Laserové svařování pozinkovaných ocelových plechů s nulovou mezerou v přeplátované pozici

Abstract

Pozinkované ocelové plechy jsou dnes ve velké míře používané v automobilovém průmyslu pro svou výbornou odolnost proti korozi. Laserové svařování je stále více používáno, protože má mnoho výhod v porovnání s konvenčními svařovacími metodami. Nicméně laserové svařování pozinkovaných plechů s nulovou mezerou v přeplátované pozici je stále problematické. Teplota vypařovaní zinku (907 °C) je výrazně nižší než teplota tavení oceli (1530 °C), to způsobuje vznik vysokotlakých par zinku během svařování. V současné době se při svařování používá mezera mezi plechy, která slouží jako únikový kanál pro vypařený zinek. Řešení s mezerou však není uspokojivé, a proto je požadavek vytvořit nové řešení bez nutnosti mezery mezi plechy Bez přítomnosti mezery dochází k evakuaci par skrz keyhole a tavnou lázeň, což bez speciálních opatření způsobuje defekty degradující kvalitu svaru. Mechanismus odvodu vypařeného zinku skrz keyhole je nazývám jako balloon effect (BE) a mechanismus odvodu skrz tavnou lázeň jako melt pool effect (MPE). Chování procesu bylo pozorováno vysokorychlostní kamerou a závislost BE a MPE na rychlosti svařování byla analyzována. Z hlediska četnosti vyskytujících se defektů a jejich vážnosti byly charakterizovány čtyři módy procesu. Na základě experimentálního pozorování a rešerše současného stavu problematiky byly navrženy a zkoumány dvě strategie svařování s nulovou mezerou. První strategie využívá technologii BrigthLine Weld (BLW), kde lze díky duálnímu optickému vláknu modifikovat distribuci výkonu mezi jádrem a prstencem vlákna. BLW bylo zkoumáno s cílem stabilizovat keyhole a redukovat BE. Druhou strategií byla metoda double-pass method (DPM), kde je aplikováno svařování na dva průchody lišící se hloubkou průvaru. Cílem bylo zlepšit porozumění principu metody a ohodnotit její potenciál z hlediska kvality a produktivity. K určení chemického složení na kontaktním povrchu mezi plechy a k objasnění mechanismu, kterým je zinek ovlivněn, byla provedena EDS analýza. Oba průchody byly optimalizovány k dosažení dostatečné produktivity a šířky svaru. S optimalizovanou DPM bylo bez nutnosti mezery mezi plechy dosaženo svarů s vynikající kvalitou.

Zinc coated steels are broadly used in the automotive industry due to their excellent corrosion resistance. Laser welding, which offers many advantages over conventional welding methods, is utilized increasingly. However, laser welding of zinc-coated steels with zero-gap in overlap configuration remains a great challenge. The boiling point of zinc (907 °C) is far below the melting point of steel (1530 °C) and thus highly pressurized zinc vapor is readily developed during welding. In currently used approaches a gap is established between the sheets which serves as an escape channel for zinc vapor. Nevertheless, a solution with the gap is not satisfactory. Hence the solution that does not require the gap is demanded. When no gap is present zinc vapor degasses through the process zone. Without special precaution zinc degassing fails and defects, which degrade the quality of the weld seam are induced. Two failures of zinc degassing mechanisms are described in the literature as a root cause of the problem. Failure of the zinc degassing through the keyhole and through the melt pool are referred as balloon effect (BE) and melt pool effect (MPE), respectively. High-speed video imaging was utilized to monitor the process behavior in real time. The dependency of the BE and MPE on the welding speed was analyzed and four process modes were characterized in terms of occurring failures and their severity. Based on the experimental observations and state of the art review two welding strategies were proposed and investigated. The first welding strategy is utilizing the BrightLine Weld technology, where a dual 2in1 optical fiber is employed enabling modification of the power distribution between core and cladding of the fiber, was conducted with the desire to stabilize the keyhole and reduce the BE. Secondly a novel double-pass method (DPM), which elaborated on the already described welding approach where welding was performed with two passes with varying penetration depth, was employed aiming to improve the understanding of the method and investigate its capabilities in terms of speed and quality. Analysis with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was carried out to determine the chemical composition at the faying surface and to clarify the nature of the mechanism by which the zinc is affected. Both welding passes were optimized to achieve a sufficient welding speed and weld seam width. Welds with outstanding quality were achieved with optimized DPM without necessity for gap.