薄壁金属包装材料激光焊接工艺

目前，国内三片罐主要采用传统电阻熔焊，激光焊接应用不多。在用这些传统焊接工艺焊接金属包装容器时，由于能量密度不是很大，热源面积大，因而热影响区大。马口铁经焊接后，由于焊接高温的影响，会在内外壁上形成一条没有保护涂料和镀层的铁带，会被空气氧化变黑，也极易受罐内容物的腐蚀。为了提高焊接部位的耐蚀性，焊接后必须对焊缝进行喷氮(高纯氮)处理，并进行焊缝补涂。如果焊接质量不高就会造成焊接表面不平，使补涂工艺难以控制，形成砂眼或气泡等补涂缺陷，由此就难免发生焊缝生锈或渗漏等问题。另外，熔焊时电流过大，易产生毛刺，如补涂层不能完全将毛刺覆盖，由此而导致毛刺周边腐蚀、穿孔、泄漏。而电流过小，易导致焊接不牢或焊不上，即虚焊，从而造成泄漏。激光焊接技术能有效的解决这些问题，国外在小型薄壁金属包装容器(如三片罐)的激光加工技术已趋于成熟，而我国在此方面还处于探索阶段。我国的激光焊接系统主要依赖于进口，而且焊接工艺也不成熟。国外激光焊接系统供应商有可能提供某一套特定的工艺参数，但是，因为制罐所采用的钢板壁厚、成分和镀层金属等会有所变化，因而系统供应商提供的工艺参数大多不能使用。这样，大大地制约了激光焊接工艺在金属包装容器制造中的应用。所以，必须研究工艺参数、钢板(皮)厚度、成分和镀层金属对金属包装容器激光焊接的影响规律，为金属包装容器材料制定合适的激光焊接工艺，实现激光焊接工艺参数的预选和优化，减少工艺试验的次数，判断焊接工艺参数深熔焊熔透稳定性，防止焊接缺陷，保证食品卫生安全都有十分重要的意义。

1973年Swift-Hook最早对激光焊接传热进行了研究报道，自此10年间所建立的模型基本上都是基于二维或半无限大板进行计算，初步分析了小孔内部能量平衡及压力平衡，但由于模型过于简单，所得出的结论具有片面性，也与实际结果存在较大的误差。l991年N．Postaci091u建立了三维准稳态模型模拟了激光未穿透焊接熔池的液态金属流动过程，综合考虑了浮力和表面张力梯度作为金属流动的驱动力。2001年熊建钢通过解析法对未穿透焊接模型进行了研究，通过求解“液一汽”、“固一液”界面的相变界面来获得小孔及熔池形貌，对菲涅尔吸收机制进行了深入的研究。该模型能用于计算激光焊接工艺参数对小孔及熔池形状的影响。2004年杜汉斌建立了一个三维准稳态激光穿透焊熔池流动模型，考虑了等离子体及小孔效应对焊接过程的影响，采用该模型，能够预测不同激光工艺参数下的焊接熔池温度分布及焊接接头形貌。

激光焊接焊缝合金元素的损失主要是易挥发性合金元素的蒸发和烧损。对于焊接熔池中合金元素的蒸发，不管是从实验的角度，还是从理论分析的角度都已经有了大量的研究工作。而对金属包装材料激光焊接焊缝合金元素的损失研究尚未见系统的报道。首先是很多科学工作者研究了其他类型焊接的合金元素损失。如电子束焊接Al合金时合金元素Mg和zn的蒸发损失；根据解存在于焊接熔池气液界面以上一个薄层…努森层(Knudsen)的质量、动量和能量守恒方程，提出了解纯金属蒸发及凝结率的方程；利用前人的结果计算了激光焊接Al合金、Ti合金和超合金时激光致材料蒸发率；在计算纯金属的光致蒸发率时综合考虑了焊接熔池传递现象的基本原理和汽相动力学原理。综上所述可以归纳为如下几点：计算合金元素蒸发率的数学模型一定要考虑边界条件；温度场可被作为一维来处理的，而且考虑蒸汽凝结的条件下，重点计算的是净蒸发率；综合考虑光致蒸发率、蒸汽凝结率和等离子体的影响；通过解Navier-StokeS方程和能量守恒方程可得到焊接熔池的温度场和速度场，结合蒸汽分子的速度分布函数、质量、动量和能量守恒方程计算出合金元素的蒸发率和凝结率，从而计算合金元素的损失。2002年胡强利用前人的研究成果并对成分预测模型进行了一定的修正，对激光深熔焊焊接焊缝成分变化进行了建模，充分考虑了对焊缝合金成分变化起作用的各种因素的影响，模型预测结果与实验结果吻合较好。至今，高功率激光焊接的应用越来越广，而现有的研究焊缝合金元素损失的模型大多都建立在激光热传导焊接的基础上，因此对金属包装材料深熔焊接物理过程进行分析，分析其焊缝成分和组织性能变化规律，对指导金属包装工业生产具有极大的经济效益。

目前，国内对激光焊接中焊缝组织形成机制的研究有很多，研究重在组织转变机制及性能的变化上，内包装物对激光焊缝的腐蚀性及焊缝成分对包装物的迁移和包装物中金属残留物的成分分析尚缺乏系统的研究。王晓华等对食品容器、包装材料的安全隐患及其控制措施进行了初步的探讨；李红梅等将计算机技术应用于金属包装材料抗腐蚀性能的分析中；杨文亮对新型金属包装材料涂层钢板及其发展作了介绍。对芦笋罐头容器材料内壁腐蚀失效进行了分析。而更深入的研究尚未见报道。影响组织转变的因素有很多，对于激光焊接一个重要的特点就是焊缝冷却速度极快，容易形成非平衡组织。组织的不同对焊缝中热裂纹有很大的影响，充分理解焊缝组织的转变机制对获得理想性能的焊缝具有很重要的意义。

薄壁金属包装容器激光加工特性

(1)可实现高速焊接、简化工序。激光束经过聚焦后，其光斑尺寸在0．1mm以下，但功率密度可达到l06～108w／cm2，比传统焊接工艺的功率密度高几个数量级。由于激光功率密度大，在金属材料上形成小孔，激光能量通过小孔往工件的深部传输，而较少横向扩散，因而在激光束的一次扫描过程中，材料熔合的深度大，焊接速度快，焊缝深而窄，热影响区小，可以实现高速焊接．用激光焊接黑铁皮、马口铁对接焊的表面光滑。

(2)焊缝光滑美观，可避免金属罐变形。焊缝是因为两块母材之间搭接区域的材料(或填料)被加热熔化然后凝固形成的。激光焊接时，因为功率密度大，接头部位材料能迅速熔化，所以焊接时热影响区很小，能够避免容器变形、内外壁涂层受损。又由于激光束快速移开而快速凝固。在冷却过程中，由于光斑很小，加热时间又很短，焊缝周围温度梯度很大，因而焊缝冷却速度很大，形成细小的晶粒。激光焊接薄板时，一一般不添加填料，因而焊缝材质就是母材材质。而由于晶粒细小，焊缝性能可以达到或超过母材。

(3)对于镀铬薄钢板，由于不能进行锡焊，更加需要考虑应用激光焊接工艺。另外，金属容器罐装后需要封口。目前大多采用封口胶。但是，封口后有时紧密度不够，产生泄漏。而激光焊接后，因为焊缝强度高，能经受较高应力作用，在储运过程中不易破损、泄漏。

可产生良好的社会和经济效益

激光焊接技术应用于金属包装容器可以产生良好的经济效益：熔深大，能够焊透钢板，而且焊缝组织细密，性能好，因而可以得到高质量的焊接，有利于避免金属包装容器的破损、内容物的泄漏，减少企业和顾客的损失；焊接速度大，可以显著提高生产率；热影响区小，焊件变形小，特别适合精密焊接，且焊缝表面光滑无毛刺，可以免除焊后矫形、加工工艺；焊接系统具有高度的柔性，易于实现自动化；虽然激光器的电光能量转换总效率只有10％，但是由于光斑小，功率密度大，激光焊接所需的能量比传统焊接小一个数量级，因而日常运行费用不比传统焊接高，加之激光焊接速度大，因而能够降低单位成本。

同样也可以产生良好的社会效益：激光焊接一般不加填充金属，不污染环境。高质量的焊接能够有效地防止内容物的腐败变质，保障食用者的身体健康。用激光焊接得到的优质的产品包装有利于提高企业声誉，促进产品出口，将改变主要依靠引进国外先进激光焊接设备的状况，通过吸收和开发形成自己的创新技术。