镀锌钢激光焊接锌烧损研究(2)

　　焊接速度是本焊接过程中对焊接质量最重要的影响工艺参数.从图3中可以看出，上、下层锌的烧损量及焊后腐蚀增重比都随着焊接速度的增大而减小.在激光功率一定的条件下，焊接速度增大，输入试件的线能量减少，因而上、下层锌的烧损量也随着减少.然而，激光深熔焊接形成稳定小孔存在着激光输入线能量最小阈值[7].因而，激光功率一定时，焊接时形成稳定小孔存在合适的焊速范围.焊接速度过大，焊接过程无法形成稳定的小孔；焊接速度过小，锌的烧损量增加.同时，过低的焊接速度还会导致热输入量过大，从而导致焊缝组织性能恶化或出现宏观裂纹.
　　2.1.2激光功率对锌烧损的影响
　　激光功率是本焊接试验中影响镀层锌烧损的主要因素.上、下锌层烧损宽度、腐蚀后增重千分比均随着激光功率的增大而增大.激光功率越大，输入能量越大，试件表层上的镀层锌越容易汽化.此时，锌的烧损量（pi）与激光功率近似呈正比，如图4所示.试件材料接触中性的盐水，可以用于模拟大气腐蚀条件下焊件受外部介质的化学作用或电化学作用发生腐蚀.试验结果表明，激光功率越大，锌的烧损量越大，焊后试件腐蚀程度越严重.
　　2.1.3离焦量对锌烧损的影响
　　离焦量也是影响镀锌钢激光焊接锌烧损的重要工艺参数.上、下锌层锌的烧损宽度由照射到工件表面的激光辐照功率密度是否达到锌汽化阈值来决定.而离焦量的变化带来了辐照在工件表面的光斑直径和照射在工件表面激光功率密度的变化，进而影响工件材料对激光能量的吸收及上、下锌层锌的烧损宽度.图5表明，锌的烧损量变化在离焦量-1.5mm～1mm区间中波动变化，试件焊后腐蚀后增重千分比的变化与上、下锌层烧损宽度变化趋势相同.离焦量为-1.5mm时，锌的烧损量比-1.0mm时大.这是因为该区域中激光辐照光斑的直径起主导作用，激光辐照面积越大，锌的烧损量越大.而离焦量在-1.0mm至1.0mm区间，离焦量引起的激光辐照功率密度决定了锌的烧损.离焦量为0时，激光辐照功率密度在离焦量为-1.0mm～1.0mm区域中最大，此时锌的烧损宽度最大.
　　2.2锌谱线强度与锌烧损的相关性
　　采用等离子体特征信号作为焊接质量实时在线监测的依据是激光焊接在线监测技术的发展趋势.本文采集了16组实验中的5组光致等离子体谱线信息进行分析，如图6所示.研究发现：锌谱线ZnI328.2nm及ZnI330.3nm的强度特征随锌烧损量变化显著[8-10].因此本文重点分析了锌谱线ZnI328.2nm和ZnI330.3nm的平均强度，得到了锌烧损量与锌谱线强度之间的相关性.从图7发现，中间层剩余含锌量随着锌谱线ZnI328.2nm和ZnI330.3nm的平均强度的增大而减小，即锌的烧损量随着锌谱线ZnI328.2nm和ZnI330.3nm的平均强度的增大而增大.在光学薄的等离子体中，光发射谱线的强度与激发态原子的密度成正比.而激发态原子的密度分布符合波尔兹曼分布，与锌蒸气原子密度成正比.因此，监测锌谱线ZnI328.2nm和ZnI330.3nm的平均强度可用于反映镀锌钢激光焊接时锌烧损量的动态变化.
　　2.3锌元素分布与气孔之间的关系
　　如图8所示，采用电子探针显微分析仪进行锌元素线扫描的过程中发现，锌元素含量突增的地方均有气孔存在，且气孔越大，局域锌元素含量越高.因为在镀锌钢激光焊接过程中，镀层锌和基体钢物理特性的极大差异（镀锌层锌的熔点是420℃，沸点是908℃，基体钢的熔点是1300℃，沸点是2861℃[11-12]），镀层锌的汽化先于基体钢的熔化.由于锌的沸点低，镀锌钢板的镀层锌极易汽化而形成锌蒸气.当锌蒸气被压入焊接熔池时，对熔池产生扰动，熔池中的气泡不易排出.加之激光焊接熔池的冷却速度快，熔池凝固时间短，熔池中的锌蒸气引起的气泡极易使焊缝产生气孔.
　　3结论
　　镀锌钢激光焊接时，以上、下层锌烧损宽度及腐蚀后增重千分比为依据，其影响锌烧损因素主次顺序为：焊接速度、激光功率、辅助气体流量、离焦量，优水平为激光功率1400W，焊接速度25mm/s，离焦量-1mm，辅助气体流量25L/min.分析可得出以下结论：
　　1）激光功率越大，焊接速度越小，输入工件的线能量越大，锌的烧损量越大，焊后试件腐蚀程度越严重；而在离焦量为-1.5～1mm区间，锌的烧损量和试件焊后腐蚀增重千分比成波动变化.
　　2）焊后试件含锌量随着锌谱线ZnI328.2nm和ZnI330.3nm的平均强度的增大而减小，即锌的烧损量随着锌谱线平均强度的增大而增大.锌谱线ZnI328.2nm和ZnI330.3nm的平均强度可用于在线监测镀锌钢激光焊接时锌烧损量的动态变化.

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