鍍鋅鋼板CMT銅釬焊焊接缺陷敏感性研究

牟 剛，張躍龍，華學(xué)明，王大明，褚衛(wèi)東

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焊接工程研究所激光制造實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.上海拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)有限公司，上海200433）

鍍鋅鋼板CMT銅釬焊焊接缺陷敏感性研究

牟 剛1，張躍龍1，華學(xué)明1，王大明2，褚衛(wèi)東2

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焊接工程研究所激光制造實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.上海拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)有限公司，上海200433）

針對(duì)汽車鍍鋅鋼板CMT銅釬焊焊縫缺陷的敏感性問(wèn)題，采用1.5 mm厚鍍鋅鋼板搭接焊接的方法進(jìn)行試驗(yàn)，主要以潤(rùn)濕性、焊接過(guò)程中是否存在飛濺、焊縫成形和鍍鋅層燒損情況作為評(píng)價(jià)銅釬焊焊接缺陷敏感性的指標(biāo)，得到試驗(yàn)條件下缺陷敏感性較小時(shí)的工藝窗口：鍍鋅鋼板搭接間隙為0～1mm、電流為125～152 A時(shí)能獲得合格的焊縫。通過(guò)改變點(diǎn)焊后不同氣體保護(hù)時(shí)間確定焊縫表面變黑是由于焊縫在高溫下被氧化生成氧化銅。

CMT銅釬焊；鍍鋅鋼板；缺陷敏感性；氧化

0 前言

鍍鋅鋼板因耐腐蝕性能良好、生產(chǎn)成本低，在國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。但鋅的熔沸點(diǎn)低（熔點(diǎn)420℃，沸點(diǎn)906℃），常規(guī)熔焊方法會(huì)使鍍鋅層大量揮發(fā)嚴(yán)重影響焊后板材的耐腐蝕性能。CMT銅釬焊既有MIG焊接高效快速的優(yōu)點(diǎn)，又可以保證焊接過(guò)程中母材不熔化，采用冷金屬過(guò)渡技術(shù)（CMT）后的MIG焊能夠精確控制焊接過(guò)程中焊絲的回抽，減少母材的熱輸入量，保證熔滴順利無(wú)飛濺；此外采用低熔點(diǎn)的CuSi3焊絲作為釬料（熔點(diǎn)960℃～1 130℃），理論上可以有效控制鍍鋅層的揮發(fā)燒損。因此在力學(xué)性能要求不高的零件中，采用CuSi3焊絲的CMT銅釬焊成為主流[3]。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)福特、德國(guó)奧迪、英國(guó)美洲豹以及國(guó)內(nèi)上海大眾、上海通用都采用了MIG釬焊焊接鍍鋅鋼板[4-6]；但是該方法也存在缺點(diǎn)，由于熱輸入量過(guò)小，釬料潤(rùn)濕不良，甚至出現(xiàn)焊瘤等情況。時(shí)中星等人研究了焊槍角度、電流電壓對(duì)焊縫組織的影響[3]，黃順義、馬王哲等人給出了各自試驗(yàn)條件下的MIG銅釬焊工藝參數(shù)[4，7]，F(xiàn)atih Savgu通過(guò)改變保護(hù)氣來(lái)改善焊縫成形取得了一定效果[8]。但少有文獻(xiàn)對(duì)CMT銅釬焊的焊接缺陷敏感性進(jìn)行研究。由于釬焊沒(méi)有詳細(xì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，故本研究中的焊接缺陷敏感性是以潤(rùn)濕、飛濺、焊縫成形、鋅燒損為指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

本研究采用CuSi3焊絲，利用CMT銅釬焊技術(shù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)。根據(jù)前期試驗(yàn)，在保證板材清潔的情況下，CMT銅釬焊沒(méi)有出現(xiàn)氣孔問(wèn)題，所以氣孔不在討論范圍內(nèi)。

1 焊接試驗(yàn)

焊接試驗(yàn)采用福尼斯公司生產(chǎn)的Advanced-CMT弧焊機(jī)和安川六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人。試驗(yàn)采用一元化焊接方法，即送絲速度與電流、電壓的關(guān)系根據(jù)特定的焊絲焊接特性曲線變化，送絲速度固定后，電流電壓不再變化。試驗(yàn)用鍍鋅板牌號(hào)為HC3 40LAD+Z，尺寸240 mm×50 mm×1.5 mm；選用直徑1.0mm的CuSi3焊絲（國(guó)標(biāo)牌號(hào)ER6560），焊絲伸出長(zhǎng)度10 mm。保護(hù)氣為純氬氣，氣流量15 L/min。焊槍傾角30°，后傾焊接。綜合現(xiàn)場(chǎng)情況考慮，焊接速度75 cm/min，搭接量10 mm，搭接間隙依次為0 mm、0.5 mm、1.0 mm。焊接前采用丙酮清洗板材表面，試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

2 結(jié)果和討論

2.1 焊接缺陷分析

間隙為0mm、0.5mm、1mm時(shí)，不同電流得到的焊縫潤(rùn)濕角數(shù)據(jù)如圖1所示?？梢钥闯?，整體上潤(rùn)濕角隨著電流的增大而減小，并且在相同電流下，搭接間隙的增大會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)濕角減小。間隙0 mm、焊接電流88 A時(shí)潤(rùn)濕角最大，此時(shí)潤(rùn)濕性最差。間隙1 mm、焊接電流165 A時(shí)潤(rùn)濕角最小，此時(shí)焊縫的潤(rùn)濕性最好。

圖1 不同間隙、不同電流下的潤(rùn)濕角

間隙量為0 mm時(shí)不同電流下得到的焊縫正面和背面形貌如圖2所示。釬料在鍍鋅鋼表面的潤(rùn)濕性隨著電流的增大而逐漸變好。結(jié)合圖1，當(dāng)電流為88 A時(shí)，焊縫潤(rùn)濕角約為80°；當(dāng)電流大于125 A后，熱輸入量的增大對(duì)母材起到較好的預(yù)熱效果，釬料與母材之間溫度梯度減小，改善了釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕效果，潤(rùn)濕角降為66°；當(dāng)電流超過(guò)152 A時(shí)，開始大量出現(xiàn)飛濺，這是因?yàn)殡S著電流增大，電壓也增大，電弧弧長(zhǎng)變長(zhǎng)并且不穩(wěn)定，導(dǎo)致出現(xiàn)飛濺。從焊縫成形上來(lái)看，隨著電流的增大，焊縫熔寬增大。電流增大至125 A后，單位時(shí)間的熔敷量和熱輸入量顯著提高，焊縫成形美觀但表面存在大量黑色氧化物。鍍鋅層的燒損情況主要通過(guò)焊縫背面進(jìn)行判斷，焊縫背面由于一直受到熱的作用，部分鋅被氧化成白色的氧化鋅粉末附著在母材上，當(dāng)熱量進(jìn)一步提高，部分鋅直接揮發(fā)導(dǎo)致高溫下的鋼板迅速被氧化形成黑色顆粒狀的鐵的氧化物附著在母材上。從圖中可以看出，電流超過(guò)152 A后焊縫背面燒損嚴(yán)重，而電流為88 A時(shí)僅有輕微變色。焊縫正面鋅也會(huì)揮發(fā)，主要原因是后傾焊接時(shí)電弧首先預(yù)熱母材，在釬料達(dá)到母材之前鋅已經(jīng)揮發(fā)，隨后釬料在母材鋪展，因此不容易判斷鍍鋅層燒損情況。

間隙量為0.5 mm時(shí)不同電流下得到的焊縫正面和背面形貌如圖3所示。結(jié)合圖1可知，當(dāng)電流為88 A時(shí)，潤(rùn)濕不良，潤(rùn)濕角約為70°；而電流大于110 A后潤(rùn)濕角下降至54°，可以看到隨著電流的增加，潤(rùn)濕鋪展效果變好。電流小于88 A時(shí)存在少量飛濺，可能是由于電壓過(guò)低、電弧挺直度不足、電弧不穩(wěn)定所造成。間隙量為0 mm時(shí)也存在同樣的現(xiàn)象。從焊縫成形來(lái)看，電流大于125 A后，焊縫形貌美觀，焊趾整齊，但焊縫表面存在大量黑色氧化物；電流大于152 A之后，焊縫背面鍍鋅層燒損情況開始加重。

圖2 間隙量為0 mm時(shí)不同電流下的焊縫

圖3 間隙量為0.5 mm時(shí)不同電流下的焊縫

間隙量為1 mm時(shí)不同電流下得到的焊縫正面和背面形貌如圖4所示。隨著電流增加，結(jié)合圖1可知，電流為88 A時(shí)，潤(rùn)濕角約為70°，釬料鋪展效果不好；當(dāng)電流達(dá)到110 A后，潤(rùn)濕角為65°，基本可以接受；當(dāng)電流大于165 A后，焊接過(guò)程中飛濺增多，這是由于電壓增大引起電弧不穩(wěn)定所造成。焊縫成形方面，電流過(guò)小會(huì)造成焊趾不齊，焊縫熔寬過(guò)??；電流為110～152 A時(shí)焊縫成形美觀，焊趾整齊；當(dāng)電流大于152 A后，鍍鋅層燒損明顯增大，焊縫背面黑色的鐵的氧化物數(shù)量急劇增加，甚至在焊縫兩側(cè)較遠(yuǎn)位置也存在鍍鋅層的燒損。

2.2 焊接缺陷敏感性評(píng)價(jià)

按照潤(rùn)濕效果、飛濺、焊縫成形、鋅燒損四個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，評(píng)價(jià)分“2”“1”“0”分別代表“合格”“一般”“較差”，四個(gè)項(xiàng)目評(píng)分達(dá)到7分作為焊縫缺陷敏感性小的依據(jù)。將不同間隙量、不同電流下的CMT銅釬焊評(píng)價(jià)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。將所得到的缺陷敏感性工藝窗口匯總?cè)鐖D5所示。

圖4 間隙量為1 mm時(shí)不同電流下的焊縫

表2 試驗(yàn)及評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5 CMT銅釬焊焊接缺陷敏感性工藝窗口

間隙量為0 mm和0.5 mm時(shí)，焊縫形貌隨著電流變化的情況基本一致，均在125 A時(shí)開始潤(rùn)濕良好、焊接過(guò)程無(wú)飛濺、焊縫成形美觀以及鍍鋅層燒損量較少。當(dāng)電流升高到約152 A時(shí)，焊縫正面鋅燒損程度基本一致，但焊縫背面后者鋅燒損量略大，這是因?yàn)楹缚p正面部分處于熔點(diǎn)和沸點(diǎn)之間的鋅形成液化膜會(huì)覆蓋在母材和釬料表面，隨著焊槍前移，CuSi3釬料迅速散熱起到保護(hù)鍍鋅層的作用。而焊縫背面沒(méi)有釬料的覆蓋，高溫下暴露在大氣中，部分鋅會(huì)被氧化成白色氧化鋅，隨著氣流被吹散，暴露的鋼板會(huì)被氧化形成黑色氧化物附著在焊縫背面，但是由于間隙的存在，板材之間高溫釬料增多，底部板材會(huì)受到更多的熱量，造成底部板材鋅燒損相比間隙量為0 mm時(shí)的情況更嚴(yán)重。間隙量為1 mm時(shí)，焊縫背面鍍鋅層的燒損在電流125 A時(shí)就有所加重，這一方面是板材間釬料增加導(dǎo)致，另一方面由于鍍鋅板之間的間隙過(guò)大，電弧一部分熱量直接作用于底部板材，另一部分熱量將通過(guò)板材間隙到達(dá)底部板材，熱量通過(guò)間隙時(shí)向空氣中散熱，使板材和電弧的溫度有一定程度的下降，引起電弧收縮，因此熱量相對(duì)于間隙0 mm、0.5 mm時(shí)的情況更加集中，加重母材鍍鋅層燒損程度。綜上可知，間隙為1 mm、電流為110 A時(shí)可得到相對(duì)滿足要求的焊縫。

2.3 焊縫表面黑色物質(zhì)

當(dāng)焊接電流超過(guò)125 A后，焊縫表面會(huì)出現(xiàn)大量的黑色物質(zhì)，推測(cè)是由于焊槍前移，熔池在高溫下發(fā)生氧化生成黑色氧化銅造成的。同時(shí)采用點(diǎn)焊后延長(zhǎng)氣體保護(hù)時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。保護(hù)時(shí)間為0 s時(shí)，焊縫表面黑色物質(zhì)較多；保護(hù)時(shí)間為10 s，焊縫表面在高溫下得到氬氣的充分保護(hù)，抑制了黑色氧化銅的產(chǎn)生。因此，可以斷定焊縫表面這一層難以去除的黑色氧化銅是焊縫在高溫下被氧化所致。

圖6 點(diǎn)焊焊后不同氣體保護(hù)時(shí)間得到的焊縫

3 結(jié)論

（1）采用潤(rùn)濕、飛濺、焊縫成形、鋅燒損四個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)CMT銅釬焊焊接缺陷敏感性。

（2）通過(guò)CMT銅釬焊確定1.5 mm鍍鋅板搭接焊在間隙量為0～1 mm、電流125～152 A時(shí)的焊接缺陷較少。

（3）隨著電流的增大，焊縫表面變黑是焊縫在高溫下被氧化生成氧化銅所致。

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4 結(jié)論

（1）三種線能量條件下，A7N01S-T5鋁合金MIG焊接頭的實(shí)測(cè)值及仿真計(jì)算殘余應(yīng)力的分布呈現(xiàn)明顯的雙峰形態(tài)，實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力值主要出現(xiàn)在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)，而仿真計(jì)算最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在熱影響區(qū)。（2）三種線能量條件下，隨著線能量的增加，A7N01S-T5鋁合金MIG焊接頭縱向殘余應(yīng)力峰值增大，縱向殘余拉應(yīng)力峰值從149MPa增加到190 MPa，而橫向殘余拉應(yīng)力峰值之間差別不大，但數(shù)值上高于縱向拉應(yīng)力峰值，最高值達(dá)217 MPa。（3）仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定差異，但兩者應(yīng)力分布趨勢(shì)與拉應(yīng)力的峰值相近。仿真計(jì)算結(jié)果在一定程度上印證了實(shí)測(cè)應(yīng)力值分布情況，具有較好的可信度。

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Study on weld defects sensitivity of CMT brazing galvanized steel sheets

MOU Gang1，ZHANG Yuelong1，HUA Xueming1，WANG Daming2，CHU Weidong2
（1.Welding Engineering Institute，College of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Tractor&Internal Combustion Engine Co.，Ltd，Shanghai 200433，China）

Lap welding is operated with 1.5 mm thickness galvanized steel sheets to study the weld defect sensitivity of CMT brazing galvanized steel sheets for automobile.Four evaluation criteria are carried out to judge the weld defects sensitivity of brazing，which are wettability，spatters during weld process，weld geometry and burn-off of zinc deposits.And weld process window with few defects is obtained，that lap gap range is from 0 mm to 1 mm and current range is from 125 A to 152 A.Besides，through changing different shielding gas protection times after spot welding,a fact is confirmed that the dark substance on the brazing seam surface is due to the occurrence of CuO under high temperature.

CMT brazing；galvanized steel sheet；defect sensitivity；oxidation

TG457.1

A

1001-2303（2017）04-00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（01）：1-6.

2016-12-06

牟 剛（1989—），男，山東泰安人，在讀碩士，主要從事弧焊、釬焊和激光焊的研究。