冷焊技術焊接碳鋼的工藝探討

屈文潔，陳民昌，牟迪

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

冷焊技術是一種非常有效的碳鋼焊接工藝，非常適用于薄板焊接和輕型材料的焊接之中，船舶和汽車制造領域涉及到非常多的輕型材料和薄板材料，這項技術的應用對船舶和汽車的制造行業有著重要的意義。與熱焊接技術相比，冷焊接工藝具有焊接碳鋼變形量小、金屬飛濺量少、氣孔少等突出的優勢。冷焊接工藝是一種少熱量輸入的焊接工藝，因此在冷焊接碳鋼的過程中沒有碳鋼熔化飛濺的現象出現，因熱量輸入低而具有變形量小的特點。我國在碳鋼冷焊接工藝的設計和調控上還有很大的空間。

1 冷焊技術的工藝特點

冷焊技術也叫做低熱量輸入焊接技術，這是區別于熱焊接技術而言的。近年來，制造業和工業朝著質量更輕、強度更高、韌性更好的方向發展，冷焊接技術恰恰在工業和制造業飛速發展之時為生產力和生產力量提供了強有力的技術支撐。

現在，新型的碳鋼已經擺脫了以前質量大、體積大的特點，逐漸向輕量化轉型，新型的碳鋼已經走進了各個行業，企業和高校對新型碳鋼的材料研究和生產質量都投入了較前幾年更大的精力，傳統的鋼鐵材料已經無法滿足產品的性能要求和使用需求，逐漸被新型的碳鋼所取代。這些碳鋼的結構件厚度逐漸變薄，質量逐漸變輕，用常規的焊接方法很容易使碳鋼產生熱變形，因此熱焊接技術如果控制不好熱量的輸入則對于碳鋼的焊接結合強度和焊縫組織性能來說都是一種挑戰。冷焊接技術則規避了熱量注入而引發的熱變形和熱應力，使得碳鋼在焊接的過程中在常溫下進行，焊縫質量高，焊接結合強度也可以得到保證，尤其是在對薄壁碳鋼的焊接過程及焊接質量具有重要的貢獻。

冷焊接技術經過不斷的研究已經有了一些應用，奧地利的一家材料公司對焊接工藝進行了大量研究，并研究出大量的創新性工藝成果，其中，冷金屬過渡焊接技術是冷焊接工藝的典型代表，該公司長期集中精力研究無飛濺焊接技術，引弧微連接技術，在上述兩種焊接技術逐漸發展并且成熟的基礎之上研究和發展了冷金屬過渡電弧焊接工藝，這種冷金屬過渡電弧焊接工藝特點是溫度低，溫度低對兩種結構參數有較大的影響，其一是焊接速度，其二是焊縫的晶粒生長速度和晶粒尺寸，這兩個材料結構參數是影響焊縫性能的主要因素，是決定焊縫質量的重要參數。冷焊接技術在航空航天，船舶制造，汽車生產領域都發揮著重要的作用，但冷焊接技術也必然有其工藝上的缺點和弊端，對其工藝特點進行研究具有重要的理論意義和工業生產價值。

2 冷焊接在碳鋼中的應用

某課題組在對高鐵上使用的碳鋼進行冷焊接的工藝研究表明，冷焊接工藝相比于脈沖焊接工藝溫度低，在碳鋼的厚度較大時，采用多層數和多個焊道進行焊接時，焊縫的組織結構和質量相比于脈沖焊接更加優異，采用冷焊接工藝控制了熱輸入，使得晶粒長大過程變慢，晶粒的平均尺寸減小，以等軸晶的形式生長的晶粒區域顯著擴大，與此同時還降低了碳鋼焊縫的熱影響區對焊接接頭的力學性能影響。在氬氣保護的實驗條件下，對碳鋼進行了冷焊接，研究了焊接過程的穩定性、焊縫形成的質量、焊接的效率以及焊縫及焊接后碳鋼的綜合力學性能。結果表明，激光對焊接過程中的焊接穩定性有較大的影響，激光使的電弧的挺度變大是焊接過程中穩定性好的直接原因。這種冷焊接工藝在提高了焊接過程穩定性的同時也使得焊接后的焊縫美觀性提升，單面的焊接工藝完成了焊縫的雙面成形，冷焊接的后對焊接接頭進行結合強度、壓痕實驗、劃痕實驗等的結果表明，與TIG填絲焊等主流的熱焊接技術相比，其硬度、強度、韌性和彈性模量也保持了較高的水準，在這種綜合性能沒有顯著下降的情況下，冷焊接技術的焊接效率卻有了顯著提高，焊接效率增加了5倍之多，而冷焊接的焊接熱量輸入卻減少至熱焊接的一半以內。

2.1 超薄碳鋼板材的焊接應用

（1）高強度碳鋼超薄板。如上文所述，高強度碳鋼薄板的焊接工藝可以選擇熱焊接工藝也可以選擇冷焊接工藝，但首選冷焊接工藝。冷焊接設備可以通過數字控制使電源產生的電弧和送絲機產生的焊絲以最優的協同效果進行融合，在獲得最佳溶滴效果的前提下以最低的電弧熱量進行輸入，這樣可以顯著減小高強度碳鋼薄板的熱變形和熱應力，相比于傳統的熱焊接工藝具有無法比擬的優勢，例如傳統的MIG焊工藝和MAG焊工藝則存在較大的熱量輸入，易于在焊接高強度碳鋼薄板時出現熱變形。

（2）碳鋼薄壁件。工業的發展使得人們對碳鋼的需求逐漸增加，在現代化企業的生產過程中，碳鋼已經應用到每一個角落，碳鋼容器的制造和生產、機械加工領域以及食品機械加工領域的碳鋼材料以及鋼管的制造行業都需要大量的碳鋼的薄壁件，直接生產出復雜結構的碳鋼薄壁件一方面受制于技術的局限性，另一方面也受到成本的制約，因此焊接工藝的選取決定了碳鋼薄壁件的最終成形。碳鋼薄壁件在焊接時就遇到了控制熱變形、焊接工藝導致顏色改變以及焊接效率無法提高的問題，從這些問題的根源中可以看出，幾種問題都和熱輸入量有關，降低焊接過程中的熱輸入量將有效地改善上述問題。實驗表明，冷焊接過程可以顯著改善碳鋼薄壁件的焊接熱變形量，保持焊接前后的顏色，提高焊接效率。

（3）帶鍍層的碳鋼薄板。碳鋼的生銹現象會引起碳鋼表面被腐蝕，進而嚴重影響碳鋼薄板的外觀，甚至影響碳鋼薄板的力學性能，因此在對碳鋼進行保護時往往滲入一層鋁或者滲入一層鋅來防銹蝕，還有些碳鋼薄板采用磁控濺射或者電弧鍍的方式向碳鋼薄板上鍍一層薄膜，那么當這些帶有鍍層的碳鋼薄板需要進行焊接時則需要謹慎的選擇焊接工藝。在焊接帶鍍層的碳鋼薄板時最關鍵的環節就是保護碳鋼薄板的鍍層，常用的熱焊接工藝極易破壞鍍層，因熱焊接工藝的焊接過程熱輸入量大會提高碳鋼薄板的表層溫度，當溫度升高到一定值時碳鋼薄板表面的鋅就會開始蒸發，這種鋅的焊接氧化和蒸發現象會導致碳鋼薄板焊接過程中產生氣孔，導致熔合度變差并且有可能產生裂紋。減少熱輸入量的焊接技術可以滿足帶鍍層的碳鋼薄板焊接工藝要求，在保持較高的焊接質量的同時可以盡量降低碳鋼薄板鍍層的破壞。

2.2 異種金屬焊接

異種金屬焊接在汽車制造、集裝箱制造領域的應用場景逐漸變得豐富，碳鋼和鋁合金的焊接就是異種金屬的焊接。其難點在于碳鋼和鋁合金熔點不同，密度有顯著差異，在焊接時熱膨脹系數不同，晶體學特征不同，力學性能也有較大差異。在這些區別的存在下，碳鋼和鋁合金在進行熱焊接后很容易產生開裂，開裂的原因是由熱膨脹系數不同導致的，因熱膨脹系數不同，在加熱焊接時碳鋼和鋁合金融合在一起，焊接結束后，碳鋼和鋁合金會逐漸降溫，不同的熱膨脹系數會導致碳鋼和鋁合金的體積收縮率不同，就會導致焊接接頭的開裂。而導致焊接失敗的另一個原因是碳鋼和鋁合金的晶體學特征不同，晶面間距、生長取向和晶粒大小都不同，這就導致焊接結合后碳鋼和鋁合金的焊接接頭不能有很高的結合強度，導致焊接接頭力學性能出現顯著下降。而冷焊接工藝可以在獲得最佳溶滴效果的前提下以最低的電弧熱量進行輸入，這樣可以顯著減小熱量的輸入，相比于傳統的MIG焊工藝和MAG焊工藝等熱焊接工藝具有無法比擬的優勢。

3 結語

從冷弧焊的工作原理來看，目前還有許多關鍵技術有待突破，其系統設備復雜、成本高、難于推廣，在送絲控制上沒有給予足夠的重視。綜上所述，由于冷焊工藝的復雜性，技術有待成熟，需要解決的關鍵技術有以下幾方面。

（1）精確、可靠的波形協同控制技術，確保在熔滴過渡時電流為零。

（2）穩定、兼容性強的送絲方式。針對 Fronius 存在焊槍上回抽易導致焊絲折斷的缺點，必須研制出能夠長期穩定、可靠工作，且能兼容各種尺寸焊絲的送絲機。

（3）針對目前冷焊送絲機結構復雜、兼容性差、價格昂貴的缺點，需研制出性能更好、成本更低、兼容性更強的送絲機。