微束等離子弧焊在白車身中的應(yīng)用研究

周浪 談洋 魏其新 周振武

摘要：應(yīng)用于現(xiàn)代汽車工業(yè)中的焊接工藝種類繁多，微束等離子弧焊作為一種高能束焊接方法，具有焊接系統(tǒng)適用性廣、工藝穩(wěn)定性高、焊縫質(zhì)量好、焊接速度快及設(shè)備經(jīng)濟性強等優(yōu)點，其在白車身薄板零件的焊接方面發(fā)揮著不可替代的作用。本文將通過對鍍鋅薄鋼板微束等離子弧自動焊的主要工藝參數(shù)進行分析與調(diào)試，并結(jié)合相應(yīng)的實驗及焊縫接頭性能分析，從而為微束等離子弧焊工藝在白車身中的應(yīng)用提供一定的經(jīng)驗基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：微束等離子弧焊;白車身;工藝參數(shù)

引言

低碳鋼具有機械強度高，力學(xué)性能好，以及良好的機械加工性和焊接性等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。特別是在汽車工業(yè)中常會用到鍍鋅薄鋼板，這就需要考慮其薄壁件的焊接問題。對于鍍鋅薄板件外觀要求較高的焊縫，常用焊接方法有激光焊、電子束焊和微束等離子弧焊。激光焊和電子束焊的設(shè)備復(fù)雜且價格昂貴，一般被用于精密件的焊接;近年來，微束等離子弧焊技術(shù)已經(jīng)得到了極大發(fā)展與應(yīng)用，由于焊接系統(tǒng)適用性、穩(wěn)定性以及精密度的不斷提高，這種焊接技術(shù)越來越廣泛的被應(yīng)用于航空航天、汽車制造、交通工具、精密加工等諸多領(lǐng)域[1]，因而選擇經(jīng)濟性更高的微束等離子弧焊接具有很大的研究與應(yīng)用價值。

目前，微束等離子弧自動焊主要應(yīng)用于白車身的四門焊縫，車門屬于外觀面，對表面質(zhì)量要求很高，如果工藝參數(shù)范圍選擇不合理，往往會產(chǎn)生一定的變形、氣孔、燒穿、裂紋、弧坑等缺陷，從而嚴重影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。為提高四門鍍鋅薄板零件的焊接穩(wěn)定性與焊接質(zhì)量，滿足批量化生產(chǎn)的線速要求，迫切需要對鍍鋅薄鋼板微束等離子弧自動焊接工藝進行研究。

1 實驗材料、方法與設(shè)備

實驗所用材料是0.65mm、0.8 mm 的鍍鋅薄碳鋼，鍍鋅層要求均勻無破壞，實驗前用超聲波清洗除去材料表面的油污并吹干。焊接方法為微束等離子弧焊，采用銅焊絲搭接熔焊;焊接設(shè)備是精密微束等離子弧焊接系統(tǒng)，包括TransTig2200plasma焊機、PlasmaModule10等離子發(fā)生器、KD7000D-11送絲機、FK400水箱，焊接采用的離子氣和保護氣均為氬氣。

焊后對焊件焊縫的性能進行分析，主要包含焊接接頭微觀組織分析、焊縫熔池尺寸分析以及力學(xué)性能分析。微觀組織及熔池尺寸分析需主要是利用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡，研究搭接接頭表面、橫截面的形貌及焊縫尺寸;力學(xué)性能分析主要是對拉伸力學(xué)性能分析，選用設(shè)備分別為萬能拉伸試驗機。

2 主要工藝參數(shù)的分析

白車身的鍍鋅薄板焊接對焊接工藝要求很高：板材薄，要求焊機熱輸入量低、使工件不易燒穿;鋅為汽車保護層極易揮發(fā)，會影響電弧穩(wěn)定性，因而應(yīng)減少鋅層破壞，保證電弧穩(wěn)定性;實際生產(chǎn)過程中板材間隙匹配存在波動，對間隙要求容忍性較高;生產(chǎn)節(jié)拍高，要求引弧快捷、送絲可靠、焊接速度快，焊接質(zhì)量好、焊后工作少（如返修），間隙時間少（如更換易損件，更換焊絲等）。影響鍍鋅薄板Plasma焊接的參數(shù)很多，主要包括：離子氣流量、保護氣流量、起弧電流、焊接電流、收弧電流、送絲速度、焊接速度、噴嘴直徑與鎢極內(nèi)縮量、噴嘴距工件距離、導(dǎo)絲嘴距工件距離以及焊絲對中性[2]。

2.1離子氣流量

鎢極與等離子噴嘴之間利用高頻產(chǎn)生引導(dǎo)弧的過程，需要電離等離子氣體。為了保證起弧后等離子弧柱具有穩(wěn)定的能量且有利于焊縫的形成，離子氣流量必須保證在合理范圍內(nèi)。當?shù)入x子氣流量設(shè)得太大，而其他參數(shù)不變，焊接熔池的壓力會增加，這將會導(dǎo)致熔化的金屬從熔池中吹出，從而產(chǎn)生熔合不好或漏焊;如果流量太小，電弧剛性減弱，相反會影響熔池的形成，導(dǎo)致焊不透或背面成型不好，也可能導(dǎo)致等離子噴嘴燒損燒壞過程的加快。

2.2保護氣流量

為了避免鍍鋅薄鋼板在移動焊接過程中被空氣氧化，同時避免焊縫熔池不受其他雜質(zhì)的污染，plasma焊槍采用內(nèi)置通道通氣，直接將氬氣通往槍頭保護罩，實現(xiàn)實時保護。保護氣體流量要適當，過小保護效果不佳，流量過大對液態(tài)熔池產(chǎn)生一定擾動易產(chǎn)生飛濺，嚴重時會影響焊縫的凝固甚至產(chǎn)生巨大弧坑，因而必須選取合適的保護氣流量。

2.3起弧電流

當板件移動到焊點位置，鎢極與等離子噴嘴之間的引導(dǎo)弧會轉(zhuǎn)移到鎢極與板材之間，此時焊機會給個起弧電流產(chǎn)生焊接電弧。起弧電流一般為主弧電流的50%-100%。

2.4焊接電流

焊接電流決定著焊接熱功率，對焊縫的成形影響極大。在焊接速度恒定的條件下，如焊接電流過大，容易燒穿;焊接電流過小，焊絲熔化不良，造成焊縫虛焊、搭接不良。

2.5收弧電流

焊接結(jié)束前的電流即為收弧電流，對焊縫末尾的質(zhì)量影響很大。收弧電流過大，收弧點熔絲不足、能量過大，容易產(chǎn)生孔洞;收弧電流過小，收弧點斷絲無法熔化，會產(chǎn)生毛刺、粘絲。收弧電流一般為主弧電流的50%-100%。

2.6送絲速度

送絲機的送絲速度需要與焊接電流及焊接速度相適應(yīng)，一般設(shè)置在1.5-3 m/min。送絲速度過大，會造成焊絲來不及熔化，而堆積在焊縫中，嚴重影響焊縫的外觀及強度;送絲速度過小，會導(dǎo)致焊縫熔池液態(tài)金屬不足，造成焊縫搭接面過薄，嚴重時甚至導(dǎo)致漏焊。

2.7焊接速度

自動焊的焊接速度即機器人持件的移動速度，應(yīng)當與焊接電流及送絲速度相匹配，當其他焊接條件不變時，焊接速度決定焊接線能量的輸入，對焊接質(zhì)量的影響極大。焊接速度過大，導(dǎo)致焊絲來不及完全熔化，會造成熔池液態(tài)金屬不足，從而造成搭接不良、焊縫咬邊;焊接速度過小，能量輸入過大，會導(dǎo)致焊縫熔池溫度過高、組織異常長大，使焊接接頭的性能嚴重下降，此外甚至?xí)?dǎo)致焊縫燒穿。

2.8噴嘴直徑與鎢極內(nèi)縮量

焊槍噴嘴直徑與鎢極內(nèi)縮量直接影響著熱源的功率密度及加熱區(qū)域，合理的取值對焊接熱源的特性有著重要影響。噴嘴直徑的選擇與板材的厚度息息相關(guān)，在離子氣流量恒定的情況下，噴嘴孔徑過大，電弧剛性減弱，容易出現(xiàn)熔絲不良未焊透;噴嘴孔徑過小，電弧剛性增強，焊透過大，又容易產(chǎn)生燒穿。鎢極內(nèi)縮量過大，鎢極尖端距工件距離過大，會導(dǎo)致引弧失敗，從而無法焊接;內(nèi)縮量過小，會導(dǎo)致弧柱能量不集中。本實驗采用的是0.65mm、0.8 mm 的鍍鋅薄板，選擇導(dǎo)電嘴直徑1mm，鎢極內(nèi)縮量1.5-2mm。

2.9噴嘴距工件距離

噴嘴距工件距離直接影響著有效熱功率的輸入，當距離過大時無法焊透;當距離過小時，容易碰到焊件，這樣可能會造成焊槍的損壞。此外，保護氣體經(jīng)過噴嘴保護罩作用到焊接區(qū)域，為了提高鍍鋅薄鋼板焊接過程的氣體保護效果，噴嘴距工件的距離一般在4-6mm之間取值。

2.10導(dǎo)絲嘴距工件距離

導(dǎo)絲嘴介于工件與噴嘴之間，應(yīng)處于合適的位置。當導(dǎo)絲嘴距噴嘴距離過小時，熔絲容易粘附到導(dǎo)電嘴上，造成熄弧報錯;當導(dǎo)絲嘴距工件距離過小時，容易粘附熔絲、造成堵絲，此外由于零件波動容易碰到焊件，可能會造成焊槍的損壞。導(dǎo)絲嘴距工件的距離一般在2-3mm之間取值。

2.11焊絲對中性

焊絲對中性是指電弧中心與焊絲中心的垂直重合度，重合度越高，電弧熱源作用在焊絲上的有效熱量越高，熱源的有效利用率越高。一般來講，焊絲對中性越高越好。

3實驗結(jié)果與分析

微束等離子弧焊的工藝參數(shù)眾多，各參數(shù)必須相互適配，經(jīng)過大量調(diào)試與試驗分析，獲得的適合0.65-0.8mm薄板鍍鋅鋼板的焊接工藝參數(shù)如下表1。采用下表參數(shù)所制造的焊件焊縫外觀質(zhì)量良好，下面將對焊件焊縫的尺寸及組織性能進行分析。

3.1焊接接頭微觀組織

焊縫接頭的微觀組織對焊件質(zhì)量起著決定性的作用，下面將對搭接接頭表面及橫截面內(nèi)不同區(qū)域的微觀組織進行分析。在微束等離子弧焊接過程中，焊接接頭不同區(qū)域所受溫度的影響差異很大，從而使焊接接頭不同區(qū)域內(nèi)的組織大小形態(tài)有很大差別。本實驗所得鍍鋅薄鋼板焊接接頭表面及橫截面的金相組織分別如圖1及圖2所示（其中圖（a）、（b）、（c） 、（d）分別為焊縫、熔合線、熱影響區(qū)及遠離焊縫處母材的金相微觀組織）。從圖中可以觀察到，接頭表面及橫截面不同區(qū)域顯微組織的變化趨勢規(guī)律一致，焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材處的顯微組織呈依次減小規(guī)律，符合焊縫結(jié)晶溫度場的變化規(guī)律[3]，所獲得的接頭組織較為致密。

3.2搭接接頭熔池尺寸

對于兩層薄鍍鋅鋼板的搭接焊，可接受的熔池尺寸標準如下圖3所示，要求a≥1.0 Tmin 、b≥1.0Tmin（其中Tmin為最薄工件厚度）。

根據(jù)表1的工藝參數(shù)范圍，制取的6個不同焊件所獲得的熔池橫截面金相圖如圖4所示（其中圖（a）、（b）、（c） 、（d）、（e） 、（f）分別為6種不同工藝參數(shù)得到的截面金相）。從圖4可以看出，在表1 工藝參數(shù)范圍內(nèi)所獲得的搭接接頭焊縫組織致密成型好，無氣孔、裂紋等缺陷。此外，從圖（a）、（b） 、（f）可以觀察到，熔池金屬可有效填充一定范圍內(nèi)的板材間隙。

不同焊件所獲熔池的尺寸結(jié)果如表2所示，從表2的統(tǒng)計結(jié)果可知，在表1 工藝參數(shù)范圍內(nèi)所獲得的搭接接頭熔池尺寸均在標準范圍內(nèi)，且遠大于推薦的標準尺寸。

3.3焊接接頭力學(xué)性能

不同焊接件的拉伸力學(xué)性能如下表3所示。從表中的結(jié)果來看，焊接件的拉伸力學(xué)性較好，抗拉強度均為母材抗拉強度的50%左右，伸長率為母材的10%左右，優(yōu)于一般弧焊的接頭性能。

4結(jié)論

（1）通過鍍鋅薄板零件的實驗及分析，證明微束等離子弧焊可以很好的適用于白車身薄板件的自動化焊接，其焊接速度快，獲得的接頭焊縫組織細密成型好，對間隙容忍性較高，能夠適應(yīng)一定范圍內(nèi)的板材間隙波動。

（2）影響微束等離子弧焊的工藝參數(shù)很多，各參數(shù)需要在一定范圍內(nèi)相互適配，才能保證良好的焊接效果。

（3）選擇合適的微束等離子弧焊接工藝焊接0.65-0.8mm厚的鍍鋅薄板，所獲得的搭接接頭滿足熔池尺寸標準，拉伸強度較高，滿足產(chǎn)品力學(xué)性能要求。

參考文獻

[1]高山， 宋文清， 曲伸等. 微束等離子焊接在航空發(fā)動機中的應(yīng)用[J]. 新工藝新技術(shù)，2013（2）：19-21.

[2]舒海濤. 鈦合金微束等離子弧自動焊[J]. 新工藝新技術(shù)新設(shè)備， 2001（4）.

[3]閆久春， 楊建國，張廣軍. 焊接冶金學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社，2012.