鍍鋅鋼光纖激光搭接焊添加銅粉的試驗研究張屹

王剛+劉西霞+楊雄

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51175162）；湖南省自然科學基金重點資助項目（12JJ2032）

作者簡介：張 屹（1976-），男，湖南長沙人，湖南大學教授，博士

通訊聯系人，Email：zy@hnu.edu.cn

摘 要：采用4 kW 光纖激光器對2片1.2 mm厚H220YD鍍鋅鋼板間添加不同質量分數銅粉進行了激光搭接焊.對工藝參數優化后所得到的焊接接頭進行了焊縫表面成形、力學性能、斷口形貌、成分分布和主要物相等分析.結果表明：添加銅粉質量分數為2.82%時，焊接接頭的平均抗拉強度和延伸率分別為382.5 MPa和32.5%；添加銅粉質量分數不大于3.46%時，拉伸斷裂于母材，屬于韌性斷裂，而添加銅粉質量分數大于3.46%時，拉伸斷裂于焊縫區，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，焊接接頭焊縫區域C，Al，Mn，Fe，Zn，Cu元素的混合區寬度較大；當添加銅粉質量分數為2.82%時，Cu元素變化比較穩定，因銅能固溶于鋅中形成鋅銅固溶體，起到很好的固溶強化作用，故增強了焊縫的強度；當添加銅粉質量分數為8.06%時，Cu元素會向熱影響區擴散，易形成Cu5Zn8脆性金屬間化合物，使得拉伸易斷裂于焊縫區.

關鍵詞：車身用鍍鋅鋼；激光焊接；材料添加；力學性能

中圖分類號：TG456. 7

激光焊接技術在汽車白車身焊接中的應用，使得車身的強度和剛度大大提高，同時增強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用，它能大幅提高汽車使用壽命、降低故障率.但是，鋅的熔點及氣化溫度較低，分別為420 ℃和908 ℃，高強度的激光熱源接觸鍍鋅板，在鋼熔化之前，鍍層鋅的溫度已達到了沸點發生汽化＼[1-4＼]，不利于焊接.鋅的揮發會導致諸多焊接缺陷，如氣孔、未熔合及裂紋等，并且大量鋅的揮發以及產生的氣孔會降低母材的防腐蝕能力和焊縫的機械強度，從而對鍍鋅鋼板的激光焊接在汽車等工業領域的應用產生了諸多限制＼[5-8＼].

如何對由鋅蒸氣蒸發所帶來的焊接質量問題加以控制成為鍍鋅板焊接中的重要環節＼[8＼].文獻＼[9＼]指出，通過在保護氣體Ar中加入少量O2（2%～5%），使得氧氣與鋅發生一定反應進而減少鋅蒸氣的揮發，但同時加入的O2又容易導致焊縫氧化.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，液態的鋅和鋁化學反應后生成了一種更高沸點的液態ZnAl合金，大大降低了鋅蒸氣壓強，避免對熔池造成擾動.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鋅蒸氣的抑制，認為，在雙激光束作用下，Al可以固溶Zn，生成AlZn二元合金，提高了熔點溫度，同樣起到了控制鋅蒸氣的作用，進而提高了鍍鋅鋼激光搭接焊接的穩定性.Dasgupta等 ＼[12-13＼]研究了板間預置Cu粉的三明治結構疊層搭接激光焊，指出Zn可與加入的Cu粉發生冶金反應，將一部分鋅在焊縫中固溶，從而減少了鋅蒸氣的蒸發，通過對焊接過程中產生的光譜進行分析，發現鋅蒸氣的蒸發明顯減少，從而抑制焊接過程中的氣孔和飛濺，同時焊縫的機械性能及抗腐蝕性并沒有因為Cu粉的加入而降低.由此，通過加入一種或幾種與鋅發生化學反應的異種元素，成為鍍鋅板焊接中抑制鋅蒸氣產生的一種新方法.添加一種可與鋅發生化學反應的元素粉末，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量，適當的元素與鋅反應后，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量分數的銅粉，采用光纖激光器進行搭接焊研究，針對焊縫成形形貌和性能進行對比分析，通過添加不同質量分數的銅粉對焊接接頭的力學性能進行了相關研究.

1 試驗裝置與方法

試驗用光纖激光器最大輸出功率為4 000 W，連續輸出，波長為1 070 nm，模式為TEM00.試驗采用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.試驗材料為100 mm×30 mm×1.2 mm的H220YD+ZF鍍鋅鋼板材，試驗前試樣表面用丙酮和酒精清洗，除去材料表面氧化膜，材料化學成分及力學性能見表1.

將H220YD+ZF鍍鋅鋼板兩兩組合后，用夾具夾緊進行激光搭接焊試驗，搭接部位預留一定間隙，放置一定量的銅粉，添加銅粉時，用丙酮調和并均勻地涂敷到經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下，激光光束在搭接部位移動形成連續的焊縫.整個過程，采用氬氣作為保護氣體經拉伐爾噴嘴對焊接熔池區進行保護.試驗經大量研究得出最優工藝參數，通過添加不同質量分數的銅粉，進行激光搭接焊接試驗.圖2為激光焊接試驗現場圖.

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量；利用微機控制電子萬能試驗機分析焊接試件的抗拉強度與伸長率；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的寬度；采用西門子D500X射線能譜儀分析焊縫區的主要物相.

2 試驗結果與分析

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重要衡量指標對激光焊接工藝的改善以及焊接質量的提高有重要指導作用.對焊縫表面形貌的考察與評價主要從以下幾方面進行：焊縫的平整性、連續性、氣孔、飛濺、表面氧化等.焊接工藝參數為：激光功率P=1 800 W，焊接速度v=15 mm/s，離焦量Δ=5 mm，側吹保護氣體流量q=20 L/min，采用光纖激光對2塊H220YD+ZF鋼搭接接頭進行焊接，表2所示為在此工藝參數下，不同質量分數銅粉的焊縫表面成形狀況.

從表2可以看出，當鍍鋅鋼激光焊接時，不添加銅粉的情況下，焊縫正面熔寬較平穩連續，呈現細密均勻的魚鱗狀波紋，但是從焊縫背面看，卻出現氣孔等明顯缺陷；當添加銅粉質量分數不大于2.82%時，焊縫形貌均平穩連續，呈均勻細密的魚鱗狀波紋，未出現明顯的氣孔、裂紋等缺陷，接頭變形小；當添加銅粉質量分數大于3.46%，甚至達到8.06%時，焊縫正面形貌不連續均勻，呈現焊縫熔寬不一致現象，伴有飛濺、裂紋、凹陷等缺陷.產生這種現象的原因是：當不添加任何粉末時，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，造成熔池產生氣孔；當添加2.82%質量分數的銅粉時，銅對鋅有固溶作用，減少了鋅的影響；當銅粉質量分數過大時，搭接間隙增加，熔融金屬沿著小孔周邊由前沿向后沿流動，使得焊接熔池出現劇烈的對流擾動，填充間隙，上表面凹陷，同時，銅粉過多，焊縫更易產生脆性金屬間化合物.

2.2 焊接接頭的力學性能

本文對試樣接頭分別進行拉伸試驗來評定其抗拉強度.首先按《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1-2010）焊接接頭拉伸試驗方法，用電火花數控線切割機將試件制備成標準檢驗試樣，如圖3所示，焊縫位于中心位置.在微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，加載速率為1.0 mm/min，由計算機輸出機械性能數據.

根據搭接接頭承載拉伸力的形式，在焊接工藝參數為：激光功率P=1 800 W，焊接速度v=15 mm/s，離焦量Δ=5 mm，側吹保護氣體流量q=20 L/min時，針對添加不同質量分數的銅粉的鍍鋅鋼采用光纖搭接焊，所得焊接試件進行了拉伸試驗.結果表明：焊縫抗拉強度均大于190.94 MPa；未添加銅粉、添加銅粉質量分數分別為0.37%，2.82%，3.46%時，斷口均出現在母材上；添加銅粉質量分數分別為6.11%和8.06%時，鍍鋅鋼板斷裂于焊縫處.圖4所示為添加不同質量分數銅粉與焊接接頭力學性能的關系曲線.

由圖4可知，當添加銅粉質量分數為2.82%時，焊接接頭的力學性能處于最佳，即抗拉強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性能.當銅粉質量分數分別為6.11%和8.06%時，焊接接頭力學性能低于未添加銅粉情況下的焊接接頭的力學性能.為了進一步觀測斷口斷裂機制，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.

根據圖5試件斷口掃描圖，進一步分析斷裂機制.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，它是由正應力作用下塑形變形、以微孔聚集并長大的機理發生斷裂，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.這是因為添加銅粉質量分數太高，在焊接過程中生成CuZn脆性金屬間化合物，說明銅質量分數超過一定值后會使得試件脆性增加.

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，Fe，Cu和Zn在焊縫區的變化趨勢.本文主要采取線分析對焊縫區進行能譜分析.

圖6，圖7和圖8分別為未添加銅粉、添加銅粉質量分數為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，燒損現象不是很明顯；Fe，C元素在焊縫區變化不是很穩定；銅粉質量分數不同時，Cu，Zn元素在焊縫區的變化也有差異，并且添加銅粉質量分數為2.82%時，Cu元素變化比較均勻，燒損現象不是很明顯，而銅粉質量分數為8.06%時，焊縫區Cu元素因向熱影響區擴散遷移或燒損而變化不穩定.從金屬學的角度分析，最理想的組織狀態是溶質元素均勻分布于固溶體中，其力學性能也一定是優異的.由于焊接成形過程的特殊性和銅粉質量分數的差異，中心溫度高，金屬層快速融合、凝固，導致原子擴散驅動力很大，使得不同區域的各元素相互擴散，如Cu元素.而當銅粉的添加量為2.82%時，其在焊縫區的分布比較均勻，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化作用，提高了焊縫的強度；添加銅粉質量分數為8.06%時，熔池區溫度大于熱影響區，Fe元素活性增加，擴散速度快，可能促使FeAl脆性金屬間化合物的形成，同時，隨著熔池溫度向熱影響區的傳遞，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.

2.4 焊接接頭的XRD分析

圖9（a）（b）（c）分別為未添加銅粉末、添加銅粉質量分數為2.82%和8.06%的焊接接頭X射線衍射圖.由圖9（a）可看出，當未添加粉末時，X射線衍射譜只出現與鐵素體組織相對應的衍射峰.由圖9（b）可看出，當添加銅粉質量分數為2.82%時，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，證實了EDS分析得到的Cu元素在焊縫區的分布比較均勻并固溶于鋅中形成鋅銅固溶體，起到很好的固溶強化作用，使焊縫區強度得到增強.由圖9（c）可看出，當添加銅粉質量分數為8.06%時，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，驗證了EDS分析出現的可能結果，進一步說明當添加銅粉質量分數為8.06%時，焊接接頭容易斷裂于焊縫區.

3 結 論

1）鍍鋅鋼激光焊接時，當添加銅粉質量分數不大于2.82%時，焊縫形貌均平穩連續，呈均勻細密的魚鱗狀波紋，未出現明顯的氣孔、裂紋等缺陷，接頭變形小；而未添加銅粉和添加銅粉質量分數大于3.46%甚至添加銅粉質量分數至8.06%時，焊縫表面形貌不連續均勻，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量分數為2.82%時，焊接接頭的平均抗拉強度和延伸率分別為382.5 MPa和32.5%，相對其他情況，抗拉強度和延伸率均有所提高；添加銅粉質量分數不大于3.46%時，拉伸斷裂于母材，屬于韌性斷裂，而添加銅粉質量分數大于3.46%時，拉伸斷裂于焊縫區，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，焊接接頭焊縫區域C，Al，Mn，Fe， Zn和Cu元素的混合區寬度較大，銅粉質量分數不同，造成焊縫區Cu，Fe，Zn波動較大.當添加銅粉質量分數為2.82%時，其在焊縫區的分布比較均勻，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化作用，增強了焊縫的強度；當添加銅粉質量分數為8.06%時，Cu元素會向熱影響區擴散，易形成Cu5Zn8脆性金屬間化合物，使得拉伸易斷裂于焊縫區.

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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，焊接接頭焊縫區域C，Al，Mn，Fe， Zn和Cu元素的混合區寬度較大，銅粉質量分數不同，造成焊縫區Cu，Fe，Zn波動較大.當添加銅粉質量分數為2.82%時，其在焊縫區的分布比較均勻，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化作用，增強了焊縫的強度；當添加銅粉質量分數為8.06%時，Cu元素會向熱影響區擴散，易形成Cu5Zn8脆性金屬間化合物，使得拉伸易斷裂于焊縫區.

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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，焊接接頭焊縫區域C，Al，Mn，Fe， Zn和Cu元素的混合區寬度較大，銅粉質量分數不同，造成焊縫區Cu，Fe，Zn波動較大.當添加銅粉質量分數為2.82%時，其在焊縫區的分布比較均勻，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化作用，增強了焊縫的強度；當添加銅粉質量分數為8.06%時，Cu元素會向熱影響區擴散，易形成Cu5Zn8脆性金屬間化合物，使得拉伸易斷裂于焊縫區.

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