专利名称：一种镀锌钢板搭接激光焊接方法
技术领域：
本发明属于焊接技术领域，涉及一种高强度镀锌薄板激光搭接焊工艺。特别适用于高强度镀锌薄板激光搭接焊结构，如汽车车身装焊，家用电器外壳装焊以及其他要求耐腐蚀镀锌结构的激光焊接。
背景技术：
随着高强度镀锌钢板在汽车工业中的应用，常用的电阻焊接技术将会导致电极的早期失效和点焊质量的不稳定，这样目前在欧美，大多数汽车
制造业已经用C02激光和Nd:YAG激光焊接技术取代了电阻焊。但是，由于搭接结构易导致锌从两板贴合面大量蒸发，产生表面飞溅和焊缝气孔及缺肉，使焊件表面质量差，接头机械性能波动大，迫使一些企业不得不将搭接结构改为对接，由此导致模具等工艺和工装夹具的全面更新，使生产成本大幅度增加。这种策略多为新建制造厂所采用。由于薄钢板对接激光焊缝的装配要求极高的精度， 一些汽车制造企业仍然采用搭接结构，但在焊前将贴合面的镀锌层用刀具刮除，这样虽然防止了飞溅，但导致耐腐蚀能力下降，进而使使用寿命减少。
钢板贴合面的锌涂层在钢的熔点温度时将沸腾并产生几个大气压的蒸气压力，因此，如果这个蒸气是被困在卡具夹紧的钢板之间，它会通过焊接熔池或穿孔喷出，导致液态金属周期性喷溅。由此产生的焊接过程的不稳定和焊缝气孔及缺肉问题是在激光搭接焊各系列镀锌钢板时共同存在的。为了使锌蒸汽能从两板贴合面逸出，有人研究让两板间留一个0.1-
0.2mm的间隙，提供一个锌蒸汽通道来解决飞溅问题。但板材厚度0.5-2毫米时，很难保证间隙的均匀一致，在焊接过程中薄板会产生波浪变形，更难保证间隙的一致性。所以这种方法在高强度镀锌薄钢板激光焊接中没有得到应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种镀锌钢板搭接激光焊接方法，该方法可以获得高强度，表面光洁和高耐腐蚀的焊接接头。
本发明提供的镀锌钢板搭接激光焊接方法，其步骤包括
第1步将宽度为8-10mm、厚度为0.02-0.03mm的Al-Sn合金箔放置
在两块钢板的搭接贴合面之间，Al-Sn合金箔中Sn的质量百分比为35 -
45wt%;
第2步以两块钢板的搭接贴合面为焊缝，利用低功率激光束和高功率激光束将两块钢板焊接在一起，其中，所述低功率激光束的功率为2-3KW，高功率激光束的功率为3-4KW，且二者的功率差为1-1.5 KW;以扫描方向为基准，低功率激光束位于高功率激光束的前方，二者的间距为20-50mm，激光焊接速度为4-8m/min，激光束的光斑直径小于等于0.5mm。
与现有技术相比，本发明具有以下特点(1 )本发明可以利用由C02激光器或Nd:YAG激光器和两激光枪构成的双束激光焊接机等现成技术，按照本发明方法的要求进行安装，就可以实现焊接。因此，本发明方法所使用的设备简单，生产成本低，焊接质量稳定。
(2)所获得的焊缝强度大于基体金属的强度，表面无飞溅，焊缝耐腐蚀性比刮出法高3倍以上。本发明方法使用Al-Sn合金箔，因Al-Sn合金有良好的塑性，只要在制造铸锭时防止偏析和细化晶粒，就可以像制造Al箔或Sn箔一样制造Al-Sn合金箔。主要是使其熔点接近Zn的419'C熔点。使Al-Sn合金能与Zn涂层快速合金化。因激光加热速度极高，否则在第二束高功率激光束到来时，未合金化的Zn同样将产生蒸发而导致飞溅和气孔等缺陷。
(3 )本发明可以用于激光焊接DP系列，TRIP系列以及HSLA系列的热镀锌钢板的搭接焊缝，并实现焊接生产的高效率，低污染和低废料。
图1为夹层铝合金薄膜放置位置及双束激光布置示意图；图中，1为铝合金箔，2为镀锌薄钢板，3为高功率激光束，4为低功率激光束；图2为利用本发明方法得到的焊缝表面质量图(使用C02激光器)；图3为利用本发明方法得到的焊缝的横截面的金相组织图(使用C02激光器)；
图4为利用本发明方法得到的焊缝表面质量图(使用Nd-YAG激光器)；图5为利用本发明方法得到的焊缝的横截面的金相组织图(使用Nd-YAG激光器)；
具体实施例方式
本发明提供的激光镀锌钢板搭接焊方法采用化学冶金与物理冶金相结合的方法，首先利用低功率激光束将两板贴合面处的锌涂层与高沸点的铝合金(0.02-0.03mm薄膜)混合形成高沸点的Al-Zn-Fe-Sn合金，紧跟其后的是高功率激光束加热实现熔化焊接。可以获得高强度，表面光洁和高耐腐蚀的焊接接头。成本比刮出镀锌层低。
本发明的夹层材料为以A1为基体，含有Sn的合金箔，其中Sn含量为35-45wt%，余量为Al。 Sn的主要作用是降低熔点，同时为了制造箔的方便，他不应该与Al形成金属间化合物，保证所获得的合金有高的塑性。这种Ai-Sn A仝，各的'^占^r 4sn;nrrr
采用本发明的铝合金箔夹层材料在低功率激光作用下，可以与锌涂层
形成Zn-0.3Al-0.15Sn-0.05Fe合金(原子百分数)，其沸点达到160(TC以上。从而有效地防止了锌的蒸发，为后续高功率激光的稳定焊接创造了良好条件。
沸点的计算方法为
BT=0.3 x2450+0.15 x2200+0.05 x3 500+0.5 x907= 1644 °C
高功率激光枪的配置主要根据焊缝的形式，但要保证与低功率激光枪间的距离为20mm至50mm，也可以将激光枪倾斜一定的角度(10-30G)，通常焊速低时，间距可以小，而焊速高时距离应调大。以保证合金化过程进行充分。
具体实施本发明方法时，可以以工业C02激光器或Nd:YAG激光器为主体，采用双束激光焊接机的激光枪，也可以将二个激光枪配置独立地安装在两台操作机上。调整两激光枪的间距为20mm至50mm。其激光器的额定输出功率为3KW和4KW。
低功率(2-3KW)的激光束先进行合金化处理，使贴合面的锌涂层转变为Al-Zn-Fe-Sn合金。使沸点达到1600'C以上。防止后续激光焊接时产生锌沸腾。焊接速度根据板厚度进行调整，通常4-8m/min。紧跟着用高功率(3-4KW)的激光束进行焊接，使焊接熔池深度达到1.5-2倍的单板厚度，焊接速度根据板厚度进行调整，通常4-8m/min，以便获得优质焊接接头。
实施例1 DP600双面热镀锌钢板的Nd:YAG激光搭接焊
板厚度lmm，双面镀锌层厚度0.01mm。搭接量10mm,采用8mm宽度的Al-Sn箔，第一束激光功率为2KW，第二束激光功率为3KW,焦点直径0.5mm.焊接速度4m/min.焊后表面无飞溅物(图2)，焊缝无气孔和缺肉(图3)。焊接接头单位长度的拉剪负荷达到650N/mm。实施例2 HSLA450双面热镀锌钢板的CCV激光搭接焊
板厚度lmm，双面镀锌层厚度0.01mm。搭接量8mm，采用8mm宽度
的A1-Sn箔，第一束激光功率为3KW,第二束激光功率为4KW，焦点直径
0.5mm.焊接速度7m/min.焊后表面无飞溅物(图4)，焊缝无气孔和缺肉(图
5)。焊接接头单位长度的拉剪负荷达到480N/mm。
实例1和2中所使用的Al-Sn合金箔的制造方法如下
1. 将铝锭在电阻坩埚炉中于700-720'C熔化；
2. 加入配好的锡锭，待熔化均匀后将温度降为520-55(TC即可浇注。
3. 用金属模浇注，实现快速凝固。
4. 铸锭坯加热到300-32(TC，在锻锤上进行镦粗和拔长。 将所获得的Al- (35-40) wt%Sn合金锻坯按照制造铝箔一样的方法做
成A1-Sn合金箔(厚度为0.02-0.03mm)，其熔点为450-500°C 。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施 例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等 效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种镀锌钢板搭接激光焊接方法，其步骤包括第1步将宽度为8-10mm、厚度为0.02-0.03mm的Al-Sn合金箔放置在两块钢板的搭接贴合面之间，Al-Sn合金箔中Sn的质量百分比为35-45wt％；第2步以两块钢板的搭接贴合面为焊缝，利用低功率激光束和高功率激光束将两块钢板焊接在一起，其中，所述低功率激光束的功率为2-3KW，高功率激光束的功率为3-4KW，且二者的功率差为1-1.5KW；以扫描方向为基准，低功率激光束位于高功率激光束的前方，二者的间距为20-50mm，激光焊接速度为4-8m/min，激光束的光斑直径小于等于0.5mm。
2 、根据权利要求1所述的镀锌钢板搭接激光焊接方法，其特征在于: 所述Al-Sn合金箔的制度方法为① 将铝锭在坩埚炉中于熔化后，加入锡锭，Sn的质量百分比为35 -45wt%，待熔化均匀后将温度降为520-550°C;② 用金属模浇注，使其快速凝固成Al-Sn合金锭坯；③ 将Al-Sn合金锭坯再加热到300-35(TC后，进行镦粗和拔长，使其 晶粒细化，得到Al-Sn合金锻坯；④ 将Al-Sn合金锻坯制成Al-Sn合金箔。
全文摘要
本发明公开了一种镀锌钢板搭接激光焊接方法，该方法将含Sn量为35-45wt％的Al-Sn合金箔放置在钢板搭接面之间，再利用功率分别为2-3KW和3-4KW的二束激光束对焊缝进行焊接，激光束的间距为20-50mm，焊接速度为4-8m/min。本发明生产成本低，焊接质量稳定，所获得的焊缝强度大于基体金属的强度，表面无飞溅，焊缝耐腐蚀性比刮出法高3倍以上。本发明可以用于激光焊接DP系列，TRIP系列以及HSLA系列的热镀锌钢板的搭接焊缝，并实现焊接生产的高效率，低污染和低废料。
文档编号C22C1/02GK101508058SQ20091006109
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月9日 优先权日2009年3月9日
发明者立 周, 周世权, 汪春华, 贝恩海 申请人:华中科技大学