不同焊接方法對汽車鍍鋅鋼板焊接的影響*

畢 勝，王志發, 楊勇帥, 李朝旭, 孟祥海

(唐山工業職業技術學院 機械工程學院，河北 唐山 063299)

隨著我國工業技術的迅猛發展，汽車產業發展規模正在日益完善和擴大。在汽車制造過程中，鍍鋅板在汽車白車身、底盤上的應用非常廣泛，因此鍍鋅板的焊接是影響汽車質量的關鍵因素之一。由于鋅的熔點只有 419.53 ℃，沸點只有 906 ℃，因此在焊接過程中在焊縫附近容易產生鋅蒸汽，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，但是焊接質量仍然難于保障，各種說法也不一致。因此，通過比較手工電弧焊(SMAW)、機器人氣體保護焊和機器人激光焊三種焊接方法對鍍鋅板焊接質量的影響，對主要影響焊接品質的焊接方法進行歸納梳理，為鍍鋅板焊接生產過程中的質量管控提供參考，具有一定的理論指導意義。

1 不同焊接方法的特點

1.1 手工電弧焊(SMAW)

手工電弧焊具有工藝靈活、適應性強的特點。它常用于單件或小批量生產，也可用于野外或不易實現機械化焊接的工件焊接，適用于各種金屬材料不同結構及位置的焊接。其焊縫質量除了受焊接電源性能、焊接材料和焊接工藝參數影響外，還要很大程度依賴焊工的操作水平，焊縫質量的一致性得不到保障。另外，與自動化焊接相比，手工電弧焊時操作者的勞動強度很大，生產效率低；焊接過程中產生的高溫和有毒煙塵對操作者的身體也有一定的傷害[1-2]。因此，隨著綠色焊接自動化的發展，手工電弧焊的應用將會越來越少。

1.2 機器人氣體保護焊

焊接機器人是由計算機控制的、具有高度柔性的可編程自動化焊接裝置[3]。機器人具有能適應產品多樣化的特點，在一條生產線上可以混合生產若干種類型產品。另外，機器人焊接產品質量好，焊接品質穩定，生產效率高，而且大大改善了工人的勞動條件和工作環境。但是，目前普遍應用于工業化生產的機器人大多是第一代工業機器人(示教再現型機器人)，即自動化機械手臂，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，焊接機器人的前期投入成本高，尤其是程序編程和調試人員的培訓成本較高，并且焊接機器人的工作范圍受設備及工作場地局限性的影響較大。

1.3 機器人激光焊

激光焊具有焊接效率高，可達性好，焊接熱變形及焊接熱影響區(HAZ)小的特點。它常用于大批量、微小型工件或薄板、有色金屬、高熔點金屬的焊接。激光焊機器人還能進行多光束同時加工及多工位加工，可在特殊條件下進行焊接，并且焊接設備裝置易實現自動化[4]。但是，機器人激光焊接設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，隨著產品質量要求的提高，激光焊接技術將會被應用到越來越多的汽車和精密器件產品的制造。

2 鍍鋅板的種類及性能

2.1 鍍鋅板的種類

由于鍍鋅板具有強度好和耐腐蝕好的特點。鍍鋅板材已廣泛用于汽車制造、冷藏箱、建筑業、通風和供熱設施以及家具制造等領域。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。鍍鋅板具有高強度、高韌性、較好的焊接性、冷成型性和耐蝕性的特點。一般鍍鋅板的屈服強度在 300 MPa 以上，延伸率為15%～20%。但是，鍍鋅板焊縫HAZ表面容易產生氣孔和飛濺，導致鍍鋅板表面產生裂紋，會影響鋼板的疲勞性能，同時也會增加廢品率。

表1 熱浸鍍鋅和電鍍鋅兩種鍍鋅板的制作方法及優缺點[5]

2.2 鍍鋅板的性能

從焊接加工產品質量角度考慮，鍍鋅層較薄的電鍍純鋅板的應用范圍更廣。鍍鋅層對鋼板表面的保護可從物理保護和化學保護兩個方面起作用[6-7]。首先，經過噴涂Zn顆粒形成一層致密的保護層，又稱為防腐蝕鋅膜，對鋼板有較好的保護作用，形成一層物理防護；其次，當鍍鋅層受到破壞時，露外面的鍍鋅層和鋼板會形成原電池。鍍鋅層為陽極，鋼板為陰極，即犧牲陽極保護法，形成了化學防護。因此，鍍鋅層可以有效保護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 鍍鋅鋼板的焊接現狀

3.1 手工電弧焊接現狀

相比于普通低碳鋼的焊接，鍍鋅板的焊接仍然存在諸多問題[8]。由于鋅的沸點低，焊接過程中產生大量的鋅蒸汽。當引燃的電弧接觸到鍍鋅層時，產生的鋅蒸氣向外噴射，很容易使焊接產生熔渣粒子、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生。電弧的穩定性也受到影響，焊接質量下降，同時焊接過程中還會產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，焊縫熱影響區較大，且熱輸入量大，鍍層鋅的大量蒸發降低了鍍鋅板焊縫處的抗腐蝕性能[9]。

3.2 機器人氣體保護焊現狀

相比于手工電弧焊，機器人MAG焊具有焊接電弧更集中，效率更高的特點。然而，在機器人MAG焊焊接薄鍍鋅板過程中也會出現許多的缺陷。比如，在焊接搭接接頭的鍍鋅板時，除了鋅層蒸發外，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，容易導致接頭處鍍鋅板下板鋅層燒損嚴重，如果焊絲的電流密度過大，極有可能導致鋼板燒穿和焊漏。另外，由于汽車部分零件焊縫具有尺寸小，長度短，數量多的特點，在進行機器人MAG焊平角焊時，由于熔池自身重力的作用，容易產生溝槽，鍍鋅板的立板易形成咬邊的缺陷[10]。當機器人焊接速度較快時，在收弧位置停留時間短，熔化的焊道位置未被填滿便停止送絲，導致焊縫末端焊液冷卻收縮后形成凹坑，產生弧坑裂紋[11]。同時，機器人焊接過程中焊接熱輸入造成工件受熱不均勻，不穩定的溫度場，受到夾具的約束作用，近焊縫區產生拉應力，導致焊后鍍鋅板產生結構變形。

為了降低焊接熱輸入盡量減少鋅層的蒸發，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程母材不熔化，只是低熔點的釬料融化后浸潤到焊件接縫間隙內，形成工件的連接。因此，釬焊接頭的強度一般比較低、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構重量[12]。因此，無論是機器人MAG焊還是MIG焊都具有一定的局限性，一些重要的鍍鋅板結構件上很少使用機器人氣體保護焊進行焊接。

3.3 機器人激光焊接現狀

機器人焊接鍍鋅板的焊縫具有成型美觀，焊縫強度高，鋼板變形小等特點[13]。接頭形式可以直接影響焊接質量。當接頭形式為對接時，焊接過程中會形成鋅蒸氣在鋼板的上、下表面自由膨脹散發到空氣中去，而且鋅燒損區域很窄，一般為1～2 mm，接頭的抗腐蝕性能沒有得到太大的惡化[14-16]；當接頭形式為搭接時，鋼板間的鋅蒸氣很容易進入到熔池中去，產生氣孔、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，可影響焊接生產效率，為了提高生產效率。常采用大功率激光進行焊接。然而，大功率激光焊接鍍鋅板，焊接過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%)對焊縫進行保護，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]

鍍鋅鋼采用機器人激光焊接時，同樣存在鍍鋅層蒸發，氣孔等少量缺陷，但是產品質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、焊縫強度普遍高于母材，且激光焊接是單邊加工、復雜結構適應性好、易于實現遠程焊接和自動化[22-23]。因此，機器人激光焊接在將來的鍍鋅板焊接領域必將越來越廣泛。

4 結語

綜上所述，通過歸納手工電弧焊、機器人氣體保護焊和機器人激光焊接鍍鋅板的現狀，發現機器人激光焊接鍍鋅板的焊縫質量優于其它兩種焊接方法。但是，焊接質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復雜的熱加工過程。因此，隨著焊接技術向數字智能化方向發展，機器人激光焊接將會是更加高效的鍍鋅板焊接方法。