兩種不同比例的氣體保護(hù)焊對(duì)汽車底盤構(gòu)件性能的影響

閆超杰

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與制造學(xué)院，福建 龍巖 364021)

汽車底盤是整個(gè)汽車的基礎(chǔ)，要承受汽車的總重量和汽車內(nèi)外的各種載荷，另一方面，汽車在行駛時(shí)暴露在容易生銹的水分環(huán)境中，因此底盤必須具有一定的疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性。在焊接時(shí)決定焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主要因素是焊趾的應(yīng)力集中，另外，焊道和焊趾上面附著的焊接熔渣等非金屬物質(zhì)不易形成保護(hù)層，通常是發(fā)生腐蝕的起點(diǎn)。焊趾處的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致焊接接頭疲勞強(qiáng)度的降低，焊趾處環(huán)境的腐蝕也會(huì)致使鋼板變薄，從而進(jìn)一步降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度?；旌蠚怏w保護(hù)焊是采用在惰性氣體中加入一定量的活性氣體，如Ar+CO2，Ar+O2等作為保護(hù)氣體的一種氣體保護(hù)電弧焊方法〔1〕，可降低氬弧焊中熔滴的黏性，減輕其表面張力，使熱敷率顯著提高，并增強(qiáng)其熔深，避免單純CO2氣體焊接中的飛濺〔2〕，且能獲得穩(wěn)定的焊接工藝性能和良好的焊接接頭，在汽車制造、工程機(jī)械和電站鍋爐等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用〔3〕。薛育強(qiáng)等指出，對(duì)于焊接件力學(xué)性能，特別是沖擊韌性要求高時(shí)，要用80%Ar+20%CO2的混合氣體保護(hù)焊〔4〕。夏江濤等通過(guò)混合氣體配比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在Ar和CO2氣體比例為84∶16時(shí)，焊縫的力學(xué)性能較好，焊接氣孔和飛濺較少〔5〕。本次實(shí)驗(yàn)主要分析對(duì)比了Ar-20%CO2和Ar-5%CO2兩種不同混合比例的保護(hù)氣體焊接方法對(duì)汽車底盤構(gòu)件材料Q345焊接性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)采用熔化極混合氣體保護(hù)焊(MAG)，兩種焊接方法的混合氣體成分分別為：Ar-20%CO2和降低CO2混合之比例的Ar-5%CO2，其他焊接條件相同。焊接材料均為汽車底盤用440MPa級(jí)Q345熱軋鋼板，厚度為2.0mm。

采用搭接角焊接的形式，焊后低倍組織觀察主要是通過(guò)熱酸浸試驗(yàn)，用型號(hào)為OADM的激光位移傳感器測(cè)定焊道表面形狀。和車體、底盤一樣，將焊接頭進(jìn)行化成處理，電鍍涂裝層厚為20μm，然后在型號(hào)為Q-FOG CCT/CRH的循環(huán)鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱中進(jìn)行干燥-鹽霧-熱干-濕潤(rùn)的腐蝕試驗(yàn)，用DPG-2腐蝕坑深度測(cè)量?jī)x測(cè)量腐蝕深度。用SUP_PLXT彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行純脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的焊趾形狀

圖1 搭接角焊接頭斷面的低倍組織

分別使用Ar-20%CO2比例和Ar-5%CO2比例保護(hù)氣體進(jìn)行熔化極焊接，兩種方法搭接角焊接頭斷面的低倍組織如圖1所示。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，Ar-5%CO2混合氣體保護(hù)焊接方法，會(huì)使焊趾形狀變得更加勻稱、整齊，焊角有所增大，過(guò)渡更加平滑。

為了研究焊縫中的應(yīng)力集中情況，利用激光位移傳感器測(cè)量焊道表面輪廓，然后把輪廓測(cè)量結(jié)果制作成仿真模型，最后通過(guò)有限元法計(jì)算焊接接頭在承受平面彎曲載荷作用下的應(yīng)力分布。有限元法是將模型離散成若干個(gè)有限尺寸單元組進(jìn)行分析，假設(shè)包含焊接部等在內(nèi)的模型范圍為均勻鋼，將鋼的密度設(shè)為7.85 g/cm3、彈性模量設(shè)為206 GPa、剪切模量設(shè)為80 GPa、泊松比設(shè)為0.29、線膨脹系數(shù)設(shè)為1.3×10-5/K。從圖2可以看出，焊趾處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，Ar-5%CO2混合氣體保護(hù)焊的焊趾形狀平滑，作用在焊趾附近的最大拉應(yīng)力值降低了10.8%。

圖2 焊接處周邊應(yīng)力分布的計(jì)算結(jié)果

2.2 焊接處的腐蝕性

圖3 腐蝕試驗(yàn)中焊接部外觀的變化

在循環(huán)鹽霧腐蝕試驗(yàn)中兩種焊接方法其焊接處外觀的變化結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)表明：Ar-20%CO2氣體保護(hù)焊在焊趾處存在熔渣形狀缺陷，鍍層缺陷的原因正是不規(guī)則的熔渣造成的，銹蝕也正是從此處開(kāi)始。30個(gè)循環(huán)周期時(shí)，在鍍層缺陷處產(chǎn)生了銹蝕，并在鍍層下迅速發(fā)展，隨著鋼材和空氣中的水和氧氣共同作用，85個(gè)周期時(shí)，腐蝕嚴(yán)重。Ar-5%CO2保護(hù)氣體的焊接焊道周邊無(wú)明顯鍍層缺陷，循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后僅發(fā)生極其輕微的腐蝕。

圖4 腐蝕試驗(yàn)中試樣最大腐蝕深度的變化

通過(guò)測(cè)試確定了焊接部腐蝕試驗(yàn)中產(chǎn)生最大腐蝕深度的部位是在焊趾附近。測(cè)定了未進(jìn)行電鍍涂裝的裸露試樣、Ar-20%CO2保護(hù)氣體焊接接頭電鍍涂裝試樣、Ar-5%CO2保護(hù)氣體焊接接頭電鍍涂裝試樣三種最大腐蝕深度隨腐蝕時(shí)間的變化情況，如圖4所示。分析可得，在30個(gè)腐蝕循環(huán)前，Ar-20%CO2氣體保護(hù)焊接頭的腐蝕深度無(wú)變化，幾乎為零，如圖中實(shí)心圓點(diǎn)連線。在此期間，只在鍍層下產(chǎn)生腐蝕，但腐蝕深度尚未達(dá)到可檢測(cè)的水平。因此，可以認(rèn)為鍍層仍能保持防銹功能，鍍層發(fā)揮了很大作用。經(jīng)過(guò)30個(gè)周期的腐蝕循環(huán)之后，如圖4，兩條曲線的斜率相同。這就表明由于鍍層早期剝離和防銹功能喪失，底盤構(gòu)件相當(dāng)于暴露在銹蝕環(huán)境中，Ar-20%CO2氣體保護(hù)焊的焊接處開(kāi)始以與未涂層的裸試樣同樣的腐蝕速率在腐蝕。使內(nèi)層金屬持續(xù)受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕，腐蝕深度逐漸加深，這種腐蝕是在焊趾附近，從焊渣鍍層缺陷處開(kāi)始，在電鍍層下產(chǎn)生的。

Ar-5%CO2氣體保護(hù)焊接的焊接頭腐蝕深度為零，隨腐蝕時(shí)間沒(méi)有變化，圖中實(shí)心三角形連線。這個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果表明，Ar-20%CO2氣體保護(hù)焊接的焊接頭的電鍍涂裝鍍層防銹功能在30個(gè)腐蝕循環(huán)周期以后，基本上完全沒(méi)有了。然而，在Ar-5%CO2保護(hù)氣體下，由于沒(méi)有焊渣缺陷附著，焊接部分沒(méi)有腐蝕。即使經(jīng)過(guò)100個(gè)腐蝕循環(huán)后，也沒(méi)有發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

由上述試驗(yàn)的結(jié)果分析可知，熔化極Ar-20%CO2混合氣體保護(hù)焊中過(guò)多的焊渣附著在焊道和焊趾上，在電鍍過(guò)程中產(chǎn)生了鍍層缺陷，從而使焊接接頭耐腐蝕性降低。所以腐蝕從鍍層缺陷開(kāi)始，在鍍層下發(fā)展。鍍層剝離后的焊接處和裸露材料的狀況一樣，因?yàn)槭ケＷo(hù)從而導(dǎo)致腐蝕。由于Ar-5%CO2氣體保護(hù)焊減少了焊渣的產(chǎn)生，焊接接頭的焊趾比較平滑，在電鍍和涂裝過(guò)程中鍍層缺陷基本不存在，因而在腐蝕環(huán)境下焊接接頭處的防腐功能得以保持，進(jìn)而焊接接頭的耐蝕性也隨之提高。

2.3 焊接接頭處的疲勞強(qiáng)度

為了進(jìn)一步分析對(duì)比兩種混合比例氣體保護(hù)焊的焊接效果，采用循環(huán)腐蝕試驗(yàn)方法制備試樣，試樣的焊接接頭等同于汽車底盤在現(xiàn)實(shí)條件中分別使用了6年、12年及18年的腐蝕效果。采用彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)在三種腐蝕后的焊接處實(shí)施純脈沖疲勞試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)于Ar-20%CO2和Ar-5%CO2的焊接，腐蝕期為6年的焊縫強(qiáng)度與腐蝕前的焊縫強(qiáng)度大體一致，沒(méi)有變化。對(duì)于兩種不同保護(hù)氣體的焊接，在此期間形成的焊接縫強(qiáng)度沒(méi)有不同。然而，腐蝕期為12年的和腐蝕期18年的焊接縫強(qiáng)度則形成了非常大的差異。對(duì)比試驗(yàn)值，Ar-20%CO2氣體保護(hù)焊接縫的強(qiáng)度明顯降低，較之，Ar-5%CO2氣體保護(hù)焊接縫的強(qiáng)度則幾乎不變。因?yàn)榻档土吮Ｗo(hù)氣體中CO2的比例，在焊接時(shí)，降低了臨界電流，細(xì)化了熔滴尺寸，改善了過(guò)渡性能，并能穩(wěn)定和控制電弧陰極斑點(diǎn)的位置，使電弧燃燒與熔滴過(guò)渡平穩(wěn)，減少了焊接中熔渣的產(chǎn)生，焊縫成形良好，從而減輕了焊趾周圍的腐蝕量，即減少了鋼板的厚度減薄。因此，Ar-5%CO2混合氣體保護(hù)焊對(duì)抑制焊渣的產(chǎn)生，平滑焊趾，提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度有著顯著的作用。

3 結(jié)論

與Ar-20%CO2混合氣體保護(hù)焊相比，Ar-5%CO2混合氣體保護(hù)焊可以有效改善焊趾形狀、使焊趾平滑化，焊縫成形良好，應(yīng)力集中減緩，焊接接頭的強(qiáng)度得到提高。

Ar-5%CO2混合氣體保護(hù)焊，可以降低焊接臨界電流，能穩(wěn)定和控制電弧陰極斑點(diǎn)的位置，使電弧燃燒和熔滴過(guò)渡穩(wěn)定，能減少焊接熔渣量的產(chǎn)生，使焊接接頭具有高耐蝕性，并且可以大幅度提高在腐蝕環(huán)境下的疲勞強(qiáng)度。