均勻細(xì)密的魚鱗狀波紋，未出現(xiàn)明顯的氣孔、裂紋等缺陷，接頭變形??；而未添加銅粉和添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.46%甚至添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)至8.06%時(shí)，焊縫表面形貌不連續(xù)均勻，伴有氣孔、飛濺、裂紋等缺陷.

2）鍍鋅鋼激光搭接焊添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%時(shí)，焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為382.5 MPa和32.5%，相對(duì)其他情況，抗拉強(qiáng)度和延伸率均有所提高；添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3.46%時(shí)，拉伸斷裂于母材，屬于韌性斷裂，而添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.46%時(shí)，拉伸斷裂于焊縫區(qū)，屬于韌性斷裂為主脆性斷裂為輔的混合斷裂.

3）夾層銅粉的加入，改變了鍍鋅鋼界面的元素分布及物相組成，焊接接頭焊縫區(qū)域C，Al，Mn，F(xiàn)e， Zn和Cu元素的混合區(qū)寬度較大，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，造成焊縫區(qū)Cu，F(xiàn)e，Zn波動(dòng)較大.當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%時(shí)，其在焊縫區(qū)的分布比較均勻，由于銅能固溶于鋅中形成鋅銅固溶體，因而可起到很好的固溶強(qiáng)化作用，增強(qiáng)了焊縫的強(qiáng)度；當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.06%時(shí)，Cu元素會(huì)向熱影響區(qū)擴(kuò)散，易形成Cu5Zn8脆性金屬間化合物，使得拉伸易斷裂于焊縫區(qū).

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3）夾層銅粉的加入，改變了鍍鋅鋼界面的元素分布及物相組成，焊接接頭焊縫區(qū)域C，Al，Mn，F(xiàn)e， Zn和Cu元素的混合區(qū)寬度較大，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，造成焊縫區(qū)Cu，F(xiàn)e，Zn波動(dòng)較大.當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%時(shí)，其在焊縫區(qū)的分布比較均勻，由于銅能固溶于鋅中形成鋅銅固溶體，因而可起到很好的固溶強(qiáng)化作用，增強(qiáng)了焊縫的強(qiáng)度；當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.06%時(shí)，Cu元素會(huì)向熱影響區(qū)擴(kuò)散，易形成Cu5Zn8脆性金屬間化合物，使得拉伸易斷裂于焊縫區(qū).

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3）夾層銅粉的加入，改變了鍍鋅鋼界面的元素分布及物相組成，焊接接頭焊縫區(qū)域C，Al，Mn，F(xiàn)e， Zn和Cu元素的混合區(qū)寬度較大，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，造成焊縫區(qū)Cu，F(xiàn)e，Zn波動(dòng)較大.當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%時(shí)，其在焊縫區(qū)的分布比較均勻，由于銅能固溶于鋅中形成鋅銅固溶體，因而可起到很好的固溶強(qiáng)化作用，增強(qiáng)了焊縫的強(qiáng)度；當(dāng)添加銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.06%時(shí)，Cu元素會(huì)向熱影響區(qū)擴(kuò)散，易形成Cu5Zn8脆性金屬間化合物，使得拉伸易斷裂于焊縫區(qū).

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