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Research on laser welding of high-strength galvanized automobile steel sheet

L. Mei, G. Chen, X. Jin, Y. Zhang, Q. Wu, Optics and Laser in Engineering, vol.47, pp.1117-1124, 2009.

指導教授 : 郭聰源學生 : 李建賢2013/6/26

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.壹 前言

.貳 實驗過程

.參 結果與討論

.肆 結論

大鋼

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前言汽車產業為追求輕量化、環保及安全性等，近幾年積極尋找新材料及新成形方法，希望能在不增加成本的情況下，可以減輕重量，且又能保持原有功能強度及耐衝擊性。高張力鍍鋅鋼板在高低溫時都具有良好的強度及韌性，以及高抗磨損與耐腐蝕性，在學術和工業界都引起重視。在車身結構上，高張力鍍鋅鋼板比起普通鋼能減輕車身重量及提高安全性，因此被選為車身理想材料。銲接車身的 TIG 銲接、 MIG 銲接等傳統技術雖已使用多年，但卻有以下缺點：

過大的熔融及熱影響區、材料過大收縮及變形、容易產生裂縫及多孔隙。雷射銲接具有以下優點：高能量光束集中、銲接速度快、熱影響區小、銲道細、每單位體積熱輸入量低等。本文將使用 PHC-1500 CO2 雷射銲接機，以最佳參數銲接高張力鍍鋅鋼板，並進行銲道微觀組織、拉伸強度及微硬度測試分析。

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二、實驗過程 - 實驗材料及參數

表 2. 材料化學性質表

表 3. 材料機械性質表

•實驗材料：高張力鍍鋅鋼板•工件尺寸： 100 × 30 × 1.5 mm

•表面鋅質量： 140 g/m2

•保護氣體： Ar

• 最佳參數雷射功率： 1300 W離焦： -0.4 mm銲接走速： 1.0 m/min同軸吹送流量： 2.5 m3/h側吹吹送流量： 1.8 m3/h側吹角度： 30°

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二、實驗過程 -CO2 雷射機設置•從文獻可看到，在銲接鍍鋅鋼板時鍍鋅層會蒸發成汽化鋅 ( 鋅蒸發溫度 906℃ 、鋼熔化溫度 1583 )℃ ，因此：當鋼材間隙過小：汽化鋅無法排出，殘留在銲道形成氣孔。當鋼材間隙過大：銲道外觀差。

•根據文獻，最佳間隙為工件厚度的 10 ％•此實驗最佳間隙： 0.10-0.15 mm

圖 1.CO2 雷射銲接機 圖 2. 自製夾具示意圖 圖 3. 雷射銲接示意圖

表 1.CO2 雷射銲接機參數規格

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1. 雷射功率2. 銲接走速3. 焦點位置4. 汽化鋅5. EDS 分析6. 拉伸試驗7. 硬度試驗

結果與討論

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三、結果與討論 - 雷射功率

圖 3. 雷射功率與銲道深寬曲線圖

•功率 1200 W 時，聚焦點能量密度達 8.7 ×105 W/cm2

•當功率超過 1200 W ，銲道深度接近板材厚度。•雷射功率愈低，氣孔數量愈少。•在能銲接成功的情況下，低功率銲接能減少汽化蒸發，抑制氣孔形成。

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三、結果與討論 - 銲接走速

圖 4. 銲道形貌 (a) v ＝ 1.2 m/min ； (b) v ＝ 0.6 m/min 。

•銲接走速愈高→銲道深度愈淺、寬度愈小。•銲接走速高能夠減少熔融金屬的漣漪，但容易造成銲道形成不完全。•走速 1.2 m/min→ 深度太淺，無法貫穿板材。•走速 0.6 m/min→ 深度夠，銲道貫穿板材，但因走速過慢，銲道表面過度汽化而產生下沉，並且銲道過寬，容易產生氣孔缺陷。

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三、結果與討論 - 焦點位置

圖 5. 焦點位置與銲道深度曲線圖

•焦點位置愈下面→銲道深度愈深。•焦點位置於 0.4 mm 時→銲道深度最深。•位置 0.4 mm 以下時→深度變淺。•因焦點太低於工件表面時，材料內部能量密度高於表面，造成內部劇烈熔化和汽化，銲接區表面附近反而熔化不完全。•若焦點太高於工件表面，光點過大而造成能量密度低於底線值，而使深度減小。

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三、結果與討論 - 汽化鋅

圖 6. 銲接示意圖 圖 7. 微觀組織 - 銲道氣孔

•鋅汽化時會在材料內產生壓力，而使電漿劇烈流動，進而產生飛濺與氣孔，也會使銲道熱影響區擴大，降低銲接品質與穩定性。•使用同軸及側吹保護氣體，能降低電漿劇烈流動，提高銲道品質。•銲接速度太快→熔池重新固化時間短→汽化鋅或工件表面水分解為氫→生成氣孔。

圖 8. 微觀組織 - 銲道無氣孔

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三、結果與討論 -EDS 分析

圖 9.EDS 分析 -基材 圖 10.EDS 分析 - 熱影響區

圖 11.EDS 分析 - 銲道

•Mn 、 Cr波峰顯著：融合區＞熱影響區銲道的元素分佈不平均。•銲接冷卻速度太快，使元素來不及擴散到其他區域。•銲道中的 Mn 和 Cr元素，有利於提高耐腐蝕性與拉伸強度。

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三、結果與討論 - 拉伸試驗

圖 12. 拉伸試驗斷裂位置

降伏強度 (MPa) 拉伸強度 (MPa)( 最高只到980)

銲道 母材 銲道 母材780 590 1280 1260

表 4. 拉伸試驗比較表•拉伸結果顯示，斷裂處大多在靠近母材的熱影響區附近，因此銲道強度高於母材。

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三、結果與討論 - 硬度試驗

圖 13. 硬度測試點位置 (1)母材 (2) 熱影響區 (3) 融合區 圖 14. 銲道硬度曲線圖

•荷重： 400 g ；保持時間： 5 s ；每個區域打 3-5次，並計算平均值。•母材、熱影響區、融合區分別為 271 、 441 、 438 (HV) 銲接時熱影響區不軟化。•在雷射銲接時快速加熱與冷卻，能防止銲道剛性受到應力集中的影響。

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三、結果與討論 - 微觀組織

圖 15. 微觀組織圖

•融合區：上變韌鐵＋低碳麻田散鐵•熱影響區：上變韌鐵 + 低碳麻田散鐵 +肥粒鐵

(a) 融合區 (b) 熱影響區

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四、結論1. 實驗結果顯示，能得到良好銲道品質的最佳參數如下：

• 雷射功率為 1300 W• 離焦為 -0.4 mm• 銲接走速為 1.0 m/min• 同軸保護氣體流量為 2.5 m3/h• 側吹保護氣體流量為 1.8 m3/h• 側吹角度為 30°

2. 使用側吹式保護氣體，能有效抑制電漿劇烈流動，及減少汽化鋅殘留在銲道。3. 雷射銲接時，由於高銲接速度，使融合區形成的晶粒較細，因此硬度值銲道大於母材。4. 拉伸試驗結果顯示，銲道拉伸及降伏強度皆大於母材；而銲道中的 Mn 和 Cr元素能有效提高耐腐蝕性及強度。