汽車用鍍鋅板焊接缺陷控制研究進(jìn)展

葉浩

(福建奔馳汽車有限公司，福建 福州 350119)

0 前言

在當(dāng)前汽車行業(yè)鍍鋅板已經(jīng)廣泛的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷軋鋼板，廣泛的應(yīng)用于白車身設(shè)計(jì)中。鍍鋅板目前的連接工藝主要有電阻點(diǎn)焊、熔化極混合氣體保護(hù)焊(Metal active gas arc welding，MAG)、冷金屬過渡焊接(Cold metal transfer welding, CMT)、激光焊接等。由于汽車生產(chǎn)過程中，存在零部件、半成品精度尺寸鏈累加情況，導(dǎo)致焊接過程存在焊縫精度、搭接間隙不穩(wěn)定等問題，同時(shí)鍍鋅板焊接還存在鋅蒸汽氣孔問題，從而造成鍍鋅板焊接過程中容易產(chǎn)生焊偏、焊穿、氣孔等品質(zhì)缺陷。因此，如何更好的在鍍鋅板搭接焊中，對(duì)主要影響焊接品質(zhì)的因素進(jìn)行梳理，提供理論指導(dǎo)，為汽車生產(chǎn)過程中的品質(zhì)管控提供參考，具有重大的意義。

1 鍍鋅板在汽車行業(yè)的應(yīng)用

鍍鋅板是指在高強(qiáng)鋼板表面通過電鍍或熱鍍工藝，使其表面附著上雙面鋅金屬薄層。鍍鋅層在高強(qiáng)鋼板表面形成致密的保護(hù)層，形成物理防護(hù)[1]，同時(shí)當(dāng)鍍鋅層被破壞，內(nèi)部鋼板暴露時(shí)，外露的鋼板和鋅層會(huì)形成原電池，鍍鋅層作為犧牲陽極被氧化，而鋼板作為陰極得到保護(hù)。因此鍍鋅層可以有效地提高鋼板切口、焊縫接頭的耐腐蝕性能[2]。

由于鋅的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于鋼板熔焊時(shí)熔池溫度，焊接過程中，鍍鋅層先受熱蒸發(fā)為鋅蒸汽，鋅蒸汽進(jìn)入熔池后若不能及時(shí)從熔池中逸出，會(huì)造成焊接接頭產(chǎn)生氣孔缺陷[3]，所以鍍鋅鋼板焊接接頭的氣孔等缺陷控制，一直是汽車行業(yè)重點(diǎn)研究方向。

2 鍍鋅板焊接工藝種類及優(yōu)缺點(diǎn)

汽車生產(chǎn)中，鍍鋅板目前的焊接工藝主要有電阻點(diǎn)焊、MAG焊接、CMT焊接、激光焊接等。

電阻點(diǎn)焊具有加熱集中，板材變形小，投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前汽車車身最主要的連接方式。與普通鋼板相比，鍍鋅板的電阻點(diǎn)焊還存在一些問題，如熔化的鋅層會(huì)導(dǎo)致電流密度減少，同時(shí)也會(huì)粘附在鍍鋅板表面和焊槍電極頭上，加快電極頭損耗，影響車身焊接質(zhì)量。

MAG焊接采用可熔化的焊絲作為電極，配合80%Ar+20%CO2的混合氣體進(jìn)行焊接保護(hù)，熔化的焊絲以熔滴的方式過渡到熔池中，與母材熔合，最后冷凝形成焊縫金屬。MAG焊接具有適用范圍廣，熔化電極可以采用大電流工藝，焊絲熔化快母材熔深大等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也存在變形量大不適合薄板焊接、飛濺難控制、鋅蒸汽易造成焊縫氣孔缺陷等缺點(diǎn)。

CMT焊接技術(shù)是一種較新的焊接工藝，在送絲系統(tǒng)和熔滴過渡的數(shù)字化協(xié)調(diào)控制下，實(shí)現(xiàn)無電流狀態(tài)下的熔滴過渡和精準(zhǔn)的弧長(zhǎng)控制、低熱輸入量，極大的減少了焊接飛濺和板件的變形量，但也存在受車身板件間隙及精度的影響較大，容易出現(xiàn)焊偏、焊穿、焊縫氣孔等焊接缺陷[4-5]，福建奔馳焊裝車間通過加強(qiáng)CMT焊接相關(guān)搭接鋼板的精度品質(zhì)，并通過導(dǎo)入CMT焊縫跟蹤系統(tǒng)，有效降低焊偏焊穿等品質(zhì)缺陷。

激光焊接具有生產(chǎn)效率高、鋼板搭接邊緣寬度要求小、外觀品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，但同樣也存在鍍鋅板在焊接過程中鋅蒸汽的逃逸問題，這也是影響激光焊縫質(zhì)量的重要因素[6]。

3 鍍鋅板焊接工藝主要缺陷控制研究

鍍鋅板熔化焊的主要缺陷有焊偏、焊穿、氣孔等，在CMT焊接、激光焊接工藝中，通過增加視覺檢測(cè)設(shè)備，可以很好的解決焊偏和焊穿等品質(zhì)問題，圖1為焊縫視覺檢測(cè)系統(tǒng)示意圖，圖2為焊縫視覺檢測(cè)及位置偏差補(bǔ)償示意圖所示，福建奔馳焊裝車間通過導(dǎo)入CMT焊縫跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)，在不受照明條件和電弧環(huán)境影響的前提下，焊接設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤、尋位和測(cè)量，以及對(duì)焊槍焊接軌跡實(shí)時(shí)控制。通過焊縫跟蹤系統(tǒng)的導(dǎo)入，CMT焊縫的焊偏和焊穿等缺陷基本消除。

圖1 焊縫視覺檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2 焊縫視覺檢測(cè)及位置偏差補(bǔ)償示意圖

針對(duì)鍍鋅板焊接氣孔缺陷，汽車行業(yè)內(nèi)對(duì)其也進(jìn)行了深入探討和研究，目前普遍認(rèn)為是鍍鋅板熔化焊中鋅蒸汽形成了氣泡，在熔池中來不及逃逸，最終在焊縫里留下了氣孔，同時(shí)鋅蒸汽在熔池上浮過程中，也會(huì)干擾電弧，造成焊接電弧不穩(wěn)定，影響焊接質(zhì)量。豐田汽車公司的Matsui等人[7]認(rèn)為鍍鋅板搭接焊過程中，鋅在熱影響區(qū)中被高溫氣化并擠入熔池中。目前為了減少鋅蒸汽氣孔對(duì)于鍍鋅板焊接質(zhì)量的影響，汽車行業(yè)常用的控制方法主要有以下途徑。

3.1 預(yù)置鍍鋅板搭接間隙，或預(yù)開鋅蒸汽排氣孔

研究表明通過在鍍鋅板間預(yù)留搭接間隙、開排氣孔等方法，制造鋅蒸汽逃逸通道，降低焊縫氣孔率，提高鍍鋅板焊接質(zhì)量[8]。預(yù)開鋅蒸汽排氣孔法需要預(yù)先在待焊母材上加工出排氣小孔，使焊接過程中鋅蒸汽能夠從排氣小孔中排出，一般在搭接的下層鍍鋅板板上打出排氣小孔，再使用MAG焊、CMT焊或激光進(jìn)行焊接，由于此工藝增加了前處理工序，生產(chǎn)效率低，不適合批量性生產(chǎn)[9]。

吹送保護(hù)氣體是激光焊接中最常用的工藝，其方式有同軸吹氣和側(cè)吹兩種,其控制參數(shù)有保護(hù)氣體種類、氣體流速、側(cè)吹方向、側(cè)吹角度、噴嘴尺寸等[10-13]。Yang等人[14]研究了在連續(xù)激光焊時(shí)，采用側(cè)吹保護(hù)氣體Ar氣進(jìn)行焊縫保護(hù)，以避免焊縫氧化，并具有去除焊接區(qū)域等離子體、穩(wěn)定焊接熔池等作用。熔池的不穩(wěn)定極易導(dǎo)致小孔崩塌，穩(wěn)定的小孔為高壓鋅蒸汽提供出口。所以，激光搭接焊中要配合適當(dāng)?shù)墓に嚥拍芊€(wěn)定小孔，為排除鋅蒸汽提供通道。在激光焊中，鋅蒸汽形成及積聚到較高的壓強(qiáng)是在瞬間完成的，僅靠側(cè)吹保護(hù)氣體難以完全避免缺陷。與連續(xù)波激光焊接不同，脈沖焊時(shí)小孔的形成是間斷性的。CO2激光焊脈沖模式焊接鍍鋅板和Nd:YAG脈沖焊熱鍍鋅和電鍍鋅板的焊接中均可以獲得焊縫外觀質(zhì)量合格的焊接接頭[15-16]。但對(duì)焊縫內(nèi)部進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)有氣孔形成，所以單獨(dú)的脈沖激光焊很難獲得無缺陷的焊接接頭。

相比之下，預(yù)留間隙方法在生產(chǎn)中較為可能實(shí)現(xiàn)。上海交大的張帆等人[17]認(rèn)為激光搭接焊時(shí)，鍍鋅板間隙在 0.1～0.2 mm 時(shí)可以得到比較好的焊縫，隨著激光功率增大，間隙容差值可再提高，鍍鋅板搭接間隙越小，氣孔傾向越大，有的氣孔壁可以觀察到鋅顆粒附著，搭接板密貼狀態(tài)下，氣孔生產(chǎn)率最高。圖3～圖5為鍍鋅板激光焊接示意圖，福建奔馳焊裝車間鍍鋅板激光焊工藝中，通過對(duì)下層鍍鋅鈑件使用激光連續(xù)脈沖，熔化金屬瞬間向上拉起焊接熔池，在下層鈑金表面制造出凸點(diǎn)，在鈑金搭接時(shí)，把上層板件支撐起來。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)凸點(diǎn)高度即鋼板間隙在0.15 mm 時(shí)，焊接質(zhì)量明顯提升，飛濺與氣孔消失，當(dāng)焊縫間隙超過0.15 mm時(shí)填料將會(huì)流入板間間隙，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度降低[18]。

圖3 連續(xù)脈沖產(chǎn)生的凸點(diǎn)

圖4 連續(xù)脈沖鈑金的焊接結(jié)果

圖5 凸點(diǎn)使鈑件間預(yù)留0.15 mm的間隙

3.2 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)

李超豪[19]研究了鍍鋅板CMT熔化焊工藝參數(shù)中，焊接速度對(duì)焊縫氣孔尺寸及數(shù)量的影響，焊接速度快時(shí)，熔池的凝固時(shí)間短，氣孔來不及互相吞并和長(zhǎng)大，容易出現(xiàn)連續(xù)的細(xì)小氣孔。當(dāng)焊接速度慢時(shí)，熔池凝固時(shí)間延長(zhǎng)，氣孔上浮時(shí)間長(zhǎng)，從而有更長(zhǎng)時(shí)間互相吞并和逸出，從而形成數(shù)量減少但尺寸較大的氣孔。

張屹等人[20-21]對(duì)鍍鋅板的激光焊接中鍍鋅層燒損進(jìn)行研究，試驗(yàn)研究表明，影響鋅燒損的因素依次為焊接速度、激光功率、輔助氣體流量、離焦量。焊接速度越小，激光功率越大，鋅燒損越嚴(yán)重，焊縫的耐蝕性能也越差。在激光焊接中，為降低鋅蒸汽和鋅等離子體對(duì)激光束的阻隔效應(yīng)，可以在搭接界面處添加金屬粉末(如鎳合金粉、銅粉等)，減少鋅蒸汽和鋅等離子體的產(chǎn)生，同時(shí)也降低等離子體溫度及其振幅。因此，在鍍鋅板搭接弧焊時(shí)，設(shè)計(jì)合理的工藝參數(shù)，對(duì)減少鋅燒損量具有重要意義。

MAG焊、CMT焊在焊接時(shí)，焊槍采用推焊(前進(jìn)方向與傾角相反)，由于焊槍對(duì)前方待焊金屬的起預(yù)熱效果，鋅層會(huì)提前蒸發(fā)從而減少氣孔的數(shù)量，同時(shí)推焊可以提高焊縫熔深，延長(zhǎng)熔池凝固時(shí)間，利于氣孔從熔池逸出。

CMT焊相較于MAG焊接具有熱輸入小，焊接穩(wěn)定的特點(diǎn)，但同時(shí)存在焊縫冷卻速度快，焊縫氣孔率高等問題點(diǎn)。李超豪等人[22]發(fā)現(xiàn)鍍鋅板CMT焊保護(hù)氣體的成分對(duì)焊縫氣孔數(shù)量有明顯影響，在保護(hù)氣體為20%CO2+80%Ar中增加CO2的比例可以使部分Zn氧化為ZnO等氧化物浮渣，減少鋅蒸汽氣孔數(shù)量。但保護(hù)氣體中過大的CO2比例會(huì)使焊接過程產(chǎn)生CO氣孔，因此40%～60%的CO2比例的保護(hù)氣體比較合適。

3.3 去除或減少焊縫鍍鋅層

在激光焊接中，采用雙光束焊接，一束主光實(shí)現(xiàn)主焊接功能，另一束激光作為輔助加工。輔助光束不僅可以用來預(yù)先汽化鋅層，減少后期熔池中鋅蒸汽的數(shù)量，同時(shí)還可以延遲焊接熔池的凝固，使氣孔有更多時(shí)間從熔池中排出[23-25]。

封小松等人[26]研究了并行雙光束負(fù)離焦釬焊鍍鋅板, 釬料對(duì)縫隙下部的潤(rùn)濕鋪展效果更好, 與母材相互作用更充分,結(jié)合更為緊密。2 mm 焦點(diǎn)間距的串行雙光束釬焊中, 前束激光具有較大的激光功率時(shí), 更容易獲得釬料在母材表面的良好的潤(rùn)濕鋪展, 并可減少母材鍍鋅層燒損。增加串行排布的激光焦點(diǎn)間距, 更能促進(jìn)釬料在母材表面的鋪展, 并增強(qiáng)釬焊過程的適應(yīng)性, 釬縫的成形性能更優(yōu)良。

美國(guó)焊接協(xié)會(huì)[27]推薦的工藝是機(jī)械打磨焊接處的鍍鋅層，此方法可以有效遞減焊縫處鋅蒸汽造成的氣孔，但不適用于批量化汽車生產(chǎn)工序，同時(shí)鍍鋅層的打磨也降低了高強(qiáng)鋼板的抗腐蝕性能。

3.4 調(diào)整填充焊絲的化學(xué)成分

Dong等人[28]研究了分別含有硅、銅和鋅合金元素的焊絲對(duì)鍍鋅板焊接接頭組織及性能的影響，結(jié)果表明，含有Si元素焊絲的焊接接頭強(qiáng)度明顯高于填充含有Cu和Zn元素焊絲的焊接接頭。這是因?yàn)镾i元素具有很好的流動(dòng)性，使得金屬間化合物厚度減小，晶粒得到細(xì)化，從而提高了焊接接頭的力學(xué)性能，且Si含量越高，晶體細(xì)化越明顯，焊接接頭的力學(xué)性能越好。

神戶制鋼Yamazaki等人[29]研究表明低Si低Mn的焊絲有助于氣孔的減少，焊絲中Si含量的降低可以增加熔池表面張力，Mn含量的降低可以降低電阻率，從而增加電弧力，兩者共同作用，可以防止熔池過快得蓋住電弧下方區(qū)域，使氣泡直接逃逸；上海交大黃煜乾[30]對(duì)比不同焊絲對(duì)CMT焊縫氣孔的逃逸影響，研究表明熔池的粘度隨Si含量的增加而增大，從而對(duì)氣泡的逸出起阻礙作用。

徐國(guó)建等人[31]對(duì)不銹鋼窄間隙激光填絲焊的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，填充焊絲中的Cr，Ni和Si含量比母材金屬的高，固溶強(qiáng)化效果比母材的好。同時(shí)激光填絲焊的快速加熱和快速冷卻作用，其焊縫組織比母材組織更細(xì)小，晶界強(qiáng)化效果增大，硬度值高于母材的。

通過調(diào)整和匹配不同元素的填充焊絲，可以改善焊絲與母材的融合特性，補(bǔ)償母材元素?zé)龘p問題，從而避免焊接過程中出現(xiàn)熱裂紋、氣孔等焊接缺陷，從而獲得良好的力學(xué)性能和焊縫成形性能[32-33]。

4 結(jié)論

通過一系列的研究表明，針對(duì)高強(qiáng)鍍鋅板焊接過程中，受焊縫精度、搭接間隙不穩(wěn)定造成的焊偏、焊穿等品質(zhì)缺陷，可以通過導(dǎo)入視覺檢測(cè)系統(tǒng)解決。同時(shí)可以通過預(yù)置搭接間隙、優(yōu)化焊接工藝、去除或減少焊縫鍍鋅層及選擇低Si低Mn元素的焊絲，利于鋅蒸汽的數(shù)量減少和逃逸速率的增大，從而優(yōu)化焊接鋅蒸汽氣孔問題，提高焊縫品質(zhì)。