汽車車身CMT焊接工藝研究

汪飛，葉少劍，田永強(qiáng)，彭彬彬，李慶利

（廣汽乘用車（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

MAG/MIG（熔化極氣體保護(hù)焊）是目前應(yīng)用最廣泛，經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)效率較高的氣體保護(hù)焊，但也存在焊接飛濺大、易變形、焊縫易成形不良等缺點(diǎn)。CMT（冷金屬過渡技術(shù)）焊接是奧地利Fronius公司在異種材料焊接和無飛濺起弧基礎(chǔ)上發(fā)展而來，相比于傳統(tǒng)的MAG/MIG，CMT具有焊接飛濺小、變形小、電弧穩(wěn)定、焊縫均勻一致等優(yōu)點(diǎn)。特別是對(duì)汽車車身常用的1mm以下鋼板的連接，CMT技術(shù)比MAG/MIG具有更好的焊接成形效果[1]。

1 CMT焊接原理及特點(diǎn)

CMT焊接是在短路過渡基礎(chǔ)上發(fā)展而來，同MAG/MIG技術(shù)相比（圖1），金屬溶滴過渡熱輸入量更低，至少降低50%左右。圖2為CMT焊接系統(tǒng)。在溶滴過渡時(shí)，短路發(fā)生，電流與電壓幾乎降為零，焊絲立即停止前進(jìn)并自動(dòng)回抽，電弧熄滅，熱輸入量迅速降至最低，整個(gè)焊接過程始終在冷熱交替中往復(fù)進(jìn)行，如圖3所示。區(qū)別于普通的氣體保護(hù)焊，CMT焊接送絲系統(tǒng)是閉環(huán)控制的，首次將送絲運(yùn)動(dòng)與熔滴過渡相結(jié)合，焊絲回抽頻率可達(dá)90Hz。當(dāng)數(shù)字化的控制監(jiān)測到一個(gè)短路信號(hào),就會(huì)反饋給送絲機(jī),送絲機(jī)作出回應(yīng),迅速回抽焊絲，從而使得焊絲與熔滴分離。正是因?yàn)镃MT如此特別的設(shè)計(jì)，整個(gè)焊接過程中熱輸入時(shí)間非常短，給了溶池一定的冷卻時(shí)間，使得CMT焊接具有良好的搭橋能力，不僅適用于薄板的焊接，而且裝配間隙要求更低，節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本[2]。

圖1 MIG與CMT成形效果對(duì)比

圖2 CMT焊接系統(tǒng)

圖3 CMT焊接過程

表1 MIG與CMT工藝參數(shù)

廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間大量使用了Fronius公司生產(chǎn)的CMT焊接設(shè)備，應(yīng)用于車身中輪罩、前地板、中通道、B柱等部位焊接。CMT不僅使焊接后不易變形，而且改善了車間的工作環(huán)境，這是由于CMT工藝的熱輸入量極低，有研究表明，CMT釬焊產(chǎn)生的銅煙等污染物比MIG釬焊要低90%左右，對(duì)于鍍鋅鋼板，鋅的燒損也要低63%。

2 CMT焊接工藝改善與實(shí)驗(yàn)

普通MIG/MAG在焊接過程中，焊絲干伸長改變時(shí)，焊接電流會(huì)增加或減少。而CMT焊焊絲干伸長改變時(shí)，僅僅改變送絲速度，不會(huì)導(dǎo)致焊接電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)一致的熔深，加上弧長高度的穩(wěn)定性，就能達(dá)到非常均勻一致的焊縫外觀成形[3]。影響焊縫品質(zhì)的影響因素有：焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、干伸長度、焊絲種類、板材搭接間隙、車身精度等。

2.1 焊接電流

電流是影響焊縫質(zhì)量最主要的因素，當(dāng)電流較小時(shí)，熱量不足，會(huì)導(dǎo)致板材未熔合，焊縫強(qiáng)度低；當(dāng)電流較大時(shí)，焊縫的熔深會(huì)明顯增加，越容易產(chǎn)生焊穿、氣孔、咬邊等缺陷（圖4）。

圖4 板材焊穿

2.2 焊接電壓

電壓是影響焊縫熔深的主要因素，當(dāng)電壓偏低時(shí)，熔寬變窄、飛濺增大；當(dāng)電壓偏高時(shí)，弧長變長、熔寬變寬、飛濺顆粒增大，易產(chǎn)生氣孔、咬邊等缺陷（圖5）。

圖5 咬邊缺陷

必須要注意的是，為了保證電弧過程的穩(wěn)定性，這兩個(gè)參數(shù)都有一定的范圍，并且是相互制約的。電流要有足夠的弧長，即要有一定的電弧電壓，才有穩(wěn)定的電弧和穩(wěn)定的熔滴過渡過程。CMT焊接系統(tǒng)采用的是一元化調(diào)節(jié)方式，即通過送絲速度來設(shè)置焊接電流和電壓，電弧電壓可以通過弧長修正系數(shù)來調(diào)節(jié)。經(jīng)過大量的試驗(yàn)優(yōu)化后，廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間弧長修正系數(shù)設(shè)定為0~10%。

2.3 焊接速度

在焊接電壓和焊接電流一定的情況下，焊接速度的選擇決定了單位長度焊縫所吸收的熱能量，即焊接線能量Q：

I：焊接電流（A）、U：電弧電壓（V）、t：焊接速度（mm/s）

當(dāng)焊接速度較小時(shí)，單位長度焊縫所吸收的熱量過大，易產(chǎn)生焊穿不良；焊接速度較大時(shí)，熱量偏小，會(huì)導(dǎo)致焊縫未填滿現(xiàn)象（圖6）。焊接速度還是決定生產(chǎn)節(jié)拍最主要的因素，經(jīng)過多次焊接試驗(yàn)，平衡焊縫質(zhì)量與生產(chǎn)節(jié)拍兩方面考量，廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間將焊接速度優(yōu)化為6~10mm/s。

圖6 焊縫未填滿

2.4 干伸長度

焊絲的干伸長度為焊絲從導(dǎo)電咀到工件的距離（圖7），干伸長度過短時(shí)，飛濺較大、焊絲易與導(dǎo)電咀粘結(jié)，噴嘴易被堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)頻繁停線；過長時(shí)，電弧不穩(wěn)、熔深變淺，易產(chǎn)生氣泡等不良。當(dāng)電流I<300A時(shí)，L=（10~15）倍焊絲直徑，I>300A時(shí)，L=（10~15）倍焊絲直徑+5mm。廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間采用的是直徑1mm的MG-51T型號(hào)焊絲，使用電流小于300A，因此干伸長度L選用推薦值10~15mm。

圖7 干伸長度L

2.5 焊接角度及保護(hù)氣體

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，焊槍采用前進(jìn)法焊接，即電弧推著熔池走，對(duì)板材有一定的預(yù)熱作用，氣體保護(hù)與焊縫成形效果較好，飛濺較小，焊接角度一般0~10°（圖8）。

圖8 焊接角度

保護(hù)氣體過小時(shí)，氣體保護(hù)效果不佳，易出現(xiàn)氣泡不良（圖9），過大時(shí)，熔池易被吹散，產(chǎn)生氣孔缺陷；所以，保護(hù)氣體應(yīng)選擇合適的范圍，廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間優(yōu)化后使用范圍15~20L/min。在焊裝車間，氣體保護(hù)不足一般是由于飛濺過多導(dǎo)致噴嘴堵塞，應(yīng)定時(shí)清理飛濺焊渣及噴灑防飛濺液[4]。

圖9 氣泡不良

2.6 焊接軌跡

汽車車身CMT焊接方式主要分為搭接焊和塞焊，對(duì)于搭接焊焊縫，將自下而上軌跡優(yōu)化為自上而下；對(duì)于塞焊焊縫，先熔化首層板優(yōu)化為先熔化底層板，六邊形焊接優(yōu)化為四邊形軌跡，這些都是為了減少重力對(duì)熔池的影響[5-6]。

圖10 焊接軌跡優(yōu)化

3 改善效果對(duì)比

通過一系列工藝改善，焊裝車間CMT焊縫品質(zhì)得到了明顯的提升，一次性合格率從70%提升至92%，大量減少了咬邊、氣泡、氣孔、焊穿等不良。

圖11 改善前后焊縫對(duì)比

4 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)CMT焊接技術(shù)的深入學(xué)習(xí)并結(jié)合實(shí)踐操作，分析了影響焊縫的主要因素，通過對(duì)焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、干伸長度、焊接角度和焊接軌跡的優(yōu)化，不僅大幅提升了焊縫一次性合格率、減少返修成本，而且使焊縫更加美觀，增加了車身的強(qiáng)度和抗疲勞性能。