焊渣對(duì)鍍鋅汽車零件焊接缺陷的影響研究

彭周，葉飛，崔振祥，黃全偉，吳彥駿，馬家艷

（1.寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院，上海 201900；2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（寶鋼），上海 201900；3.寶鋼日鐵股份有限公司，上海 201900）

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)輕量化的要求不斷增加[1—3]，各種金屬材料依然是車身的基礎(chǔ)構(gòu)成，沖壓、焊接等成形方式依然發(fā)揮著巨大的作用[4]，其中汽車零件焊接問題一直是業(yè)界的研究熱點(diǎn)[5—6]，尤其在焊接現(xiàn)場，焊渣對(duì)鍍鋅材質(zhì)的影響較為顯著，若不能及時(shí)清除焊接過程中產(chǎn)生的焊渣，不但會(huì)影響零件焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性[7]，還會(huì)對(duì)后繼的涂裝效果造成破壞，大大降低該部位的防腐能力，從而帶來車身早期銹蝕的隱患[8]，所以注重焊渣在焊接過程中的控制對(duì)汽車生產(chǎn)有重要意義。文中針對(duì)某車型白車身在焊接裝配過程中因焊渣導(dǎo)致鍍鋅板零件表面產(chǎn)生凸包缺陷進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的解決途徑。

1 試驗(yàn)

焊機(jī)選擇DRWS-11雙頭儲(chǔ)能焊機(jī)（變壓器容量為400 kVA，電容為1000 μF）。選擇鍍鋅GI材料，牌號(hào)為DX56D+Z，厚度為0.7 mm。

某車企的一款車型側(cè)圍零件采用鍍純鋅 GI材料，鋼板厚度為 0.7 mm，與非鍍鋅材料相比，在進(jìn)行焊接鍍鋅材料零件時(shí)，通常會(huì)增加焊接電流達(dá)到焊接效果，所采用的焊接參數(shù)為C=0.2 F，Uc=350 V，最高峰值接近85 kA，但這容易同時(shí)產(chǎn)生大量焊渣飛濺，濺出的高溫殘?jiān)掣降搅慵砻孢M(jìn)而影響零件質(zhì)量（見圖1，其中灰色斑點(diǎn)就是粘附在表面的焊渣），導(dǎo)致需增加人工打磨工序來保證效果（見圖2）。焊裝現(xiàn)場反饋焊渣飛濺到側(cè)圍上邊梁正面時(shí)有渣斑出現(xiàn)，經(jīng)打磨后，表面不會(huì)凹凸變形（見圖3），但當(dāng)焊渣飛濺到反面時(shí)就導(dǎo)致了零件表面出現(xiàn)凸包變形（見圖4），打磨后也不易消除影響。

圖1 側(cè)圍B柱正面焊渣飛濺形貌Fig.1 Morphology of welding slag spatter on the front side of side pillar B

表1 DX56D+Z鍍鋅鋼板的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of DX56D+Z galvanized steel sheet

圖2 焊渣返修打磨后的形貌Fig.2 Morphology after removal of welding slag and grinding

圖3 側(cè)圍上邊梁內(nèi)側(cè)焊渣形貌Fig.3 Morphology of welding slag inside the rood side rail of side wall

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀分析及結(jié)果

對(duì)缺陷部位取樣后，用FEI Quanta-400環(huán)境掃描電鏡觀察缺陷處的表面形貌，用能譜確定其成分，用蔡司Axio Lab金相顯微鏡分析截面金相組織。

將缺陷部位取樣后，置入酒精中浸泡并在超聲波下清洗，后用掃描電鏡觀察形貌并分析成分，發(fā)現(xiàn)缺陷部位的表面有明顯的附著物，如圖5所示，而正常部位的表面較為光滑，為正常的輥印狀態(tài)，如圖6所示。對(duì)缺陷部位進(jìn)行能譜分析，其表面主要為氧化鐵（見圖7），而正常部位主要為鋅層（見圖8），可見缺陷區(qū)域的表面附著物和正常鋅層有明顯差異。

圖4 側(cè)圍上邊梁內(nèi)側(cè)焊渣對(duì)應(yīng)的正面凸包形貌Fig.4 Front convex hull morphology corresponding to welding slag inside the roof side rail of side wall

將缺陷部位制備截面金相試樣，磨制、拋光后，用金相顯微鏡觀察形貌，試樣再經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%的硝酸酒精試劑浸蝕后，觀察金相組織，發(fā)現(xiàn)缺陷部位的截面形貌顯示焊渣與基體呈分離狀態(tài)（見圖9），可見焊渣與基體之間的附著力不大，對(duì)其對(duì)應(yīng)的金相組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)焊渣區(qū)域?yàn)轳R氏體，與焊渣相接的基體組織主要為鐵素體，且晶粒尺寸明顯變大（見圖10—13）。

圖5 缺陷部位表面形貌Fig.5 Surface topography of defect site

圖6 正常部位表面形貌Fig.6 Surface topography of normal part

圖7 缺陷部位的能譜分析結(jié)果Fig.7 Spectroscopic analysis results of defect site

圖8 正常部位的能譜分析結(jié)果Fig.8 Energy spectrum analysis results of normal parts

圖9 缺陷部位截面拋光圖Fig.9 Polished section of defect site

2.3 討論

在焊接過程中，工件之間焊接面的緊密貼合是焊接電流順利通過焊接界面形成焊點(diǎn)的基礎(chǔ)，也是得到可靠焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)保障，即工件焊接面的平面度對(duì)焊接質(zhì)量有著決定性的影響[9]。焊裝時(shí)的焊渣溫度大約為700 ℃，遠(yuǎn)大于鋅的熔點(diǎn)420 ℃左右。當(dāng)零件表面處于一個(gè)開放的環(huán)境中，當(dāng)焊渣飛濺到側(cè)圍上邊梁正面時(shí)，在飛濺的過程中就開始降溫，到達(dá)零件表面上的溫度已經(jīng)有所下降，與零件接觸后黏附在零件表面，所以對(duì)零件的表面影響相對(duì)有限。當(dāng)焊渣飛濺到相對(duì)密閉的側(cè)圍上邊梁反面時(shí)，由于飛濺時(shí)間距離短、焊渣面積變大、溫度集中、散熱緩慢，焊渣就會(huì)在零件反面形成熱影響區(qū)，從而導(dǎo)致零件正面出現(xiàn)鋅層熔化和熱變形，呈現(xiàn)出一定的凸包現(xiàn)象，而與材料本身無關(guān)。類似現(xiàn)象，趙前進(jìn)[7,9]在空調(diào)器零件的系列焊接試驗(yàn)中都有觀察發(fā)現(xiàn)。由于焊渣在內(nèi)表面不便于及時(shí)清理，隨著焊渣的不斷積累，對(duì)焊接電流的流通阻礙也會(huì)逐漸加深，電極表面也會(huì)損傷嚴(yán)重，造成較深的焊接凹坑，影響焊接質(zhì)量。

圖10 缺陷部位截面金相Fig.10 Metallographic section of defect site

圖11 缺陷部位焊渣的微觀組織Fig.11 Microstructure of welding slag at defect site

圖12 缺陷部位基體的微觀組織Fig.12 Microstructure of matrix at defect site

圖13 缺陷部位與焊渣相接的基體組織放大圖Fig.13 Enlarged photo of matrix structure of defect site connected with welding slag

為減少這種內(nèi)表面的焊渣損傷，更考慮到現(xiàn)場工作的可行性和安全性，可在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置防焊渣飛濺的臨時(shí)簡易擋斗的同時(shí)，在焊接零件表面涂抹一定的防飛濺液來降低焊渣對(duì)零件內(nèi)側(cè)表面的熱影響，此類辦法在城市軌道交通系統(tǒng)的焊接上也得到了較充分的應(yīng)用[10]，并不影響焊接質(zhì)量[11—14]，在白車身焊接上的應(yīng)用效果良好[15]，值得推廣。

3 結(jié)論

汽車零部件的焊接質(zhì)量不但直接影響到使用壽命和涂裝性能，更會(huì)影響到安全可靠性。對(duì)焊渣飛濺到零件表面引起的缺陷進(jìn)行了分析，建議在零件的反面涂抹防飛濺液來降低焊渣對(duì)零件內(nèi)側(cè)表面的熱影響，同時(shí)在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置防焊渣飛濺的臨時(shí)簡易擋斗，發(fā)現(xiàn)表面聚集較多的灰黑色的鐵錳氧化物焊渣（不但影響零件美觀，且容易在零件表面結(jié)疤）時(shí)，就需用細(xì)砂紙打磨電極及時(shí)清除，都能較為有效地提高焊接效果，保證焊接質(zhì)量。