镀锌板激光焊接实验

激光焊接属于高能束焊接技术，具有能量密度高、焊接效率高、焊缝深宽比大、热影响区小、热变形小、节能等优点。它非常适合精密焊接技术的要求，是目前实际生产加工之中研究最多、应用最广泛的焊接方法。光纤激光器具有光电转换效率高（一般可达35%）、使用寿命长、能量稳定、光束质量好等特点，已广泛应用于激光焊接。为了使上下钢板的铁层能很好地结合在一起，需要相互渗透，以达到一定的强度。锌的熔点和沸点分别为420℃和907℃，而铁的熔点为1535℃，沸点为2750℃。锌和铁的熔点和沸点差别很大。
1、试验材料和设备。
1、1试验材料。

镀锌板的主要材料成分是不锈钢和镀锌层。试验材料的厚度为1.5 mm，镀锌层的厚度约为25μm。。为了便于焊接之后的拉伸试验，上层材料设计为U形，上层为平。焊缝形状为L形，焊缝长度为5mm×5mm，如图1所示。


1、2试验设备。
试验所用激光光源为IPG500W光纤激光器，其技术参数见表1。这种激光器最大的优点是光电转换效率高，使用寿命长，并且采用光纤传输，便于灵活加工。。配备高精度2轴联动（X轴、Y轴自动平移、Z轴手动升降）工作台。

2、通风口设计。
两片镀锌板间预留一定的间隙，激光焊接过程之中产生的锌蒸气可通过间隙迅速排出，可避免焊接过程之中产生的不稳定因素。预留间隙的大小是通过在上镀锌板的下表面或之下一层的之上表面增加凸块来控制的。

在工艺参数相同的情况之下，测试间距大小对拉力的影响，测试结果如图3所示。测试板间隙从0.04mm增加到0.2mm。结果表明，随着间隙的增大，张力呈先增大之后减小的趋势。当间隙小于0.1mm时，张力没有达到极大值。这可能是因为当间隙较小时，锌蒸气不易从间隙之中排出，导致焊接过程不稳定，焊接接头拉力较小。。间隙较大时，有利于锌蒸气从间隙之中排出，且焊接过程相对稳定，但当间隙过大时，焊缝强度下降，这可能是由于上板和下板间的熔合面积小，导致焊缝强度下降。。当间隙为0.1mm时，拉力达到极大值。

3、工艺参数的优化设计。
3、1离焦量的影响。
光纤激光焊接的工艺参数主要包括激光功率、焊接速度、离焦等。。对于镀锌板的光纤激光焊接，在所有的工艺参数之中，离焦量是最重要的。锌板之中的锌元素，飞溅比较严重，大大影响了焊接过程的稳定性和焊缝的外观质量。这种飞溅是不可避免的，只有通过控制工艺参数才能减少飞溅。。散焦量越大，飞溅越小。在其他参数不变的情况之下，用正离焦量从0变到7mm，每增加1mm，研究飞溅和拉力，找出最佳离焦量。结果表明:当离焦量为0~4mm时，焊接飞溅严重，拉力也较小；当离焦量为6~7mm时，飞溅虽小，但拉力明显降低。只有当离焦量为5mm时，飞溅最小，拉力最大。
3、2功率和速度效应。连续激光器，只有平均功率，依靠激光器产生的热量来熔化基材。激光离开之后，材料冷却固化，形成焊缝。因此，焊接过程主要是功率与焊接速度的匹配。在离焦量等参数不变的情况之下，研究了焊接1.5mm厚镀锌板的最佳工艺参数组合。

从表2可以看出，当功率为300W时，即使焊接速度小于10mm/s，也不会出现熔深。


当功率为400W，焊接速度为10mm/s时，可将厚度为1.5mm的镀锌板完全焊透。提高焊接速度之后，不能达到熔深。


当功率为500W，焊接速度小于30mm/s时，可以完全熔透，但当焊接速度提高到40mm/s超过时，不能熔透。。


4、保护气体喷嘴的设计。
在实际的焊接生产过程之中，焊接接头的保护镜是一种消耗品，需要定期更换。镀锌板在焊接过程之中，表面的锌被激光迅速加热，容易气化产生飞溅，严重时会损坏镜片。因此，在设计焊接工艺时，需要在焊接接头的保护镜片上面专门设计一把气刀，用气吹保护镜片，可有效降低生产成本，如图4所示。

5、结论。


(1) 采用加大上下2层镀锌板间隙的方法，可有效排出焊接过程之中产生的锌蒸气，减少焊接过程之中的不稳定因素。间隙的大小直接决定了焊缝的张力，当间隙为0.1mm时，张力最大。
(2) 焊接过程之中的飞溅控制主要受离焦量的控制。离焦量为5mm时，既能保证足够的拉力，又能减少飞溅的产生。
（3）焊接功率和焊接速度必须匹配，才能穿透厚度为1.5mm的镀锌板，最高焊接速度可达30mm/s。
(4) 在镀锌板焊接的具体实施过程之中，还必须对镜片采取防护措施，如在焊接接头处加一把气刀。实际生产证明，能满足24小时连续生产，最大限度地减少消耗品，具有很大的经济价值和实际推广意义。