靜音鋼板焊接技術(shù)研究

黃西利，楊 華，韋 響

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州545000）

隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展和國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)的不斷升級(jí)，國(guó)內(nèi)各汽車(chē)公司為了增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，都在花費(fèi)大量時(shí)間、精力和成本研究新工藝、新技術(shù)和新方法不斷提升整車(chē)NVH性能，提高車(chē)內(nèi)舒適度等。其中白車(chē)身采用靜音鋼板這種新材料就是提升性能最為顯著的方法之一，目前已被越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車(chē)有阻尼減振或隔音要求的部件，如：汽車(chē)儀表板前圍板、地板、車(chē)身雨水板、發(fā)動(dòng)機(jī)閥蓋和油底殼以及隔熱部件等。憑著減振、隔音效果好、成本低的特定，靜音鋼板在汽車(chē)減震、降噪、減重及成本等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，已被國(guó)內(nèi)越來(lái)越多汽車(chē)廠家研究、試驗(yàn)和推廣。

靜音鋼板是一種特殊定制的類(lèi)三明治復(fù)合高分子阻尼減振隔音的金屬材料，通過(guò)特制的粘彈性低膨脹的高分子阻尼材料作為中間減振層把上下兩層冷軋鋼材、鋁材等金屬材料粘接在一起，具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度和塑性，金屬性及低膨脹性。但由于此高分子材料的不導(dǎo)電性，給制造過(guò)程特別是焊接工藝造成很大困難。雖然隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)在阻尼材料中添加特定的導(dǎo)電材質(zhì)已能使靜音板具備一定地低導(dǎo)電性，但其焊接性依然較常規(guī)金屬板材有非常大的差異。本文即針對(duì)靜音鋼鋼板對(duì)于常用白車(chē)身焊接過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行研究及驗(yàn)證，探討相關(guān)的工藝設(shè)計(jì)方案。

1 靜音板焊接工藝分析

1.1 靜音鋼板與普通板的電阻點(diǎn)焊差異

普通鋼板的點(diǎn)焊是將搭接好的兩層或三層鋼板置于焊鉗的電極頭之間，在一定的電極壓力下，利用工件間的電阻在焊接電流的作用下產(chǎn)生電阻熱加熱并局部融化母材達(dá)到金屬間的焊接。而靜音鋼板因其鋼板剛度降低、導(dǎo)電性下降、中間夾有高分子阻尼材料層，其點(diǎn)焊過(guò)程既不同于普通鋼板的電阻點(diǎn)焊，也不同于在焊接件預(yù)涂膠層的膠接點(diǎn)焊。如果要把靜音鋼板和普通鋼板焊接在一起，等于將三層鋼板和一層樹(shù)脂膠結(jié)合在一起（圖1），樹(shù)脂膠是已經(jīng)固化了的帶有彈性的低導(dǎo)電絕緣層。

圖1 靜音板電阻點(diǎn)焊示意圖

1.2 靜音鋼板與普通板的螺柱弧焊差異

普通兩層或者三層鋼板上的螺柱焊或者螺母焊的母材都是單側(cè)單層板材（圖2），類(lèi)似于堆焊的方式，一般母材最低板厚為0.7 mm，常用板材厚度為1.0mm，因此板材的抗變形能力和可焊性均比較好。然而靜音板一般為0.5+0.5 mm或者0.7+0.3 mm的復(fù)合板，假如螺柱焊接在靜音板上，則相當(dāng)于焊接于0.5 mm或0.7 mm（0.3 mm鈑金需要開(kāi)避讓孔）母材上（圖3）。普通點(diǎn)焊和螺柱焊最低板厚要求為0.6 mm，因此相當(dāng)于超薄板材的螺柱焊，板材強(qiáng)度急劇降低，極易焊穿。另外，由于高分子阻尼材料受熱產(chǎn)生氣體等其他雜質(zhì)，也會(huì)影響焊縫質(zhì)量，均會(huì)導(dǎo)致螺柱焊的焊縫成型差、強(qiáng)度低、焊后板材易拉扯變形、靜音板材間分層等缺陷，常規(guī)金屬板材的螺柱焊接工藝無(wú)法適應(yīng)于靜音板。

圖2 普通鋼板的螺柱焊

圖3 靜音鋼板的螺柱焊

1.3 靜音鋼板與普通板的氣體保護(hù)焊差異

靜音板的氣體保護(hù)焊特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：焊接飛濺大、容易起火苗、焊縫成型差及氣孔缺陷多等焊接缺陷，焊接接頭強(qiáng)度趨弱。其主要是由于高分子阻尼材料的存在，焊接時(shí)類(lèi)似點(diǎn)焊，使得原本兩層焊的焊接匹配變成三層焊+高分組阻尼層的焊接匹配，并且焊接時(shí)高分子阻尼材料受熱分解產(chǎn)生雜質(zhì)、氣體，致使焊接過(guò)程飛濺大，焊縫組織氣孔多、咬邊、成形差等焊接缺陷，因此靜音板的氣體保護(hù)焊焊接質(zhì)量及強(qiáng)度低于普通鋼板之間的焊接（圖4）。

圖4 靜音板CO2氣體保護(hù)焊示意圖

2 靜音鋼板焊接試驗(yàn)

公司為了提升XXX車(chē)型的NVH性能，對(duì)前圍板材料進(jìn)行研究，采用靜音鋼板替代原前圍板鋼材（圖5），前圍板在生產(chǎn)制造過(guò)程中涉及到主要工藝：前圍板與其他零件搭接的兩層、三層電阻點(diǎn)焊、螺柱焊接、CO2氣體保護(hù)焊等連接工藝。為了保證焊接制造的可靠性及穩(wěn)定性，需要對(duì)靜音鋼板上相關(guān)焊接工藝進(jìn)行相關(guān)研究測(cè)試。

圖5 XXX車(chē)型前圍板結(jié)構(gòu)

靜音鋼板材料選型規(guī)格：本次試驗(yàn)主要采用1.0 mm鋼板（0.5 mm+阻尼+0.5 mm、0.3 mm+阻尼+0.7 mm）規(guī)格的靜音鋼板進(jìn)行試驗(yàn)（圖6）。

圖60 .5mm+阻尼+0.5mm靜音鋼板結(jié)構(gòu)示意

2.1 靜音鋼板電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)

根據(jù)工藝分析及統(tǒng)計(jì)：在實(shí)際造車(chē)過(guò)程中，前圍板替換為靜音鋼板，主要與如下幾種規(guī)格冷軋鋼板焊接（表 1）.

表1 板材焊接組合

參數(shù)設(shè)計(jì)：以現(xiàn)有參數(shù)規(guī)范焊（現(xiàn)場(chǎng)采用硬規(guī)范），根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果，建議初版焊接參數(shù)維持不變。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)破壞性試驗(yàn)再做微調(diào)（如脫焊虛焊，建議焊接電流+500A）。其中，對(duì)于四層板1.0+1.6+2.0+1.2、0.7+1.0+1.0+1.5及主導(dǎo)板厚 2.0 mm的特殊板材搭接未做驗(yàn)證。根據(jù)板材焊接組合選擇合適的焊接參數(shù)，現(xiàn)有冷軋焊接參數(shù)如下（表2、表3）.

表2 機(jī)器人焊接參數(shù)

表3 手工焊機(jī)焊接參數(shù)

焊接后做破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)如下（表4、表5）

表4 焊點(diǎn)合格狀態(tài)

表5 兩種靜音鋼板的電阻點(diǎn)焊表現(xiàn)評(píng)價(jià)

2.2 靜音鋼板螺柱弧焊試驗(yàn)

（1）材料：①（0.5 mm+0.5 mm）靜音板；②（0.3 mm+0.7 mm）靜音板。

（2）設(shè)備：電阻焊機(jī)（使用XXX前圍板焊接線(xiàn)焊機(jī)，參數(shù)不變）

（3）輔料：焊接螺柱 M5*14.2、BLC 板材（t=0.7|t=1.2|t=1.5），數(shù)量若干。

（4）焊接螺柱性能測(cè)試（表6）。

鍍鋅靜音板的螺柱焊較普通光板焊接質(zhì)量差異較大，鍍鋅靜音板的螺柱焊焊縫成形較普通光板差，焊接強(qiáng)度不足，易松動(dòng)，且飛濺較大，易分層剝落（圖7），不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度要求。而普通光板螺柱焊成形良好，焊縫美觀平整，焊接強(qiáng)度較好，能達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度（圖8）。

圖7 鍍鋅靜音板的螺柱焊

表6 靜音鋼板螺柱弧焊試驗(yàn)結(jié)果

圖8 普通光板的螺柱焊

（5）特殊形式的螺柱焊試驗(yàn)

為解決靜音鋼板的螺柱焊不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求問(wèn)題，在試驗(yàn)階段我們采用了兩種較XX車(chē)型實(shí)際用的螺柱焊工藝有差異的特殊焊接方式，從而使螺柱焊接的彎矩、扭矩達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

A）原螺柱工藝：產(chǎn)品焊接上增加普通鋼板的小凸臺(tái)設(shè)計(jì)，此時(shí)螺柱焊的母材為普通鋼板。因?yàn)殪o音板的電阻點(diǎn)焊一般德滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因此通過(guò)凸臺(tái)轉(zhuǎn)換，將螺柱焊間接變成電阻點(diǎn)焊，從而避免了靜音鋼板的螺柱焊缺陷，如圖9所示。

圖9 螺柱焊的小凸臺(tái)設(shè)計(jì)

B）采用新型螺柱：試驗(yàn)中采用較原螺柱更大端面的新螺柱，通過(guò)增加焊接截面積間接增大螺柱的抗彎抗扭能力，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但易剝落分層缺陷無(wú)法避免，如圖10所示。

圖10 大端面螺柱焊接示意

2.3 鍍鋅靜音板與普通光板的CO2氣體保護(hù)焊

鍍鋅靜音板的的CO2氣體保護(hù)焊飛濺嚴(yán)重，顆粒易附著污染鋼板表面，焊縫成形不良，有氣孔、咬邊等缺陷（圖11、圖13）。普通光板的CO2氣體保護(hù)焊焊縫成形美觀、飛濺相對(duì)較少，無(wú)較明顯或較嚴(yán)重的焊接缺陷（圖12、圖14）。鍍鋅靜音板與光板在CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝差異較大，靜音板可焊性更差。

圖11 鍍鋅靜音板與光板CO2氣體保護(hù)焊正面

圖12 光板與光板CO2氣體保護(hù)焊正面

圖13 鍍鋅靜音板與光板CO2氣體保護(hù)焊反面

圖14 光板與光板CO2氣體保護(hù)焊反面

經(jīng)過(guò)對(duì)比：靜音板焊接焊縫比普通板焊縫高，靜音板焊接時(shí)容易起火苗，比較容易產(chǎn)生氣泡，由于靜音材質(zhì)，導(dǎo)熱性降低，融化材料基本堆積在上面，所有焊縫比普通板高。靜音板材料焊接，下面的鈑金熔合部分少，沒(méi)有普通板良好。

小結(jié)：

（1）靜音板焊接焊縫比普通板焊縫高，靜音板焊接時(shí)容易起火苗，比較容易產(chǎn)生氣泡，由于靜音材質(zhì)，導(dǎo)熱性降低，融化材料基本堆積在上面，所有焊縫比普通板高。

（2）靜音板CO2焊接，熔合沒(méi)有普通板好，焊縫外觀質(zhì)量比普通板差點(diǎn)。

（3）產(chǎn)品盡量避免在靜音鋼板上進(jìn)行C02燒焊。

2.4 其他問(wèn)題

（1）板材阻尼高分子分層后的高分子阻尼材料厚度分布一致性較差，撕開(kāi)板材肉眼可見(jiàn)（圖15）。

（2）鍍鋅隔音板粘接不牢固，受扭曲、折彎、切割等存在剪切力時(shí)板材內(nèi)部有開(kāi)裂，造成復(fù)合板分層現(xiàn)象（圖 16）。

（3）對(duì)于鍍鋅隔音板兩面分別為0.3 mm及0.7 mm鍍層的復(fù)合板，因?yàn)?.3 mm一側(cè)板材非常薄，不應(yīng)作為螺柱焊母材，不應(yīng)布置于點(diǎn)焊板材外側(cè)，不應(yīng)直接接觸電極頭。因此實(shí)際使用中應(yīng)注明那層朝外，防止不0.3 mm的復(fù)合板層作為焊接的表面母材（接觸電極帽側(cè)或螺柱搭接側(cè)）。

圖15 靜音鋼板撕開(kāi)后的內(nèi)部分子涂覆情況

圖16 靜音鋼板受力變形后的分層現(xiàn)象

3 結(jié)論

（1）靜音復(fù)合鋼板較同板厚鋼板強(qiáng)度低，易變形，受熱或變形較大有分層現(xiàn)象。因此設(shè)計(jì)上盡量使靜音復(fù)合鋼板布置于三層板焊接的中間板材。對(duì)于受力較大易變形的區(qū)域，設(shè)計(jì)上盡量避免采用靜音復(fù)合鋼板。

（2）對(duì)于低導(dǎo)電性的靜音阻尼復(fù)合板的電阻點(diǎn)焊：一般采用普通板材的硬規(guī)范焊接參數(shù)即可，少數(shù)板材厚度較大或搭接易變形處建議適當(dāng)增大電流。

（3）對(duì)于低導(dǎo)電性的靜音阻尼復(fù)合板的螺柱焊接：一般采用原裸板、原螺柱的連接工藝后，無(wú)法通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)等常規(guī)措施使得焊接強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免螺柱直接焊接與靜音板上，對(duì)于設(shè)計(jì)上無(wú)法避免的特殊情況，可以采用增加凸臺(tái)或者采用大端面新型螺柱增加連接強(qiáng)度的方法。

（4）對(duì)于低導(dǎo)電性的靜音阻尼復(fù)合板的氣體保護(hù)焊，因靜音板的氣體保護(hù)焊焊縫雜質(zhì)多，氣孔、咬邊等焊接缺陷較常規(guī)裸板嚴(yán)重，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)上盡量避免氣體保護(hù)焊對(duì)接工藝；對(duì)于焊縫強(qiáng)度要求略低的搭接焊縫可以在實(shí)驗(yàn)碰撞驗(yàn)證合格的基礎(chǔ)上允許設(shè)計(jì)。