車輛用鋁合金燃油箱MIG焊工藝分析與改進

孫建新，胡瑞玲，王金鳳，李志強

（湖北汽車工業(yè)學院 材料科學與工程學院，湖北 十堰442002）

0 前 言

隨著綠色制造理念和結(jié)構(gòu)輕量化要求的推廣，鋁合金作為一種質(zhì)量輕、耐腐蝕、經(jīng)濟效益好、再生利用率高的結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。特別是隨著大馬力發(fā)動機的使用，車輛燃油箱的容積也在不斷增大，傳統(tǒng)的電阻焊鋼質(zhì)油箱已不能滿足使用要求[1]。鋁合金燃油箱由于表面鈍化膜的抗腐蝕作用，不但使用壽命長，而且產(chǎn)品無需涂裝，已被廣泛應(yīng)用于各類汽車上。目前部分工程車輛也應(yīng)用了鋁合金油箱。

但是，與鋼鐵材料相比，鋁合金的熔焊性能較差，容易出現(xiàn)未熔合、氣孔等焊接缺陷，給鋁質(zhì)燃油箱的生產(chǎn)帶來一定困難。熔化極惰性氣體保護焊（MIG）由于采用惰性氣體作為保護氣，電弧穩(wěn)定，對金屬無氧化，且使用焊絲作為電極，具有熔敷效率高、熔深大以及焊接變形小等諸多優(yōu)點，加上采用直流反接時電弧對鋁合金及焊接熔池表面的氧化膜有陰極破碎清理作用，能夠保證焊接冶金質(zhì)量，故MIG焊是目前鋁合金燃油箱制造中普遍采用的焊接方法。本研究針對工程車輛用鋁合金燃油箱制造過程中出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題，在不改變油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計和不更換生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，對相關(guān)工藝進行分析，對相關(guān)設(shè)備進行改造，以達到保證鋁合金燃油箱生產(chǎn)合格率的要求。

1 鋁合金燃油箱的制造工藝及質(zhì)量問題

本研究所涉及的鋁合金燃油箱為方形結(jié)構(gòu)，油箱主體由方形筒體和兩個方形端蓋組焊而成，外形尺寸為1 140 mm×700 mm×700 mm，額定容量為500 L，箱體材料為2.5 mm厚的5052鋁鎂合金板。方形筒體由鋁合金板通過輥壓成形，然后焊接而成。筒體上的對接長焊縫，在目前的自動焊接專機MIG焊工藝下，一般能夠保證焊接質(zhì)量。但是，采用相同的工藝參數(shù)，在油箱方形端蓋與筒體的焊接過程中，卻大批量的出現(xiàn)未熔合和氣孔等焊接質(zhì)量問題，如圖1所示。油箱端蓋與筒體環(huán)縫的一次焊接不合格率高達30%以上，不僅需要進行大量的二次補焊，而且也增加了燃油箱二次滲漏的風險。

圖1 油箱端蓋與筒體焊縫上的焊接質(zhì)量問題

油箱端蓋采用輥壓縮口工藝，成形完畢與油箱筒體對接，縮口部分插入筒體內(nèi)，形成環(huán)形的搭接接頭。該環(huán)形焊縫采用脈沖自動MIG焊專機焊接，為單層單道焊縫，兩側(cè)環(huán)縫同時同向施焊，具體焊接參數(shù)見表1。焊接過程中焊槍固定，燃油箱隨變位器轉(zhuǎn)動。由于燃油箱為圓角方形結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動過程中，焊槍傾角和電弧長度隨時間會發(fā)生變化，因此焊接過程中，需要焊接操作人員及時熟練地人為調(diào)整焊槍角度和高度，以保證焊槍傾角和電弧長度在合適的范圍內(nèi)。

表1 鋁合金燃油箱環(huán)形焊縫的MIG焊接參數(shù)

2 鋁合金燃油箱的工藝分析

2.1 生產(chǎn)流程分析

在燃油箱筒體與端蓋焊接前，端蓋經(jīng)過輥壓縮口成形。輥壓成形后，端蓋縮口處的成形褶皺集中分布于端蓋圓角附近，在與直筒體對接裝配后，圓角附近的裝配間隙最大。但經(jīng)過生產(chǎn)跟蹤，成形褶皺一般出現(xiàn)在內(nèi)縮口部分，對裝配間隙影響有限，且最大裝配間隙不超過2 mm。經(jīng)過工藝驗證，2 mm以下的間隙量對焊接質(zhì)量影響不大。即端蓋與筒體的裝配間隙控制在2 mm以內(nèi)時，輥壓成形褶皺不是造成目前焊縫缺陷的主要原因。

燃油箱筒體與端蓋裝配完畢后將被裝夾固定在自動焊專機的變位器上。開始焊接前，操作人員一般用紗布蘸無水乙醇將待焊區(qū)擦拭一遍，目的是去除待焊區(qū)的油污。但焊接開始時并不能保證無水乙醇已完全揮發(fā)，特別是流進裝配間隙中的乙醇，一旦有殘留，很容易使焊縫產(chǎn)生氣孔。因此焊接前用無水乙醇擦拭待焊區(qū)能否改善焊接質(zhì)量值得質(zhì)疑。

雖然制造燃油箱的鋁合金板材表面有一層塑料保護膜保護，但在制造過程中保護膜已破損，燃油箱焊接裝配前會將這層膜揭除，即鋁合金表面在焊接前已有不同程度的氧化和污染。燃油箱環(huán)形焊縫施焊前，并沒有對環(huán)縫待焊區(qū)及環(huán)縫與筒體直縫交疊處進行機械清理，而筒體直縫的兩端部余高較大，或存在弧坑及較厚的氧化皮，這些不利因素會影響環(huán)縫的焊接質(zhì)量。

燃油箱的自動焊過程中，由于焊接專機的焊槍機構(gòu)和變位器分立，二者的運動不相關(guān)，加上油箱的方形結(jié)構(gòu)特點，使油箱隨變位器作勻速旋轉(zhuǎn)時，油箱與焊槍接觸處的線速度、周半徑和法線在時刻變動，即實際的焊接速度、焊絲伸出長度 （干伸長）及焊槍傾角 （焊絲與工件接觸處切線的夾角）在時刻變動中。這些不確定的工藝參數(shù)必將影響焊接質(zhì)量。為了降低這些不確定工藝參數(shù)的影響，焊接過程中由操作人員手工實時調(diào)整焊槍高度和傾角，這就會失去自動焊的優(yōu)勢。

2.2 焊接參數(shù)分析

主要焊接參數(shù)中，除表1給出的參數(shù)外，還有焊槍傾角、焊絲干伸長等參數(shù)值沒有確定。根據(jù)目前生產(chǎn)燃油箱所使用的自動MIG焊專機構(gòu)造來看，焊槍是固定的，其姿態(tài)事先已設(shè)置好，與工件的運動無關(guān)，可推斷出焊槍傾角α、焊絲干伸長l和焊接線速度v隨工件 （燃油箱）的運動會呈周期性變化，簡化后的示意圖如圖2所示。當焊接變位器帶著裝夾好的待焊油箱，從位置P經(jīng)P′轉(zhuǎn)動至P"的過程中，焊絲與油箱的接觸點會由點A經(jīng)點B再移動至點C。這個過程中，焊絲干伸長l會先變短后變長，而焊槍傾角α相應(yīng)地先變大后變小 （α→α′→α"），焊接線速度v也會變化。考慮到實際油箱截面形狀并非嚴格的方形，而是四個直邊稍有突出的 “鼓形”，所以截面邊線上各點到中心的距離差沒有示意圖中那么大，即焊接速度v的變化有限。焊接過程中，焊槍傾角α和干伸長l的變化較大，保護氣就難以達到保護效果，對焊接質(zhì)量的影響也就大[2-7]。

圖2 焊槍固定時油箱轉(zhuǎn)動的示意圖

為了驗證鋁合金燃油箱焊接過程中各項不確定工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，進行了一系列工藝試驗，結(jié)果證明，當焊絲與油箱的接觸點位于方形油箱直邊中心位置附近時 （見圖2中P"位置），焊槍傾角α將小于30°，焊絲干伸長l超過20 mm，出現(xiàn)未熔合或氣孔的概率超過50%。而鋁合金MIG焊合適的工藝參數(shù)中，α是75°～80°，l是12～18 mm[8-11]。 所以， 未熔合與氣孔往往出現(xiàn)在焊槍越過油箱圓角行至直邊中心的過程中，該處也是焊接操作人員人為干涉焊槍姿態(tài)的位置。

3 設(shè)備改進與工藝調(diào)整

根據(jù)以上分析，該鋁合金燃油箱的整個焊接生產(chǎn)過程中，工藝上存在諸多不合理之處，因此對工藝進行適當?shù)恼{(diào)整，對自動焊設(shè)備進行合理的改進。

（1）要排除不確定工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，就要改造目前的焊接設(shè)備。最好的辦法是引進焊接機器人工作站，但考慮到經(jīng)濟性和企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，可針對目前設(shè)備的焊槍機構(gòu)進行改進。將原來固定的焊槍，固定在一個能上下移動的從動桿上，從動桿的下端裝有一對可以轉(zhuǎn)動的仿形輪子，輪子跨坐在環(huán)形待焊區(qū)邊線上，隨油箱的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，同時推動從動桿上下移動。改進后焊槍與油箱運動關(guān)聯(lián)示意如圖3所示，焊槍機構(gòu)經(jīng)過改進后，待焊油箱自位置P轉(zhuǎn)動至位置P′的過程中，固定焊槍的從動桿在油箱外廓的推動下能自由上下伸縮，焊槍機構(gòu)整體跟著移動，整個過程中焊絲干伸長l和焊槍傾角α均不會發(fā)生變化。即焊槍機構(gòu)經(jīng)過改進后，焊槍傾角α和干伸長l兩個焊接參數(shù)可以確定了。

圖3 改進后焊槍與油箱運動關(guān)聯(lián)的示意圖

（2）除了加強焊材庫存管控和防潮外，還需調(diào)整工序。成形完畢的燃油箱端蓋在裝配到筒體前，就用無水乙醇將端蓋的待焊區(qū)及縮口邊一并擦拭，除去油污。待無水乙醇徹底揮發(fā)后再進行裝配。施焊前對待焊區(qū)進行機械清理。需用砂紙打磨筒體直縫的兩端部，保證環(huán)縫與直縫交疊處的焊縫余高不至過大，減小其對焊絲干伸長和保護氣流的影響，然后整體打磨一遍環(huán)形焊縫的待焊區(qū)，最后用毛刷掃除磨屑和灰塵。然后再執(zhí)行焊接。

4 結(jié) 語

經(jīng)過工藝和設(shè)備改進，該鋁合金燃油箱焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率均得到了大幅提高。解決了批量出現(xiàn)未熔合和氣孔的焊接質(zhì)量問題，一次焊接不合格率從30%以上降低至5%以下。生產(chǎn)效率得到大幅度提高，原來一臺自動焊專機由的兩名焊接人員操作，改進后一名焊接人員可以操作兩臺自動焊專機。

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