微束等離子弧焊在白車身中的應用研究

周浪 談洋 魏其新 周振武

摘要：應用于現代汽車工業中的焊接工藝種類繁多，微束等離子弧焊作為一種高能束焊接方法，具有焊接系統適用性廣、工藝穩定性高、焊縫質量好、焊接速度快及設備經濟性強等優點，其在白車身薄板零件的焊接方面發揮著不可替代的作用。本文將通過對鍍鋅薄鋼板微束等離子弧自動焊的主要工藝參數進行分析與調試，并結合相應的實驗及焊縫接頭性能分析，從而為微束等離子弧焊工藝在白車身中的應用提供一定的經驗基礎。

關鍵詞：微束等離子弧焊;白車身;工藝參數

引言

低碳鋼具有機械強度高，力學性能好，以及良好的機械加工性和焊接性等優點，而被廣泛應用于各工業領域。特別是在汽車工業中常會用到鍍鋅薄鋼板，這就需要考慮其薄壁件的焊接問題。對于鍍鋅薄板件外觀要求較高的焊縫，常用焊接方法有激光焊、電子束焊和微束等離子弧焊。激光焊和電子束焊的設備復雜且價格昂貴，一般被用于精密件的焊接;近年來，微束等離子弧焊技術已經得到了極大發展與應用，由于焊接系統適用性、穩定性以及精密度的不斷提高，這種焊接技術越來越廣泛的被應用于航空航天、汽車制造、交通工具、精密加工等諸多領域[1]，因而選擇經濟性更高的微束等離子弧焊接具有很大的研究與應用價值。

目前，微束等離子弧自動焊主要應用于白車身的四門焊縫，車門屬于外觀面，對表面質量要求很高，如果工藝參數范圍選擇不合理，往往會產生一定的變形、氣孔、燒穿、裂紋、弧坑等缺陷，從而嚴重影響產品的焊接質量。為提高四門鍍鋅薄板零件的焊接穩定性與焊接質量，滿足批量化生產的線速要求，迫切需要對鍍鋅薄鋼板微束等離子弧自動焊接工藝進行研究。

1 實驗材料、方法與設備

實驗所用材料是0.65mm、0.8 mm 的鍍鋅薄碳鋼，鍍鋅層要求均勻無破壞，實驗前用超聲波清洗除去材料表面的油污并吹干。焊接方法為微束等離子弧焊，采用銅焊絲搭接熔焊;焊接設備是精密微束等離子弧焊接系統，包括TransTig2200plasma焊機、PlasmaModule10等離子發生器、KD7000D-11送絲機、FK400水箱，焊接采用的離子氣和保護氣均為氬氣。

焊后對焊件焊縫的性能進行分析，主要包含焊接接頭微觀組織分析、焊縫熔池尺寸分析以及力學性能分析。微觀組織及熔池尺寸分析需主要是利用光學顯微鏡、電子顯微鏡，研究搭接接頭表面、橫截面的形貌及焊縫尺寸;力學性能分析主要是對拉伸力學性能分析，選用設備分別為萬能拉伸試驗機。

2 主要工藝參數的分析

白車身的鍍鋅薄板焊接對焊接工藝要求很高：板材薄，要求焊機熱輸入量低、使工件不易燒穿;鋅為汽車保護層極易揮發，會影響電弧穩定性，因而應減少鋅層破壞，保證電弧穩定性;實際生產過程中板材間隙匹配存在波動，對間隙要求容忍性較高;生產節拍高，要求引弧快捷、送絲可靠、焊接速度快，焊接質量好、焊后工作少（如返修），間隙時間少（如更換易損件，更換焊絲等）。影響鍍鋅薄板Plasma焊接的參數很多，主要包括：離子氣流量、保護氣流量、起弧電流、焊接電流、收弧電流、送絲速度、焊接速度、噴嘴直徑與鎢極內縮量、噴嘴距工件距離、導絲嘴距工件距離以及焊絲對中性[2]。

2.1離子氣流量

鎢極與等離子噴嘴之間利用高頻產生引導弧的過程，需要電離等離子氣體。為了保證起弧后等離子弧柱具有穩定的能量且有利于焊縫的形成，離子氣流量必須保證在合理范圍內。當等離子氣流量設得太大，而其他參數不變，焊接熔池的壓力會增加，這將會導致熔化的金屬從熔池中吹出，從而產生熔合不好或漏焊;如果流量太小，電弧剛性減弱，相反會影響熔池的形成，導致焊不透或背面成型不好，也可能導致等離子噴嘴燒損燒壞過程的加快。

2.2保護氣流量

為了避免鍍鋅薄鋼板在移動焊接過程中被空氣氧化，同時避免焊縫熔池不受其他雜質的污染，plasma焊槍采用內置通道通氣，直接將氬氣通往槍頭保護罩，實現實時保護。保護氣體流量要適當，過小保護效果不佳，流量過大對液態熔池產生一定擾動易產生飛濺，嚴重時會影響焊縫的凝固甚至產生巨大弧坑，因而必須選取合適的保護氣流量。

2.3起弧電流

當板件移動到焊點位置，鎢極與等離子噴嘴之間的引導弧會轉移到鎢極與板材之間，此時焊機會給個起弧電流產生焊接電弧。起弧電流一般為主弧電流的50%-100%。

2.4焊接電流

焊接電流決定著焊接熱功率，對焊縫的成形影響極大。在焊接速度恒定的條件下，如焊接電流過大，容易燒穿;焊接電流過小，焊絲熔化不良，造成焊縫虛焊、搭接不良。

2.5收弧電流

焊接結束前的電流即為收弧電流，對焊縫末尾的質量影響很大。收弧電流過大，收弧點熔絲不足、能量過大，容易產生孔洞;收弧電流過小，收弧點斷絲無法熔化，會產生毛刺、粘絲。收弧電流一般為主弧電流的50%-100%。

2.6送絲速度

送絲機的送絲速度需要與焊接電流及焊接速度相適應，一般設置在1.5-3 m/min。送絲速度過大，會造成焊絲來不及熔化，而堆積在焊縫中，嚴重影響焊縫的外觀及強度;送絲速度過小，會導致焊縫熔池液態金屬不足，造成焊縫搭接面過薄，嚴重時甚至導致漏焊。

2.7焊接速度

自動焊的焊接速度即機器人持件的移動速度，應當與焊接電流及送絲速度相匹配，當其他焊接條件不變時，焊接速度決定焊接線能量的輸入，對焊接質量的影響極大。焊接速度過大，導致焊絲來不及完全熔化，會造成熔池液態金屬不足，從而造成搭接不良、焊縫咬邊;焊接速度過小，能量輸入過大，會導致焊縫熔池溫度過高、組織異常長大，使焊接接頭的性能嚴重下降，此外甚至會導致焊縫燒穿。

2.8噴嘴直徑與鎢極內縮量

焊槍噴嘴直徑與鎢極內縮量直接影響著熱源的功率密度及加熱區域，合理的取值對焊接熱源的特性有著重要影響。噴嘴直徑的選擇與板材的厚度息息相關，在離子氣流量恒定的情況下，噴嘴孔徑過大，電弧剛性減弱，容易出現熔絲不良未焊透;噴嘴孔徑過小，電弧剛性增強，焊透過大，又容易產生燒穿。鎢極內縮量過大，鎢極尖端距工件距離過大，會導致引弧失敗，從而無法焊接;內縮量過小，會導致弧柱能量不集中。本實驗采用的是0.65mm、0.8 mm 的鍍鋅薄板，選擇導電嘴直徑1mm，鎢極內縮量1.5-2mm。

2.9噴嘴距工件距離

噴嘴距工件距離直接影響著有效熱功率的輸入，當距離過大時無法焊透;當距離過小時，容易碰到焊件，這樣可能會造成焊槍的損壞。此外，保護氣體經過噴嘴保護罩作用到焊接區域，為了提高鍍鋅薄鋼板焊接過程的氣體保護效果，噴嘴距工件的距離一般在4-6mm之間取值。

2.10導絲嘴距工件距離

導絲嘴介于工件與噴嘴之間，應處于合適的位置。當導絲嘴距噴嘴距離過小時，熔絲容易粘附到導電嘴上，造成熄弧報錯;當導絲嘴距工件距離過小時，容易粘附熔絲、造成堵絲，此外由于零件波動容易碰到焊件，可能會造成焊槍的損壞。導絲嘴距工件的距離一般在2-3mm之間取值。

2.11焊絲對中性

焊絲對中性是指電弧中心與焊絲中心的垂直重合度，重合度越高，電弧熱源作用在焊絲上的有效熱量越高，熱源的有效利用率越高。一般來講，焊絲對中性越高越好。

3實驗結果與分析

微束等離子弧焊的工藝參數眾多，各參數必須相互適配，經過大量調試與試驗分析，獲得的適合0.65-0.8mm薄板鍍鋅鋼板的焊接工藝參數如下表1。采用下表參數所制造的焊件焊縫外觀質量良好，下面將對焊件焊縫的尺寸及組織性能進行分析。

3.1焊接接頭微觀組織

焊縫接頭的微觀組織對焊件質量起著決定性的作用，下面將對搭接接頭表面及橫截面內不同區域的微觀組織進行分析。在微束等離子弧焊接過程中，焊接接頭不同區域所受溫度的影響差異很大，從而使焊接接頭不同區域內的組織大小形態有很大差別。本實驗所得鍍鋅薄鋼板焊接接頭表面及橫截面的金相組織分別如圖1及圖2所示（其中圖（a）、（b）、（c） 、（d）分別為焊縫、熔合線、熱影響區及遠離焊縫處母材的金相微觀組織）。從圖中可以觀察到，接頭表面及橫截面不同區域顯微組織的變化趨勢規律一致，焊縫、熔合線、熱影響區、母材處的顯微組織呈依次減小規律，符合焊縫結晶溫度場的變化規律[3]，所獲得的接頭組織較為致密。

3.2搭接接頭熔池尺寸

對于兩層薄鍍鋅鋼板的搭接焊，可接受的熔池尺寸標準如下圖3所示，要求a≥1.0 Tmin 、b≥1.0Tmin（其中Tmin為最薄工件厚度）。

根據表1的工藝參數范圍，制取的6個不同焊件所獲得的熔池橫截面金相圖如圖4所示（其中圖（a）、（b）、（c） 、（d）、（e） 、（f）分別為6種不同工藝參數得到的截面金相）。從圖4可以看出，在表1 工藝參數范圍內所獲得的搭接接頭焊縫組織致密成型好，無氣孔、裂紋等缺陷。此外，從圖（a）、（b） 、（f）可以觀察到，熔池金屬可有效填充一定范圍內的板材間隙。

不同焊件所獲熔池的尺寸結果如表2所示，從表2的統計結果可知，在表1 工藝參數范圍內所獲得的搭接接頭熔池尺寸均在標準范圍內，且遠大于推薦的標準尺寸。

3.3焊接接頭力學性能

不同焊接件的拉伸力學性能如下表3所示。從表中的結果來看，焊接件的拉伸力學性較好，抗拉強度均為母材抗拉強度的50%左右，伸長率為母材的10%左右，優于一般弧焊的接頭性能。

4結論

（1）通過鍍鋅薄板零件的實驗及分析，證明微束等離子弧焊可以很好的適用于白車身薄板件的自動化焊接，其焊接速度快，獲得的接頭焊縫組織細密成型好，對間隙容忍性較高，能夠適應一定范圍內的板材間隙波動。

（2）影響微束等離子弧焊的工藝參數很多，各參數需要在一定范圍內相互適配，才能保證良好的焊接效果。

（3）選擇合適的微束等離子弧焊接工藝焊接0.65-0.8mm厚的鍍鋅薄板，所獲得的搭接接頭滿足熔池尺寸標準，拉伸強度較高，滿足產品力學性能要求。

參考文獻

[1]高山， 宋文清， 曲伸等. 微束等離子焊接在航空發動機中的應用[J]. 新工藝新技術，2013（2）：19-21.

[2]舒海濤. 鈦合金微束等離子弧自動焊[J]. 新工藝新技術新設備， 2001（4）.

[3]閆久春， 楊建國，張廣軍. 焊接冶金學[M]. 北京： 高等教育出版社，2012.