不同焊接方法對(duì)汽車鍍鋅鋼板焊接的影響*

畢 勝，王志發(fā), 楊勇帥, 李朝旭, 孟祥海

(唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063299)

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模正在日益完善和擴(kuò)大。在汽車制造過(guò)程中，鍍鋅板在汽車白車身、底盤上的應(yīng)用非常廣泛，因此鍍鋅板的焊接是影響汽車質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。由于鋅的熔點(diǎn)只有 419.53 ℃，沸點(diǎn)只有 906 ℃，因此在焊接過(guò)程中在焊縫附近容易產(chǎn)生鋅蒸汽，生成大量的焊接氣孔和飛濺大等缺陷。目前，鍍鋅板的焊接方法較多，但是焊接質(zhì)量仍然難于保障，各種說(shuō)法也不一致。因此，通過(guò)比較手工電弧焊(SMAW)、機(jī)器人氣體保護(hù)焊和機(jī)器人激光焊三種焊接方法對(duì)鍍鋅板焊接質(zhì)量的影響，對(duì)主要影響焊接品質(zhì)的焊接方法進(jìn)行歸納梳理，為鍍鋅板焊接生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量管控提供參考，具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 不同焊接方法的特點(diǎn)

1.1 手工電弧焊(SMAW)

手工電弧焊具有工藝靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。它常用于單件或小批量生產(chǎn)，也可用于野外或不易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化焊接的工件焊接，適用于各種金屬材料不同結(jié)構(gòu)及位置的焊接。其焊縫質(zhì)量除了受焊接電源性能、焊接材料和焊接工藝參數(shù)影響外，還要很大程度依賴焊工的操作水平，焊縫質(zhì)量的一致性得不到保障。另外，與自動(dòng)化焊接相比，手工電弧焊時(shí)操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，生產(chǎn)效率低；焊接過(guò)程中產(chǎn)生的高溫和有毒煙塵對(duì)操作者的身體也有一定的傷害[1-2]。因此，隨著綠色焊接自動(dòng)化的發(fā)展，手工電弧焊的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越少。

1.2 機(jī)器人氣體保護(hù)焊

焊接機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的、具有高度柔性的可編程自動(dòng)化焊接裝置[3]。機(jī)器人具有能適應(yīng)產(chǎn)品多樣化的特點(diǎn)，在一條生產(chǎn)線上可以混合生產(chǎn)若干種類型產(chǎn)品。另外，機(jī)器人焊接產(chǎn)品質(zhì)量好，焊接品質(zhì)穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，而且大大改善了工人的勞動(dòng)條件和工作環(huán)境。但是，目前普遍應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的機(jī)器人大多是第一代工業(yè)機(jī)器人(示教再現(xiàn)型機(jī)器人)，即自動(dòng)化機(jī)械手臂，智能化程度還不是很高，在一些特殊的焊接位置上仍然具有一定的局限性。另外，焊接機(jī)器人的前期投入成本高，尤其是程序編程和調(diào)試人員的培訓(xùn)成本較高，并且焊接機(jī)器人的工作范圍受設(shè)備及工作場(chǎng)地局限性的影響較大。

1.3 機(jī)器人激光焊

激光焊具有焊接效率高，可達(dá)性好，焊接熱變形及焊接熱影響區(qū)(HAZ)小的特點(diǎn)。它常用于大批量、微小型工件或薄板、有色金屬、高熔點(diǎn)金屬的焊接。激光焊機(jī)器人還能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工，可在特殊條件下進(jìn)行焊接，并且焊接設(shè)備裝置易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[4]。但是，機(jī)器人激光焊接設(shè)備的一次性投入成本較高，并且要求焊前工件加工和裝配的精度較高，光束在工件上不能偏移，否則很容易造成焊接缺陷。因此，隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，激光焊接技術(shù)將會(huì)被應(yīng)用到越來(lái)越多的汽車和精密器件產(chǎn)品的制造。

2 鍍鋅板的種類及性能

2.1 鍍鋅板的種類

由于鍍鋅板具有強(qiáng)度好和耐腐蝕好的特點(diǎn)。鍍鋅板材已廣泛用于汽車制造、冷藏箱、建筑業(yè)、通風(fēng)和供熱設(shè)施以及家具制造等領(lǐng)域。由表1看出，常見的鍍鋅板分為熱鍍純鋅、熱鍍鋅鐵合金、電鍍純鋅和電鍍鋅鎳四種。鍍鋅板具有高強(qiáng)度、高韌性、較好的焊接性、冷成型性和耐蝕性的特點(diǎn)。一般鍍鋅板的屈服強(qiáng)度在 300 MPa 以上，延伸率為15%～20%。但是，鍍鋅板焊縫HAZ表面容易產(chǎn)生氣孔和飛濺，導(dǎo)致鍍鋅板表面產(chǎn)生裂紋，會(huì)影響鋼板的疲勞性能，同時(shí)也會(huì)增加廢品率。

表1 熱浸鍍鋅和電鍍鋅兩種鍍鋅板的制作方法及優(yōu)缺點(diǎn)[5]

2.2 鍍鋅板的性能

從焊接加工產(chǎn)品質(zhì)量角度考慮，鍍鋅層較薄的電鍍純鋅板的應(yīng)用范圍更廣。鍍鋅層對(duì)鋼板表面的保護(hù)可從物理保護(hù)和化學(xué)保護(hù)兩個(gè)方面起作用[6-7]。首先，經(jīng)過(guò)噴涂Zn顆粒形成一層致密的保護(hù)層，又稱為防腐蝕鋅膜，對(duì)鋼板有較好的保護(hù)作用，形成一層物理防護(hù)；其次，當(dāng)鍍鋅層受到破壞時(shí)，露外面的鍍鋅層和鋼板會(huì)形成原電池。鍍鋅層為陽(yáng)極，鋼板為陰極，即犧牲陽(yáng)極保護(hù)法，形成了化學(xué)防護(hù)。因此，鍍鋅層可以有效保護(hù)板材的表面不受破壞，并且大大提高了鋼板的抗腐蝕性能。

3 鍍鋅鋼板的焊接現(xiàn)狀

3.1 手工電弧焊接現(xiàn)狀

相比于普通低碳鋼的焊接，鍍鋅板的焊接仍然存在諸多問(wèn)題[8]。由于鋅的沸點(diǎn)低，焊接過(guò)程中產(chǎn)生大量的鋅蒸汽。當(dāng)引燃的電弧接觸到鍍鋅層時(shí)，產(chǎn)生的鋅蒸氣向外噴射，很容易使焊接產(chǎn)生熔渣粒子、氣孔、飛濺、未熔合及裂紋等焊接缺陷，鍍鋅層的存在也容易造成脆化裂紋的產(chǎn)生。電弧的穩(wěn)定性也受到影響，焊接質(zhì)量下降，同時(shí)焊接過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量白色煙霧和灰塵。另外，由于手工電弧焊的電流密度小，電弧較寬，焊縫熱影響區(qū)較大，且熱輸入量大，鍍層鋅的大量蒸發(fā)降低了鍍鋅板焊縫處的抗腐蝕性能[9]。

3.2 機(jī)器人氣體保護(hù)焊現(xiàn)狀

相比于手工電弧焊，機(jī)器人MAG焊具有焊接電弧更集中，效率更高的特點(diǎn)。然而，在機(jī)器人MAG焊焊接薄鍍鋅板過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)許多的缺陷。比如，在焊接搭接接頭的鍍鋅板時(shí)，除了鋅層蒸發(fā)外，焊接熔池除了受到重力作用外，還受到電弧吹力和液體表面的張力的影響。因此，容易導(dǎo)致接頭處鍍鋅板下板鋅層燒損嚴(yán)重，如果焊絲的電流密度過(guò)大，極有可能導(dǎo)致鋼板燒穿和焊漏。另外，由于汽車部分零件焊縫具有尺寸小，長(zhǎng)度短，數(shù)量多的特點(diǎn)，在進(jìn)行機(jī)器人MAG焊平角焊時(shí)，由于熔池自身重力的作用，容易產(chǎn)生溝槽，鍍鋅板的立板易形成咬邊的缺陷[10]。當(dāng)機(jī)器人焊接速度較快時(shí)，在收弧位置停留時(shí)間短，熔化的焊道位置未被填滿便停止送絲，導(dǎo)致焊縫末端焊液冷卻收縮后形成凹坑，產(chǎn)生弧坑裂紋[11]。同時(shí)，機(jī)器人焊接過(guò)程中焊接熱輸入造成工件受熱不均勻，不穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，受到夾具的約束作用，近焊縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致焊后鍍鋅板產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形。

為了降低焊接熱輸入盡量減少鋅層的蒸發(fā)，電弧MIG釬焊也常常用于汽車鍍鋅薄板的焊接，但是由于電弧釬焊過(guò)程母材不熔化，只是低熔點(diǎn)的釬料融化后浸潤(rùn)到焊件接縫間隙內(nèi)，形成工件的連接。因此，釬焊接頭的強(qiáng)度一般比較低、耐熱能力差，并且多采用搭接接頭形式，增加了母材消耗和結(jié)構(gòu)重量[12]。因此，無(wú)論是機(jī)器人MAG焊還是MIG焊都具有一定的局限性，一些重要的鍍鋅板結(jié)構(gòu)件上很少使用機(jī)器人氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。

3.3 機(jī)器人激光焊接現(xiàn)狀

機(jī)器人焊接鍍鋅板的焊縫具有成型美觀，焊縫強(qiáng)度高，鋼板變形小等特點(diǎn)[13]。接頭形式可以直接影響焊接質(zhì)量。當(dāng)接頭形式為對(duì)接時(shí)，焊接過(guò)程中會(huì)形成鋅蒸氣在鋼板的上、下表面自由膨脹散發(fā)到空氣中去，而且鋅燒損區(qū)域很窄，一般為1～2 mm，接頭的抗腐蝕性能沒(méi)有得到太大的惡化[14-16]；當(dāng)接頭形式為搭接時(shí)，鋼板間的鋅蒸氣很容易進(jìn)入到熔池中去，產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷，降低了接頭性能[17](如圖1所示)。另外，不同功率的激光焊接，可影響焊接生產(chǎn)效率，為了提高生產(chǎn)效率。常采用大功率激光進(jìn)行焊接。然而，大功率激光焊接鍍鋅板，焊接過(guò)程又受到焊接氣氛和鋅層厚度的影響。因此，大功率激光焊接鍍鋅板常采用高純氬氣(純度>99.99%)對(duì)焊縫進(jìn)行保護(hù)，一方面加快焊縫冷卻速度，另一方面更重要的是防止焊縫的氧化[18-19]。

圖1 激光搭接鍍鋅板焊接截面圖[17]

鍍鋅鋼采用機(jī)器人激光焊接時(shí)，同樣存在鍍鋅層蒸發(fā)，氣孔等少量缺陷，但是產(chǎn)品質(zhì)量和合格率相比于其它焊接方法得到大大提高[20-21]。激光焊焊接鍍鋅板單位熱輸入量少、熱變形小、焊縫深寬比大、焊接速度高、焊縫強(qiáng)度普遍高于母材，且激光焊接是單邊加工、復(fù)雜結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程焊接和自動(dòng)化[22-23]。因此，機(jī)器人激光焊接在將來(lái)的鍍鋅板焊接領(lǐng)域必將越來(lái)越廣泛。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)歸納手工電弧焊、機(jī)器人氣體保護(hù)焊和機(jī)器人激光焊接鍍鋅板的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人激光焊接鍍鋅板的焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)于其它兩種焊接方法。但是，焊接質(zhì)量除受焊接方法影響外，還受到焊接接頭形式、焊接電流、焊接電壓和焊接速度等焊接工藝因素的影響，鍍鋅板的焊接是一個(gè)復(fù)雜的熱加工過(guò)程。因此，隨著焊接技術(shù)向數(shù)字智能化方向發(fā)展，機(jī)器人激光焊接將會(huì)是更加高效的鍍鋅板焊接方法。