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【技術電子報】鍍鋅鋼板於雷射螺旋焊接時發生的飛濺現象研究

資料來源：

Shengjie Deng, et al. Investigation of spatter occurrence in remote laser spiral welding of zinc-coated steels. (2019) https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.06.009.

問題描述

  • 在零間隙的鍍鋅鋼板雷射焊接過程中，鍍鋅層會氣化，並且堆積在接合面之間

  • 如果沒有排氣通道，鋅蒸氣會繼續累積，並且夾帶到鋼水熔池中，造成飛濺

  • 鋅蒸氣同時會影響熔池形成與製程的穩定性

  • 以 FLOW-3D WELD 模擬，以預測鋅壓力的影響，以及分析匙孔的形成

重新設計焊接製程，以減少造成飛濺區域的鋅蒸氣壓，並且維持足夠的匙孔開孔


FLOW-3D 的數值模型

實驗和模型設置

（a）雷射設定

（b）FLOW-3D WELD模型設定

（c）雷射螺旋焊接設定

（d）雷射螺旋掃描路徑


鍍鋅鋼板在雷射焊接時，發生的物理現象示意圖
鍍鋅鋼板在雷射焊接時，發生的物理現象示意圖


數值模擬與實驗驗證

焊接截面比對(實驗與數值模型)

(a) Q = 3.9 kW, v = 8.5 m/min, defocus = 0 mm

(b) Q = 5.0 kW, v = 8.0 m/min, defocus = 0 mm

(c) Q = 3.9 kW, v = 7.0 m/min, defocus = 10 mm



數值比對

(a) 實驗數值

(b) 數值模擬

現象說明

當熔化金屬與匙孔越過交接面時，累積的高壓鋅蒸氣作用在熔化金屬的表面，並且克服作用在表面的匙孔壓力，而造成飛濺現象。

從上面以高速攝影機拍攝與 FLOW-3D 模擬結果比對

(a) t = 1 ms, (b) t = 3 ms, (c) t = 7 ms, (d) t = 25 ms, (e) t = 150 ms, (f) t = 190 ms


利用焊接速度的調整進行改善

調整後的時程表

(a) 調整後的功率大小隨時間改變

(b) 功率大小顯示



原始參數與調整參數的實驗及模擬結果比對

調整參數厚表面平整，無飛濺現象發生


結論

  • 接合處的瞬間高壓鋅蒸氣會導致熔池波動與飛濺現象

  • 接合處計算出的新蒸氣壓可以預測飛濺的形成，並可以用來調整焊接速度設定

  • 對螺旋焊接中的初始線能量進行限制，以避免鋅蒸氣壓力的增加。這可以減少焊接穿透時造成的飛濺現象

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