楊洪期，籍鵬飛，馮楊

中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司 天津 300110

等離子釬焊技術(shù)與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，具有焊接速度快、能量密度集中、電弧溫度高、易控制以及熱穩(wěn)定好等特點(diǎn)，近年來(lái)在機(jī)械制造行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。隨著中國(guó)汽車工業(yè)水平以及消費(fèi)者需求的不斷提升，對(duì)汽車外觀提出了更高要求，也推動(dòng)了汽車制造工藝和裝備的升級(jí)和更新。汽車四門兩蓋的板材一般不超過(guò)1mm，剛度稍低，且焊縫經(jīng)常作為可視面呈現(xiàn)給消費(fèi)者，而傳統(tǒng)的點(diǎn)焊外觀面不夠平整，采用MIG或TIG等弧焊焊接工藝時(shí)，又存在焊接變形大、飛濺高及破壞鍍鋅層等缺點(diǎn)，而等離子釬焊技術(shù)避免了傳統(tǒng)連接技術(shù)的缺點(diǎn)，因此等離子釬焊逐步在汽車行業(yè)得到了應(yīng)用[2，3]。

等離子釬焊原理

在金屬的兩電極之間連通合適的電壓和氣體，氣體經(jīng)電離后部分或全部電離后會(huì)形成等離子體，同時(shí)再加以高頻振蕩器激發(fā)，金屬表面的電子在磁場(chǎng)力作用下，從陰極飛向陽(yáng)極，在飛向陽(yáng)極的過(guò)程中，不斷撞擊中性的氣體分子和原子，進(jìn)而再產(chǎn)生大量的電子和正離子，這樣不斷形成的電子、正離子和中性分子不斷碰撞，在電離產(chǎn)生的光和熱作用下，進(jìn)一步電離，如此往復(fù)，電子和正離子呈爆炸式增長(zhǎng)，從而形成等離子弧[3]。等離子弧和其他幾種常見(jiàn)的焊接熱源的能量密度比較如圖1所示。

圖1 等離子弧和其他幾種常見(jiàn)的焊接熱源的能量密度比較

在鎢極氬弧焊的基礎(chǔ)上，通過(guò)焊槍將等離子進(jìn)行機(jī)械壓縮、電磁壓縮以及熱壓縮，等離子體的速度、溫度和能量密度均得到明顯提升，即所需的等離子弧。

等離子釬焊（Plasma arc brazing）是在TIG釬焊基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的工藝，通過(guò)強(qiáng)冷的噴嘴將電弧壓縮，即將等離子弧作為熱源的一種釬焊工藝，等離子弧主要用于加熱釬料，釬料的熔點(diǎn)比母材熔點(diǎn)低，所以在熱源作用下，釬料熔化，而達(dá)不到母材的熔點(diǎn)，熔化的釬料進(jìn)入焊接接頭處，填充間隙，潤(rùn)濕母材，形成焊縫[4，5]。等離子釬焊時(shí)，焊接電流、焊接速度和送絲速度等作為關(guān)鍵焊接參數(shù)，必須采用匹配的各參數(shù)，才能保證獲得良好的焊接質(zhì)量。等離子釬焊工藝的示意圖如圖2所示。

圖2 等離子釬焊工藝示意

以下是等離子釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素：

1）離子焊機(jī)的設(shè)備參數(shù)，包括焊接電源的功率/容量及焊接電流。

2）焊絲參數(shù)，包括送絲速度、預(yù)熱電流、焊絲直徑、焊絲與板材的水平及高度距離。

3）焊接速度。

4）板件參數(shù)，包括板材材質(zhì)和鍍鋅層、搭接間隙及表面清潔度。

5）其他，包括保護(hù)氣體、等離子氣體、機(jī)器人軌跡和姿態(tài)。

等離子釬焊特點(diǎn)

等離子釬焊的主要特點(diǎn)是利用高能量密度的等離子弧實(shí)現(xiàn)釬料的熔化以及母材的輕微加熱，實(shí)現(xiàn)薄板的連接，是一種無(wú)飛濺、無(wú)氣孔、低返修，且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化的高效連接工藝。

1.主要優(yōu)勢(shì)

（1）焊接速度快 等離子釬焊工藝可實(shí)現(xiàn)100%自動(dòng)化，焊接鍍鋅板時(shí)焊接速度最高可達(dá)3m/min，而焊接鉻鎳鋼時(shí)的焊接速度最高可達(dá)6m/min。

（2）能量密度高，焊接變形小 等離子弧經(jīng)強(qiáng)冷的噴嘴壓縮后，能量密度急劇提高，可將能量主要用于熔化焊絲，減少了母材的熱輸入，使得焊接變形非常小[6，7]。

（3）焊縫美觀 焊接過(guò)程中無(wú)飛濺，焊縫平整，焊縫余高可控制在2mm以內(nèi)，減少或避免了后續(xù)的打磨工作。對(duì)于鍍鋅板，鍍鋅層汽化少，焊接煙塵少。

（4）低設(shè)備投入和安全要求 和激光釬焊相比，由于未使用激光器，故無(wú)需激光房和激光源房防護(hù)。前期設(shè)備投資和后期維護(hù)成本約為激光釬焊系統(tǒng)的十分之一。

2.不足之處

（1）電弧偏吹 雖電弧經(jīng)壓縮，電弧挺度提高，但電弧偏吹問(wèn)題仍不可完全控制和避免，且對(duì)焊接質(zhì)量有負(fù)面影響。

（2）調(diào)試難度大，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差 由于板材的搭接間隙和尺寸對(duì)等離子釬焊質(zhì)量有直接影響，且等離子釬焊工藝對(duì)搭接尺寸較為敏感，故焊接質(zhì)量穩(wěn)定性較低。等離子弧無(wú)法像激光釬焊一樣，在調(diào)試階段使用引導(dǎo)光，也增加調(diào)試的難度和周期。在調(diào)試過(guò)程中需將單個(gè)零件的尺寸、工裝夾具的穩(wěn)定性和等離子焊槍的角度及位置等調(diào)整到理想的匹配狀態(tài)，才能獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

等離子釬焊系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

由于汽車制造行業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率和自動(dòng)化率的要求越來(lái)越高，除部分返修工藝采用人工焊接外，其他都是以機(jī)器人等離子釬焊應(yīng)用于白車身制造領(lǐng)域[8，9]。等離子釬焊常用的設(shè)備主要包括：機(jī)器人及機(jī)器人控制器、焊接電源及控制系統(tǒng)、焊槍、等離子氣和保護(hù)氣供氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及送絲裝置。等離子釬焊系統(tǒng)的主要設(shè)備如圖3所示。

圖3 等離子釬焊系統(tǒng)設(shè)備組成

（1）機(jī)器人及其控制器 機(jī)器人主要夾持等離子焊鉗到焊縫處完成焊接。機(jī)器人主要以ABB、KUKA、FANUC和YASKAWA四大家族為主。

（2）焊接電源及控制系統(tǒng) 通常會(huì)將控制系統(tǒng)和電源集成到一臺(tái)設(shè)備上。等離子弧焊的焊接電源一般具有陡降或者恒流外特性。電流波形不同，焊接電源分為直流等離子弧焊電源、交流等離子弧焊電源以及變極性等離子弧焊電源。由于鋁合金焊接需利用陰極霧化清理氧化層，故鋁合金的等離子釬焊常采用交流或變極性等離子弧焊電源。鋼件等離子釬焊的焊接電源一般選擇直流等離子弧焊電源。控制系統(tǒng)對(duì)焊接參數(shù)和過(guò)程控制具有決定性作用，是得到優(yōu)良焊縫的關(guān)鍵。目前常用的弧焊電源品牌主要有SBI、FRONIUS和INOCON等。

（3）焊槍 焊槍對(duì)等離子弧的穩(wěn)定性和拘束度有重要影響，因此對(duì)釬焊質(zhì)量影響很大，也對(duì)焊槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝有很高要求。

（4）等離子氣和保護(hù)氣供氣系統(tǒng) 等離子氣主要用來(lái)形成等離子弧，而保護(hù)氣體是用來(lái)保護(hù)焊縫不被氧化。等離子釬焊所用的氣體主要取決于焊件母材。白車身鍍鋅板通常選用氬氣作為等離子氣和保護(hù)氣。

（5）水冷系統(tǒng) 對(duì)焊槍進(jìn)行冷卻。

（6）送絲裝置 將焊絲均勻穩(wěn)定的從絲桶輸送到焊槍處。送絲系統(tǒng)常用的是Fronius VR1500系列和Binzel MFS系列。釬焊焊絲主要是CuSi3。

此外，熱絲系統(tǒng)、鎢極自動(dòng)更換系統(tǒng)和焊縫跟蹤系統(tǒng)可根據(jù)具體使用需求進(jìn)行選配。熱絲系統(tǒng)通過(guò)外接電源，在焊絲和車身之間形成回路，將焊絲加熱，可進(jìn)一步提高焊接速度。鎢極更換系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鎢極的自動(dòng)更換，進(jìn)一步提高自動(dòng)化率。而焊縫跟蹤系統(tǒng)可保證在板件尺寸細(xì)微變動(dòng)的情況下，焊縫仍能在最佳位置。

常見(jiàn)缺陷及原因

1.焊縫偏移

1）機(jī)器人軌跡偏離焊縫位置。

2）板件搭接間隙超差。

3）送絲機(jī)故障。如送絲速度不均勻、或者送絲速度過(guò)慢。

4）電弧偏吹，如風(fēng)等外界環(huán)境干擾或接地極分布不合理。

2.塌陷

1）焊接電流過(guò)大，熱量過(guò)高，導(dǎo)致母材被燒穿，形成塌陷。

2）送絲速度過(guò)低。

3）機(jī)器人速度不均勻。

4）等離子氣體流量偏大，電離產(chǎn)生的能量增加，熱輸入過(guò)大。

3.假焊

1）焊接電流偏小。

2）焊接速度過(guò)快。

3）等離子氣體流量偏低。

4.焊縫始端和末端焊瘤、燒穿

1）剪絲機(jī)故障。

2）開關(guān)絲和引弧、收弧時(shí)間不匹配。

5.焊縫表面不均勻

1）送絲機(jī)送絲不穩(wěn)定。

2）機(jī)器人姿態(tài)不合適。

3）焊絲和等離子弧位置不匹配。

4）導(dǎo)絲嘴磨損使得焊絲抖動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

和傳統(tǒng)的焊接工藝相比，等離子釬焊具有生產(chǎn)效率高和焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良等特點(diǎn)，而和激光釬焊相比，又具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。隨著等離子技術(shù)和汽車材料輕量化等技術(shù)的發(fā)展，等離子釬焊工藝和設(shè)備將越來(lái)越先進(jìn)，焊接質(zhì)量控制更加簡(jiǎn)單、可行，等離子釬焊工藝有望取代激光釬焊技術(shù)，在白車身制造中得到更廣泛的應(yīng)用。