薄壁金屬包裝材料激光焊接工藝

目前，國內三片罐主要采用傳統電阻熔焊，激光焊接應用不多。在用這些傳統焊接工藝焊接金屬包裝容器時，由于能量密度不是很大，熱源面積大，因而熱影響區大。馬口鐵經焊接后，由于焊接高溫的影響，會在內外壁上形成一條沒有保護涂料和鍍層的鐵帶，會被空氣氧化變黑，也極易受罐內容物的腐蝕。為了提高焊接部位的耐蝕性，焊接后必須對焊縫進行噴氮(高純氮)處理，并進行焊縫補涂。如果焊接質量不高就會造成焊接表面不平，使補涂工藝難以控制，形成砂眼或氣泡等補涂缺陷，由此就難免發生焊縫生銹或滲漏等問題。另外，熔焊時電流過大，易產生毛刺，如補涂層不能完全將毛刺覆蓋，由此而導致毛刺周邊腐蝕、穿孔、泄漏。而電流過小，易導致焊接不牢或焊不上，即虛焊，從而造成泄漏。激光焊接技術能有效的解決這些問題，國外在小型薄壁金屬包裝容器(如三片罐)的激光加工技術已趨于成熟，而我國在此方面還處于探索階段。我國的激光焊接系統主要依賴于進口，而且焊接工藝也不成熟。國外激光焊接系統供應商有可能提供某一套特定的工藝參數，但是，因為制罐所采用的鋼板壁厚、成分和鍍層金屬等會有所變化，因而系統供應商提供的工藝參數大多不能使用。這樣，大大地制約了激光焊接工藝在金屬包裝容器制造中的應用。所以，必須研究工藝參數、鋼板(皮)厚度、成分和鍍層金屬對金屬包裝容器激光焊接的影響規律，為金屬包裝容器材料制定合適的激光焊接工藝，實現激光焊接工藝參數的預選和優化，減少工藝試驗的次數，判斷焊接工藝參數深熔焊熔透穩定性，防止焊接缺陷，保證食品衛生安全都有十分重要的意義。

1973年Swift-Hook最早對激光焊接傳熱進行了研究報道，自此10年間所建立的模型基本上都是基于二維或半無限大板進行計算，初步分析了小孔內部能量平衡及壓力平衡，但由于模型過于簡單，所得出的結論具有片面性，也與實際結果存在較大的誤差。l991年N．Postaci091u建立了三維準穩態模型模擬了激光未穿透焊接熔池的液態金屬流動過程，綜合考慮了浮力和表面張力梯度作為金屬流動的驅動力。2001年熊建鋼通過解析法對未穿透焊接模型進行了研究，通過求解“液一汽”、“固一液”界面的相變界面來獲得小孔及熔池形貌，對菲涅爾吸收機制進行了深入的研究。該模型能用于計算激光焊接工藝參數對小孔及熔池形狀的影響。2004年杜漢斌建立了一個三維準穩態激光穿透焊熔池流動模型，考慮了等離子體及小孔效應對焊接過程的影響，采用該模型，能夠預測不同激光工藝參數下的焊接熔池溫度分布及焊接接頭形貌。

激光焊接焊縫合金元素的損失主要是易揮發性合金元素的蒸發和燒損。對于焊接熔池中合金元素的蒸發，不管是從實驗的角度，還是從理論分析的角度都已經有了大量的研究工作。而對金屬包裝材料激光焊接焊縫合金元素的損失研究尚未見系統的報道。首先是很多科學工作者研究了其他類型焊接的合金元素損失。如電子束焊接Al合金時合金元素Mg和zn的蒸發損失；根據解存在于焊接熔池氣液界面以上一個薄層…努森層(Knudsen)的質量、動量和能量守恒方程，提出了解純金屬蒸發及凝結率的方程；利用前人的結果計算了激光焊接Al合金、Ti合金和超合金時激光致材料蒸發率；在計算純金屬的光致蒸發率時綜合考慮了焊接熔池傳遞現象的基本原理和汽相動力學原理。綜上所述可以歸納為如下幾點：計算合金元素蒸發率的數學模型一定要考慮邊界條件；溫度場可被作為一維來處理的，而且考慮蒸汽凝結的條件下，重點計算的是凈蒸發率；綜合考慮光致蒸發率、蒸汽凝結率和等離子體的影響；通過解Navier-StokeS方程和能量守恒方程可得到焊接熔池的溫度場和速度場，結合蒸汽分子的速度分布函數、質量、動量和能量守恒方程計算出合金元素的蒸發率和凝結率，從而計算合金元素的損失。2002年胡強利用前人的研究成果并對成分預測模型進行了一定的修正，對激光深熔焊焊接焊縫成分變化進行了建模，充分考慮了對焊縫合金成分變化起作用的各種因素的影響，模型預測結果與實驗結果吻合較好。至今，高功率激光焊接的應用越來越廣，而現有的研究焊縫合金元素損失的模型大多都建立在激光熱傳導焊接的基礎上，因此對金屬包裝材料深熔焊接物理過程進行分析，分析其焊縫成分和組織性能變化規律，對指導金屬包裝工業生產具有極大的經濟效益。

目前，國內對激光焊接中焊縫組織形成機制的研究有很多，研究重在組織轉變機制及性能的變化上，內包裝物對激光焊縫的腐蝕性及焊縫成分對包裝物的遷移和包裝物中金屬殘留物的成分分析尚缺乏系統的研究。王曉華等對食品容器、包裝材料的安全隱患及其控制措施進行了初步的探討；李紅梅等將計算機技術應用于金屬包裝材料抗腐蝕性能的分析中；楊文亮對新型金屬包裝材料涂層鋼板及其發展作了介紹。對蘆筍罐頭容器材料內壁腐蝕失效進行了分析。而更深入的研究尚未見報道。影響組織轉變的因素有很多，對于激光焊接一個重要的特點就是焊縫冷卻速度極快，容易形成非平衡組織。組織的不同對焊縫中熱裂紋有很大的影響，充分理解焊縫組織的轉變機制對獲得理想性能的焊縫具有很重要的意義。

薄壁金屬包裝容器激光加工特性

(1)可實現高速焊接、簡化工序。激光束經過聚焦后，其光斑尺寸在0．1mm以下，但功率密度可達到l06～108w／cm2，比傳統焊接工藝的功率密度高幾個數量級。由于激光功率密度大，在金屬材料上形成小孔，激光能量通過小孔往工件的深部傳輸，而較少橫向擴散，因而在激光束的一次掃描過程中，材料熔合的深度大，焊接速度快，焊縫深而窄，熱影響區小，可以實現高速焊接．用激光焊接黑鐵皮、馬口鐵對接焊的表面光滑。

(2)焊縫光滑美觀，可避免金屬罐變形。焊縫是因為兩塊母材之間搭接區域的材料(或填料)被加熱熔化然后凝固形成的。激光焊接時，因為功率密度大，接頭部位材料能迅速熔化，所以焊接時熱影響區很小，能夠避免容器變形、內外壁涂層受損。又由于激光束快速移開而快速凝固。在冷卻過程中，由于光斑很小，加熱時間又很短，焊縫周圍溫度梯度很大，因而焊縫冷卻速度很大，形成細小的晶粒。激光焊接薄板時，一一般不添加填料，因而焊縫材質就是母材材質。而由于晶粒細小，焊縫性能可以達到或超過母材。

(3)對于鍍鉻薄鋼板，由于不能進行錫焊，更加需要考慮應用激光焊接工藝。另外，金屬容器罐裝后需要封口。目前大多采用封口膠。但是，封口后有時緊密度不夠，產生泄漏。而激光焊接后，因為焊縫強度高，能經受較高應力作用，在儲運過程中不易破損、泄漏。

可產生良好的社會和經濟效益

激光焊接技術應用于金屬包裝容器可以產生良好的經濟效益：熔深大，能夠焊透鋼板，而且焊縫組織細密，性能好，因而可以得到高質量的焊接，有利于避免金屬包裝容器的破損、內容物的泄漏，減少企業和顧客的損失；焊接速度大，可以顯著提高生產率；熱影響區小，焊件變形小，特別適合精密焊接，且焊縫表面光滑無毛刺，可以免除焊后矯形、加工工藝；焊接系統具有高度的柔性，易于實現自動化；雖然激光器的電光能量轉換總效率只有10％，但是由于光斑小，功率密度大，激光焊接所需的能量比傳統焊接小一個數量級，因而日常運行費用不比傳統焊接高，加之激光焊接速度大，因而能夠降低單位成本。

同樣也可以產生良好的社會效益：激光焊接一般不加填充金屬，不污染環境。高質量的焊接能夠有效地防止內容物的腐敗變質，保障食用者的身體健康。用激光焊接得到的優質的產品包裝有利于提高企業聲譽，促進產品出口，將改變主要依靠引進國外先進激光焊接設備的狀況，通過吸收和開發形成自己的創新技術。