镀锌钢激光添粉焊接的锌行为控制机理研究

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镀锌钢板以其优良的耐腐蚀性能和成形性而受到人们的青睐,尤其在汽车行业得到了广泛的应用。激光焊接具有速度快,焊缝窄,焊接热影响区小,焊接变形小,接头力学性能好等优点,因此激光焊接技术在镀锌钢板焊接领域中有着极其重要的作用。但是,表面镀锌层在镀锌钢激光焊接过程中极其容易被汽化和电离,降低了其耐腐蚀性能,且容易产生气孔、飞溅、塌陷、未熔合等焊接缺陷。激光深熔焊接过程中产生的光致等离子体与焊接过程的稳定性和焊接质量有着重要的联系。本文采用添加铜粉的方法来抑制镀锌钢激光焊接过程中产生的锌蒸汽和锌等离子体,主要研究了镀锌钢添粉焊接过程中的锌行为控制机理,并分析了焊接过程中焊接缺陷与光谱信号之间的相关性。论文首先搭建了基于多通道光谱信号采集系统的试验平台,在激光焊接试验过程中利用光谱测量系统采集光致等离子体光谱信号。其次,基于光谱仪采集的光谱信号选择合适的谱线计算等离子体的温度,分析了添加铜粉对等离子体温度的影响,发现添加铜粉可以降低等离子体温度的振荡幅度和平均温度。同时计算了不同添粉量时的等离子体电子密度和逆韧致辐射吸收系数,探究了添加不同铜粉量时孔外等离子体逆韧致辐射吸收导致的激光能量衰减量。结果表明:添加铜粉可以降低逆韧致辐射吸收系数和激光能量衰减量。再次,分析了焊缝纵截面、横截面、以及焊接气孔处的元素分布变化。结果表明:添加铜粉时焊缝区的铜元素和锌元素的含量变化趋势基本一致;添加的铜元素可以与锌发生固溶生成铜锌固溶体合金,减少了镀锌钢激光搭接焊时中间锌层的蒸发和锌等离子体的形成,在一定程度上抑制了焊接过程中的锌行为。最后,分析不同元素的特征谱线和焊接气孔,建立了焊接气孔与谱线CuⅠ324.8nm之间的对应相关性。研究结果将为镀锌钢激光添粉焊接过程的锌行为控制和焊接质量的实时监测提供了理论依据。
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