1、鍍鋅鋼焊接性能及方法

鍍鋅鋼的鍍鋅層不但具有物理屏蔽作用，而且對鋼基體還起到了電化學保護作用，其良好的抗腐蝕性能使得鍍鋅鋼在許多領域得到廣泛的應用，包括電力、交通、建筑、化工、通風供熱設施以及家具制造等行業(yè)。尤其在汽車制造中，各種普通鍍鋅鋼，高強度鍍鋅鋼，超高強度鍍鋅鋼的應用大幅提高了車身等部件的抗腐蝕性能和汽車的使用壽命。然而，因鍍鋅鋼中鍍鋅層的存在，使得鍍鋅鋼的焊接工藝性大為降低。原因是在鍍鋅鋼的焊接過程中，鍍層鋅和基體鋼物理特性的極大差異（鍍鋅層鋅的熔點是 420度，沸點是 908度，基體鋼的熔點是 1300度，沸點是 2861度），鍍層鋅的氣化先于基體鋼的熔化，這一現(xiàn)象對鍍鋅鋼的焊接過程和質(zhì)量都有很大影響。目前，鍍鋅鋼的主要焊接工藝有三種：電阻電焊、電弧焊和激光焊接。對電阻點焊而言，由于鍍鋅層的存在，焊接時電極易于鋅層合金化，降低了電極的壽命。而采用電弧焊焊接鍍鋅鋼時，由于鋅的低沸點，在電弧剛接觸到鍍鋅層時，鋅迅速氣化，產(chǎn)生的鋅蒸氣向外噴射，很容易使焊接產(chǎn)生熔渣粒子、氣孔、飛濺、未熔合及裂紋等焊接缺陷，電弧的穩(wěn)定性也因此受到影響，焊接質(zhì)量下降，同時焊接過程中還會產(chǎn)生大量煙霧灰塵。另外，由于電弧焊的焊縫寬度較大，且熱輸入量大，鍍層鋅的大量氣化降低了鍍鋅鋼焊縫處的抗腐蝕性能。鍍鋅鋼采用激光焊接時，同樣存在鍍鋅層的氣化，以及焊接氣孔、飛濺、未熔合等缺陷。但激光焊接與電阻點焊和電弧焊相比，激光焊接單位熱輸入量少、熱變形小、焊縫深寬比大、焊接速度高、焊縫強度普遍高于母材、鍍層鋅的損耗低 ,且激光焊接是單邊加工、復雜結構適應性好、易于實現(xiàn)遠程焊接和自動化。例如，德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃、美國通用、福特、意大利菲亞特、日本的日產(chǎn)、本田和豐田等汽車公司，都采用了激光焊接技術，建立了激光焊接生產(chǎn)線，在有的汽車生產(chǎn)中激光搭接焊縫已達到 100米長。在國內(nèi)汽車廠家，只有少數(shù)幾家企業(yè)（如：上海通用，一汽奧迪，大眾等）引進國外的設備和技術，建立了激光焊接生產(chǎn)線。

本文以鍍鋅鋼板為例，在分析鍍鋅鋼板激光焊接特性的基礎上，綜述了提高鍍鋅鋼板焊接質(zhì)量的工藝措施，焊接過程的優(yōu)化仿真及焊接質(zhì)量的在線檢測與控制。

2 鍍鋅鋼板激光焊接特性

激光焊接過程，根據(jù)焊接機理的不同可以分為兩類：熱傳導焊與深熔焊。兩者之間的根本區(qū)別就是是否存在焊接小孔。激光焊接鍍鋅鋼板時，一般采用深熔焊接。但由于鍍鋅鋼板中鍍層鋅的存在，激光深熔焊接鍍鋅鋼板的過程存在兩種特有的焊接特征：鋅蒸氣和鋅等離子體。

(1)鋅蒸氣

當高能量密度的激光束照射到工件表面時，工件吸收激光能量，溫度迅速升高，由于鋅的低沸點，鍍鋅鋼板的鍍層鋅極易氣化而形成鋅蒸氣。當鋅蒸氣被壓入焊接熔池時，對熔池產(chǎn)生擾動，熔池中的氣泡不易排出，對焊接過程的影響最大。因為激光焊接熔池的冷卻速度很快，熔池凝固時間很短，熔池中的氣泡極易使焊縫產(chǎn)生焊接缺陷，如飛濺、熔渣、氣孔、未熔合，影響焊縫成形，降低焊縫質(zhì)量。同時，鋅的蒸發(fā)使鍍鋅層的含鋅量減少，對鍍鋅層的防腐性也有一定的影響；還有文獻中提到鋅層的蒸氣對人體有害，影響工作環(huán)境。因此解決鋅蒸氣問題成為鍍鋅鋼板激光焊接的根本問題。

鍍鋅鋼板的激光焊接過程中，鋅蒸氣的產(chǎn)生可以分為兩類：①上表層鋅和下表層鋅的氣化；②疊層搭接焊時中間層鋅的氣化（如圖1 所示）。上下表層鋅蒸發(fā)而產(chǎn)生的鋅蒸氣膨脹并向空中自由擴散，對焊接質(zhì)量無直接影響。鍍鋅鋼板疊層搭接焊中，中間鍍鋅層氣化產(chǎn)生的鋅蒸氣的膨脹擴散途徑有三種：①經(jīng)由板間間隙膨脹擴散至空氣中；②經(jīng)由焊接小孔膨脹擴散至空氣中；③鋅蒸氣被壓入焊接熔池。對于鍍鋅鋼板疊層搭接焊鋅蒸氣經(jīng)由板間間隙擴散排出的方式，合適的板間間隙值是控制鋅蒸氣排出的關鍵因素，間隙值的選取見本文第三部分第一節(jié)第二點板間間隙法。鋅蒸氣經(jīng)由焊接小孔排出是另一種有效的途徑。但是，焊接

小孔是細長小孔且焊接速度較快，有時鋅蒸氣無法通過板間間隙和焊接小孔完全排出而被強大的蒸氣壓力壓入焊接熔池，形成熔池中的氣泡。當熔池凝固時間足夠長，氣泡會隨熔池的攪拌從內(nèi)部熔池向熔池表面移動并最終排出到空氣中；但如果熔池凝固時間短，熔池中鋅蒸氣的氣泡在向熔池外移動和擠壓過程中容易形成飛濺和熔渣，或者留在熔池內(nèi)形成焊縫中的氣孔，嚴重時會在板間形成大氣泡，阻礙板間的熔合。實際鍍鋅鋼板的激光焊接過程中，鋅蒸氣的迅速產(chǎn)生且蒸氣壓力大，鋅蒸氣同時經(jīng)由上述三種擴散途徑排出。

 (2)鋅等離子體

光致等離子體是激光深熔焊接的重要特征。當激光束照射到鍍鋅鋼板上，表層鋅和基體鋼吸收激光并迅速氣化，形成鋅和鐵的混合金屬蒸氣。金屬蒸氣在激光的輻照作用下電離并形成等離子體。由于鋅的氣化溫度低于鐵的氣化溫度，鋅蒸氣比鐵蒸氣更容易產(chǎn)生，鋅蒸氣氣壓比鐵蒸氣氣壓高8 個數(shù)量級；同時當?shù)入x子體溫度在10000K 時，鋅等離子體的電子密度比鐵等離子體的電子密度大2 個數(shù)量級（Zn：2.2x25450px-3, Fe：4.1x25400px-3）。因此有文獻認為,鋅的蒸氣將加劇等離子體的產(chǎn)生，是鍍鋅鋼板激光焊接時大量等離子體存在的主要原因。然而，也有文獻從理論計算探討鋅蒸氣問題時發(fā)現(xiàn)：在相同的條件下,鋅比鐵的蒸氣密度約小25%，而鋅的電離能(9.36eV)比鐵(7.83eV)大,所以在被激光輻照氣化的金屬蒸氣中,鋅并不比鐵優(yōu)先電離,也就是說鋅蒸氣并不加速等離子體的形成。正是因為鋅蒸氣不易電離,使得在焊接過程中可觀察到大量鋅蒸氣的存在。

無論鋅是否加劇了等離子體的產(chǎn)生，在鍍鋅鋼板激光焊接過程中仍然有大量的光致等離子體存在。等離子體對激光束有嚴重的阻隔作用，它不但對激光束有散射作用，而且會吸收激光能量，使得照射到工件上的能量減少，影響焊接小孔穩(wěn)定形成，從而降低了焊接過程的穩(wěn)定性。有關鍍鋅鋼激光焊接的鋅行為研究，特別是鋅等離子體和小孔效應的實驗研究目前比較缺乏。有文獻分別對焊接小孔內(nèi)和小孔外的等離子體做了研究，得出一定濃度的小孔孔內(nèi)等離子體對激光能量的吸收是有利的，而孔外的等離子體云對焊接過程中激光能量的吸收

有屏蔽作用。

3 鍍鋅鋼板激光焊接質(zhì)量的提高方法

激光焊接與傳統(tǒng)的焊接方式相比，焊接過程更加復雜，包括材料對激光的吸收、材料的固態(tài)加熱及相變(熔化、汽化）、小孔和等離子體的形成及其在激光能量耦合和傳輸過程中的作用、小孔內(nèi)材料蒸汽和熔池內(nèi)液態(tài)材料的流動、材料熱物理參數(shù)的變化、小孔的穩(wěn)定性、熔池表面的變形以及各種焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響等諸多方面。如本文第二部分所述，激光焊接鍍鋅鋼板時存在鋅蒸氣和鋅等離子體，焊接穩(wěn)定性減低，焊接時易產(chǎn)生多種焊接缺陷，從而增加了激光焊接過程和焊接質(zhì)量的控制難度。鋅蒸氣的抑制和等離子體的控制是實現(xiàn)鍍鋅鋼板激光焊接的關鍵技術。國內(nèi)外許多科研工作者開展了鍍鋅鋼板激光焊接的研

究，提高激光焊接鍍鋅鋼板焊接質(zhì)量的方法可以分為：①尋求特定的工藝措施；②工藝參數(shù)優(yōu)化和焊接過程仿真優(yōu)化；③在線檢測控制。

3.1 尋求特定的工藝措施

鍍鋅鋼板激光焊接過程中鋅蒸氣對焊接質(zhì)量的影響最大，因此采取相應措施減少鋅蒸氣的影響是提高鍍鋅鋼激光焊接質(zhì)量的首要任務。一般而言，鍍鋅鋼板激光焊接接頭的形式有以下幾種：搭接、對接、角接、卷邊接頭等。而實際生產(chǎn)中，疊層搭接接頭形式應用最多，且鋅蒸氣對該種接頭形式的焊接質(zhì)量影響最為嚴重。文獻中有關解決鍍鋅鋼激光焊接時鋅蒸氣問題的各種特定工藝措施，其根本途徑有兩類：①激光焊接過程中不產(chǎn)生鋅蒸氣或產(chǎn)生極少量的鋅蒸氣；②使產(chǎn)生的鋅蒸氣盡可能的順利排出到空氣中。鋅蒸氣的排出途徑又主要有經(jīng)由板間間隙排出、經(jīng)由焊接小孔排出、熔池冒泡排出三種方式。同時，也有文獻研究了鋅

蒸氣排出的其他方式，如預先開排氣孔、預先切割出排氣縫。此外，減少等離子體對焊接過程的影響是提高鍍鋅鋼板激光焊接中的另一個重要任務。

(1) 吹送保護氣體

吹送保護氣體是激光焊接中最常用的工藝措施，其方式有同軸吹氣和側(cè)吹氣兩種，其控制參數(shù)有保護氣體種類、氣體流速、側(cè)吹方向、側(cè)吹角度、噴嘴尺寸。保護氣體在激光焊接中起到的作用主要有三個方面：①對焊縫進行保護，防止焊縫氧化并加快焊縫冷卻；②在一定程度上抑制等離子體對焊接過程的影響；③防止濺射物和金屬蒸汽對聚焦鏡片的污染。同軸吹氣保護，氣流與焊接時產(chǎn)生的金屬蒸汽和等離子體形成對流，降低蒸汽和等離子體的熱量，同時增加小孔內(nèi)的氣壓，抑制孔內(nèi)的金屬蒸汽和等離子體向孔外噴射，有利于焊接小孔的穩(wěn)定和降低孔外等離子體的屏蔽作用。而側(cè)吹氣體保護，能夠吹散熔池表面的等離子體和飛濺，減少焊縫表面缺陷。研究表明，鍍鋅鋼板激光焊接時，合適的吹氣方式和吹送氣體參數(shù)有利于增加熔深，減少焊縫氣孔，抑制等離子體的不利影響，得到好的焊縫成形和表面質(zhì)量。

(2) 板間間隙法

鍍鋅鋼板的疊層搭接激光焊，常在搭接的兩層或多層板間留出一定間隙，以便中間鍍層鋅產(chǎn)生的鋅蒸氣順利從間隙中排出。板間間隙法可以通過控制搭接板間的夾緊力控制板間間隙，在板間預夾薄層墊片保證夾緊后板間間隙值，或采用特殊的結構保證合適的間隙值

也有文獻提到在板間夾層粉末狀材料，完全夾緊時鋅蒸氣能夠從粉末間的間隙排出。采用間隙法焊接時，關鍵就是板間間隙的控制，許多文獻通過試驗或理論研究了焊接時板間間隙的問題。間隙過小，鋅蒸氣不能完全經(jīng)由間隙排出，焊接過程容易產(chǎn)生焊接氣孔、飛濺等缺陷，焊縫強度下降。間隙過大，鋅蒸氣可能會阻隔焊縫熔合而產(chǎn)生假焊；或由于間隙太大，熔池金屬材料因填充間隙而使焊縫上表面凹陷，焊縫質(zhì)量下降。對搭接焊間隙的研究，板間間隙常在0.1～0.2mm，但也視實際情況不同而定，如：鍍層種類及厚度、母材厚度、激光束參數(shù)、焊接速度等。有文獻對鍍鋅鋼激光搭接焊板間間隙進行了理論研究，并建立了數(shù)學模型：

g=AVtZntp^-1/2            (1)

其中 g 是間隙值，A 是材料系數(shù)（鍍鋅鋼板A=16.1sm-1/2），V 是焊接速度，tZn 是鍍鋅層的厚度，tp 是焊接母材的厚度。雖然這種預留間隙的焊接方法在鍍鋅鋼激光焊接時可以很好的排出鋅蒸氣，減少焊接氣孔，能得到較好焊接質(zhì)量，但此方法需要預留間隙的間隙值的精度要求較高。對于曲面型鍍鋅鋼板焊接時，其間隙值更難以達到理論要求。

(3) 添加元素法

在鍍鋅鋼板激光焊接中添加與鋅發(fā)生化學反應的異種元素是抑制鋅蒸氣產(chǎn)生另一種有效途徑。文獻[11]中提及在保護氣體Ar 中混合加入少量O2(2–5%)，利用氧氣與鋅反應而減少鋅蒸氣對焊接過程的影響，這種方法不足是增加了焊縫的氧化。文獻[5]采用三明治形式的搭接焊，預置銅粉在兩層板間，利用銅與鋅的冶金反應降低鋅蒸氣對焊接過程的影響。采用添加銅焊接鍍鋅鋼板，通過焊接過程中的光譜分析表面，鋅蒸氣的產(chǎn)生明顯減少，且焊縫抗腐蝕性和焊縫機械性能沒有因銅的加入而降低。銅的添加顯著增加了焊接過程的穩(wěn)定性；添加銅粉的前后，焊縫中的氣孔數(shù)量由10%降低至1%。

(4)開排氣孔的方法

開排氣孔的方法是預先在需要焊接的母材上加工出排氣小孔，從而使得激光焊接鍍鋅鋼板的過程中產(chǎn)生的鋅蒸氣能夠從排氣小孔中排出。文獻[11]采用脈沖YAG 激光預先在搭接板的下層板上打出合適的排氣小孔，再用1500W 連續(xù)CO2 激光焊接雙層搭接鍍鋅鋼板。排氣小孔與實際焊縫的位置及排氣小孔尺寸是獲得良好焊接質(zhì)量的關鍵。Weichiat Chen通過有限元優(yōu)化分析和焊接試驗發(fā)現(xiàn)，焊接速度為9m/min，連續(xù)CO2 激光焦點直徑0.2mm，預先在下層鍍鋅鋼板上焊縫方向離焊縫中心0.14mm 處打出直徑為0.07mm 的排氣小孔，焊接時能得到好的焊接質(zhì)量。激光焊接鍍鋅鋼板采用開排氣孔的方法焊接，能減少鋅蒸氣的影響，減少焊接氣孔，得到的焊縫因熔融金屬填滿了所開的排氣小孔形成類似于鉚接的結構而增強了抗拉強度；而當焊接速度過高時，因排氣小孔無法被熔融金屬填滿得到的焊縫抗拉強度反而下降。開排氣孔的方法與預留間隙法相比，預留間隙法不適于實際生產(chǎn)，其間隙值大小難以保證；開排氣孔方法能夠解決鋅蒸氣問題，且焊縫強度更高、可實踐性更好，不足的是需要額外開排氣孔，增加了工序。

(5) 雙光束激光焊接

雙光束激光焊接方法是近幾年出現(xiàn)的一種新方法。雙光束焊接根據(jù)所采用的光源分為兩種：同一激光源分出的兩束激光；兩個激光源發(fā)出的兩束不同激光束（如：CO2+高功率二極管；YAG+高功率二極管）。焊接過程中一束光作為輔助加工，另一束光實現(xiàn)焊接功能。采用雙光束激光焊接方法焊接鍍鋅鋼板，根據(jù)輔助光束的作用機理分為四類：①延遲焊接小孔閉合；②延遲熔池凝固；③預先切割出細縫；④預先氣化鋅層。文獻[14]先采用YAG 激光在搭接鍍鋅鋼板上切割出一條細縫，再用CO2 激光實現(xiàn)焊接。細縫的作用：一是預先去除部分鋅層；二是便于焊接過程中鋅蒸氣從細縫中排出。切割細縫與焊接過程同時進行有利于保證焊接光束與切縫的位置關系。若采用的雙光束是同一光源分出的兩束光，前一光束可氣化鍍鋅層(預先氣化寬度為焊接熔池的寬度，如2mm），后一光束實現(xiàn)焊接作用。采用雙光束激光焊接鍍鋅鋼板，關鍵是前后光束的相互位置與功率匹配，在合適的參數(shù)匹配下雙光束焊接能夠解決鋅蒸氣問題，得到較好的焊縫質(zhì)量。然而，要得到兩束激光必需增加額外的焊接裝備，也就增加了加工成本。

(6)脈沖激光焊接

脈沖激光與連續(xù)激光焊接的區(qū)別是焊接小孔的間斷出現(xiàn)，焊縫熔池也隨著焊接小孔的波動而波動，且相鄰兩個焊接小孔與熔池之間存在一定的重疊區(qū)。研究結果表明，脈沖激光焊接鍍鋅鋼板的關鍵和難點是控制脈沖激光束參數(shù)（脈沖波形、脈沖能量、脈沖寬度、脈沖重復頻率、脈沖占空比、平均功率密度峰值、平均功率）和焊接速度的良好匹配，得到合適的重疊率，以便將焊接過程中產(chǎn)生的鋅蒸氣經(jīng)由焊接小孔和熔池排出，得到好的熔池一致性和焊接質(zhì)量。文獻[35]同時指出，采用CO2脈沖激光難于YAG脈沖激光實現(xiàn)無孔焊縫，其原因是YAG激光的脈沖峰值功率密度相比CO2激光更高。

(7) 激光填絲釬焊

激光釬焊技術在汽車制造中以得到很好的應用，如車頂與側(cè)圍的連接，車廂后蓋的激光釬焊。激光填絲釬焊是激光焊接與釬焊技術的組合，具有釬焊的特性，即焊接過程中釬料吸收大部分熱量而熔化，母材吸收少部分熱量基本不熔化。采用激光填絲釬焊焊接鍍鋅鋼板最大的優(yōu)勢就是，母材吸收熱量少，大大減少了鍍鋅層的氣化，減少了鋅蒸氣的影響，提高了焊接質(zhì)量。在激光釬焊接焊接過程中關鍵技術是激光能量在釬料與母材上的分配，要得到好的焊接效果，激光功率、焊接速度、焦點位置、光斑直徑、填充材料、送絲速度、送絲方向都要很好的控制匹配。一般而言，激光釬焊過程中減小焊絲與母材的距離與夾角,保證釬料熔化后與母材直接接觸可獲得較好的焊縫成形，并且采用前方送絲較后方送絲的焊接效果好。其原因是后方送絲時，少量光照在鍍鋅層上產(chǎn)生鋅蒸氣出現(xiàn)噴射氣孔；前方送絲時，少量光照在熔池中使熔池溫度升高無不良影響。在相同的離焦量下，將激光束沿焊接方向傾斜一定角度入射,激光由圓形光斑變成橢圓光斑,激光照射面積增加，有利于釬料鋪張，此時焊縫的外觀成形優(yōu)于激光束垂直入射。此外，焊接汽車車頂時，采用帶角度的上下板搭接激光填絲釬焊，一定的搭接角度有利于產(chǎn)生的鋅蒸氣逃逸，提高焊接質(zhì)量。如要提高激光釬焊的速度，可以對焊絲先行預熱（熱絲激光釬焊），增加釬焊的填充量，加快焊絲鋪展，提高焊速。激光釬焊采用的填充釬料一般為銅基合金，如CuSi3(熔點950～1050℃)、CuAl8、CuSn 等，其中CuSi3 用的最多，因為這種材料有好的流動性和挺直性。

(8) 其它方法

文獻中除了上述激光焊接鍍鋅鋼板時通過解決鋅蒸氣問題以提高焊接質(zhì)量的方法，還有如采用立焊、激光束的來回擺動焊接（與雙焦點焊效果相似）以及焊前預先去除焊縫處的鋅層等方法。采用立焊焊接鍍鋅鋼板的過程中，金屬溶液所受重力與焊接小孔深度方向垂直有利于保持小孔打開和鋅蒸氣順利排出，且立焊方式不會對熔池焊縫產(chǎn)生表面下凹現(xiàn)象。立焊方式焊接鍍鋅鋼板與平焊方式相比，焊接過程更穩(wěn)定，焊縫成形良好，減少了鋅蒸氣產(chǎn)生的氣孔和飛濺。然而，由于實際生產(chǎn)中受到實際焊接條件的限制，立焊方式應用的靈活性受到限制。

3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化與仿真優(yōu)化

對焊接過程的優(yōu)化是提高焊接質(zhì)量的重要方法。其中包括：焊接接頭形式的優(yōu)化，焊接參數(shù)的優(yōu)化，焊接過程的機理分析以及焊接過程的建模與仿真分析等。工藝參數(shù)優(yōu)化中最常用正交試驗方法，不但能減少試驗次數(shù)，還能比較各參數(shù)的波動對焊接質(zhì)量的影響程度。激光焊接鍍鋅鋼板試驗中，常用來比較優(yōu)選的工藝參數(shù)有：激光功率，焊接速度，焦點位置，吹氣氣流等。通過鍍鋅鋼板激光焊接的機理研究，建模和仿真優(yōu)化工藝參數(shù)則是分析和認識焊接機理和降低試驗費用的重要途徑。建模仿真時，激光束加熱過程可以被簡化為移動點熱源和線熱源，或者直接由試驗拍攝得到實際的小孔熱源；所建模型可以是一維、二維或三維。常用的建模與求解方法為有限差分法和有限單元法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法。有學者對CO2 激光焊接鍍鋅鋼板搭接焊進行了三維建模仿真并分析了多因素的焊接過程，考慮的因素包括：焊接過程中固體、液體、氣體三種狀態(tài)的特性及液體表面張力、氣體壓力、液體氣體流速，焊接小孔模擬，鋅和鐵蒸氣及等離子體現(xiàn)象及對焊接過程的影響。通過復雜的建模仿真與實際鍍鋅鋼板激光焊接試驗對比，證實所建模型與實際焊接過程很接近。利用該模型，設置相應的參數(shù)可模擬焊接過程分析溫度、強度、壓力和速度的影響因素，而不用做任何實際焊接試驗。

3.3 鍍鋅鋼板焊接過程的在線監(jiān)控

對加工過程實現(xiàn)在線監(jiān)控是現(xiàn)代制造過程中保障加工質(zhì)量和降低成本的重要手段。激光焊接過程的在線檢測與控制則是提高焊接質(zhì)量和實現(xiàn)自動化的關鍵技術，也是焊接技術發(fā)展的必然趨勢。焊接過程的在線監(jiān)測技術可以分為焊前監(jiān)測、焊中監(jiān)測和焊后檢測，其中焊前檢測和焊中監(jiān)測是提高焊接質(zhì)量的重要途徑。

(1) 焊縫跟蹤

焊縫跟蹤作為一種重要的焊前監(jiān)測技術，主要用于對接焊和其他對焊接軌跡有嚴格要求的焊接過程。鍍鋅鋼板的激光對接焊時，要求板間的對接縫寬非常小（一般在0.1～0.5mm之間），且不能大于焦點光斑直徑（聚焦光斑直徑常小于0.5mm）。對于實際生產(chǎn)中的曲線軌跡焊接，由于裝夾誤差和焊接設備的移動軌跡誤差的疊加，理論移動軌跡與實際移動軌跡會產(chǎn)生偏移，焊接時會出現(xiàn)多種焊接缺陷。此時，采用焊縫跟蹤技術可提高焊接質(zhì)量，并有利于實現(xiàn)自動化無人加工。焊縫跟蹤技術的研究，包括焊縫偏差信號獲取、焊縫跟蹤傳感器研究、控制系統(tǒng)和控制方法的研究以及焊縫偏差補償方法等。

(2) 在線檢測控制

焊接過程中的信號，如聲音、光、電、圖像、熱等信號常用于焊中監(jiān)測。光電二極管和高速攝像機是最常用于在線信號采集的一維和二維傳感器。在線檢測控制可以分為三步：對反應焊接缺陷、焊縫成形質(zhì)量和焊接過程穩(wěn)定性等信號的采集；通過傅立葉變換、小波分析等方法作數(shù)據(jù)提取、處理和分析；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡、智能控制、模糊控制、專家系統(tǒng)等控制系統(tǒng)的實時控制。鍍鋅鋼板的激光焊接過程中，鋅蒸氣的產(chǎn)生使得信號采集和焊接控制的難度增大，單獨采用某一監(jiān)測控制方法很難實現(xiàn)無缺陷焊接，而有關鍍鋅鋼板激光焊接的在線檢測控制的報道較少。

4 結論

鋅蒸氣和鋅等離子體是激光深熔焊接鍍鋅鋼板的過程存在的兩種特有焊接特征。鍍鋅鋼板激光焊接的根本問題是鋅蒸氣對焊接過程的影響，鋅蒸氣的產(chǎn)生包括上表層鋅和下表層鋅的氣化以及疊層搭接焊時中間層鋅的氣化。在鍍鋅鋼板的疊層搭接焊中，中間鍍鋅層氣化產(chǎn)生的鋅蒸氣的膨脹擴散途徑有三種：①經(jīng)由板間間隙膨脹擴散至空氣中；②經(jīng)由焊接小孔膨脹擴散至空氣中；③鋅蒸氣被壓入焊接熔池。減少鍍層鋅的蒸發(fā)和順利排出鋅蒸氣是提高鍍鋅鋼激光焊接質(zhì)量的根本途徑，其實現(xiàn)工藝措施包括了吹送保護氣體、板間間隙法、添加元素法、開排氣孔的方法、雙光束激光焊接、脈沖激光焊接、激光填絲釬焊、立焊、激光束的來回擺動焊接以及焊前預先去除焊縫處的鋅層等方法。工藝參數(shù)的正交試驗優(yōu)化、焊接過程的建模與仿真優(yōu)化以及在線監(jiān)測與控制技術則是提高鍍鋅鋼激光焊接質(zhì)量的重要方法。

目前，鍍鋅鋼激光焊接的鋅行為研究，特別是鋅等離子體和小孔效應的實驗研究比較缺乏；鋅行為在焊接過程中的數(shù)值模擬仿真仍存在困難。此外，鍍鋅鋼脈沖激光焊接機理、采用不同激光器(如光纖激光器、短脈沖激光器等)實現(xiàn)鍍鋅鋼的激光焊接工藝以及鍍鋅鋼與其他材料的焊接機制，還有待更深入的研究。

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2015-0709