牟 剛，張躍龍，華學明，王大明，褚衛(wèi)東

（1.上海交通大學材料科學與工程學院，焊接工程研究所激光制造實驗室，上海200240；2.上海拖拉機內燃機有限公司，上海200433）

鍍鋅鋼板CMT銅釬焊焊接缺陷敏感性研究

牟 剛1，張躍龍1，華學明1，王大明2，褚衛(wèi)東2

（1.上海交通大學材料科學與工程學院，焊接工程研究所激光制造實驗室，上海200240；2.上海拖拉機內燃機有限公司，上海200433）

針對汽車鍍鋅鋼板CMT銅釬焊焊縫缺陷的敏感性問題，采用1.5 mm厚鍍鋅鋼板搭接焊接的方法進行試驗，主要以潤濕性、焊接過程中是否存在飛濺、焊縫成形和鍍鋅層燒損情況作為評價銅釬焊焊接缺陷敏感性的指標，得到試驗條件下缺陷敏感性較小時的工藝窗口：鍍鋅鋼板搭接間隙為0～1mm、電流為125～152 A時能獲得合格的焊縫。通過改變點焊后不同氣體保護時間確定焊縫表面變黑是由于焊縫在高溫下被氧化生成氧化銅。

CMT銅釬焊；鍍鋅鋼板；缺陷敏感性；氧化

0 前言

鍍鋅鋼板因耐腐蝕性能良好、生產成本低，在國內外汽車工業(yè)中得到了廣泛應用[1-2]。但鋅的熔沸點低（熔點420℃，沸點906℃），常規(guī)熔焊方法會使鍍鋅層大量揮發(fā)嚴重影響焊后板材的耐腐蝕性能。CMT銅釬焊既有MIG焊接高效快速的優(yōu)點，又可以保證焊接過程中母材不熔化，采用冷金屬過渡技術（CMT）后的MIG焊能夠精確控制焊接過程中焊絲的回抽，減少母材的熱輸入量，保證熔滴順利無飛濺；此外采用低熔點的CuSi3焊絲作為釬料（熔點960℃～1 130℃），理論上可以有效控制鍍鋅層的揮發(fā)燒損。因此在力學性能要求不高的零件中，采用CuSi3焊絲的CMT銅釬焊成為主流[3]。鑒于以上優(yōu)點，美國福特、德國奧迪、英國美洲豹以及國內上海大眾、上海通用都采用了MIG釬焊焊接鍍鋅鋼板[4-6]；但是該方法也存在缺點，由于熱輸入量過小，釬料潤濕不良，甚至出現(xiàn)焊瘤等情況。時中星等人研究了焊槍角度、電流電壓對焊縫組織的影響[3]，黃順義、馬王哲等人給出了各自試驗條件下的MIG銅釬焊工藝參數(shù)[4，7]，F(xiàn)atih Savgu通過改變保護氣來改善焊縫成形取得了一定效果[8]。但少有文獻對CMT銅釬焊的焊接缺陷敏感性進行研究。由于釬焊沒有詳細的評價標準，故本研究中的焊接缺陷敏感性是以潤濕、飛濺、焊縫成形、鋅燒損為指標進行綜合評價。

本研究采用CuSi3焊絲，利用CMT銅釬焊技術進行工藝試驗。根據(jù)前期試驗，在保證板材清潔的情況下，CMT銅釬焊沒有出現(xiàn)氣孔問題，所以氣孔不在討論范圍內。

1 焊接試驗

焊接試驗采用福尼斯公司生產的Advanced-CMT弧焊機和安川六軸聯(lián)動機器人。試驗采用一元化焊接方法，即送絲速度與電流、電壓的關系根據(jù)特定的焊絲焊接特性曲線變化，送絲速度固定后，電流電壓不再變化。試驗用鍍鋅板牌號為HC3 40LAD+Z，尺寸240 mm×50 mm×1.5 mm；選用直徑1.0mm的CuSi3焊絲（國標牌號ER6560），焊絲伸出長度10 mm。保護氣為純氬氣，氣流量15 L/min。焊槍傾角30°，后傾焊接。綜合現(xiàn)場情況考慮，焊接速度75 cm/min，搭接量10 mm，搭接間隙依次為0 mm、0.5 mm、1.0 mm。焊接前采用丙酮清洗板材表面，試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案

2 結果和討論

2.1 焊接缺陷分析

間隙為0mm、0.5mm、1mm時，不同電流得到的焊縫潤濕角數(shù)據(jù)如圖1所示?？梢钥闯觯w上潤濕角隨著電流的增大而減小，并且在相同電流下，搭接間隙的增大會導致潤濕角減小。間隙0 mm、焊接電流88 A時潤濕角最大，此時潤濕性最差。間隙1 mm、焊接電流165 A時潤濕角最小，此時焊縫的潤濕性最好。

圖1 不同間隙、不同電流下的潤濕角

間隙量為0 mm時不同電流下得到的焊縫正面和背面形貌如圖2所示。釬料在鍍鋅鋼表面的潤濕性隨著電流的增大而逐漸變好。結合圖1，當電流為88 A時，焊縫潤濕角約為80°；當電流大于125 A后，熱輸入量的增大對母材起到較好的預熱效果，釬料與母材之間溫度梯度減小，改善了釬料對母材的潤濕效果，潤濕角降為66°；當電流超過152 A時，開始大量出現(xiàn)飛濺，這是因為隨著電流增大，電壓也增大，電弧弧長變長并且不穩(wěn)定，導致出現(xiàn)飛濺。從焊縫成形上來看，隨著電流的增大，焊縫熔寬增大。電流增大至125 A后，單位時間的熔敷量和熱輸入量顯著提高，焊縫成形美觀但表面存在大量黑色氧化物。鍍鋅層的燒損情況主要通過焊縫背面進行判斷，焊縫背面由于一直受到熱的作用，部分鋅被氧化成白色的氧化鋅粉末附著在母材上，當熱量進一步提高，部分鋅直接揮發(fā)導致高溫下的鋼板迅速被氧化形成黑色顆粒狀的鐵的氧化物附著在母材上。從圖中可以看出，電流超過152 A后焊縫背面燒損嚴重，而電流為88 A時僅有輕微變色。焊縫正面鋅也會揮發(fā)，主要原因是后傾焊接時電弧首先預熱母材，在釬料達到母材之前鋅已經揮發(fā)，隨后釬料在母材鋪展，因此不容易判斷鍍鋅層燒損情況。

間隙量為0.5 mm時不同電流下得到的焊縫正面和背面形貌如圖3所示。結合圖1可知，當電流為88 A時，潤濕不良，潤濕角約為70°；而電流大于110 A后潤濕角下降至54°，可以看到隨著電流的增加，潤濕鋪展效果變好。電流小于88 A時存在少量飛濺，可能是由于電壓過低、電弧挺直度不足、電弧不穩(wěn)定所造成。間隙量為0 mm時也存在同樣的現(xiàn)象。從焊縫成形來看，電流大于125 A后，焊縫形貌美觀，焊趾整齊，但焊縫表面存在大量黑色氧化物；電流大于152 A之后，焊縫背面鍍鋅層燒損情況開始加重。

圖2 間隙量為0 mm時不同電流下的焊縫

圖3 間隙量為0.5 mm時不同電流下的焊縫

間隙量為1 mm時不同電流下得到的焊縫正面和背面形貌如圖4所示。隨著電流增加，結合圖1可知，電流為88 A時，潤濕角約為70°，釬料鋪展效果不好；當電流達到110 A后，潤濕角為65°，基本可以接受；當電流大于165 A后，焊接過程中飛濺增多，這是由于電壓增大引起電弧不穩(wěn)定所造成。焊縫成形方面，電流過小會造成焊趾不齊，焊縫熔寬過?。浑娏鳛?10～152 A時焊縫成形美觀，焊趾整齊；當電流大于152 A后，鍍鋅層燒損明顯增大，焊縫背面黑色的鐵的氧化物數(shù)量急劇增加，甚至在焊縫兩側較遠位置也存在鍍鋅層的燒損。

2.2 焊接缺陷敏感性評價

按照潤濕效果、飛濺、焊縫成形、鋅燒損四個評價項目，評價分“2”“1”“0”分別代表“合格”“一般”“較差”，四個項目評分達到7分作為焊縫缺陷敏感性小的依據(jù)。將不同間隙量、不同電流下的CMT銅釬焊評價結果匯總如表2所示。將所得到的缺陷敏感性工藝窗口匯總如圖5所示。

圖4 間隙量為1 mm時不同電流下的焊縫

表2 試驗及評價結果

圖5 CMT銅釬焊焊接缺陷敏感性工藝窗口

間隙量為0 mm和0.5 mm時，焊縫形貌隨著電流變化的情況基本一致，均在125 A時開始潤濕良好、焊接過程無飛濺、焊縫成形美觀以及鍍鋅層燒損量較少。當電流升高到約152 A時，焊縫正面鋅燒損程度基本一致，但焊縫背面后者鋅燒損量略大，這是因為焊縫正面部分處于熔點和沸點之間的鋅形成液化膜會覆蓋在母材和釬料表面，隨著焊槍前移，CuSi3釬料迅速散熱起到保護鍍鋅層的作用。而焊縫背面沒有釬料的覆蓋，高溫下暴露在大氣中，部分鋅會被氧化成白色氧化鋅，隨著氣流被吹散，暴露的鋼板會被氧化形成黑色氧化物附著在焊縫背面，但是由于間隙的存在，板材之間高溫釬料增多，底部板材會受到更多的熱量，造成底部板材鋅燒損相比間隙量為0 mm時的情況更嚴重。間隙量為1 mm時，焊縫背面鍍鋅層的燒損在電流125 A時就有所加重，這一方面是板材間釬料增加導致，另一方面由于鍍鋅板之間的間隙過大，電弧一部分熱量直接作用于底部板材，另一部分熱量將通過板材間隙到達底部板材，熱量通過間隙時向空氣中散熱，使板材和電弧的溫度有一定程度的下降，引起電弧收縮，因此熱量相對于間隙0 mm、0.5 mm時的情況更加集中，加重母材鍍鋅層燒損程度。綜上可知，間隙為1 mm、電流為110 A時可得到相對滿足要求的焊縫。

2.3 焊縫表面黑色物質

當焊接電流超過125 A后，焊縫表面會出現(xiàn)大量的黑色物質，推測是由于焊槍前移，熔池在高溫下發(fā)生氧化生成黑色氧化銅造成的。同時采用點焊后延長氣體保護時間進行驗證，試驗結果如圖6所示。保護時間為0 s時，焊縫表面黑色物質較多；保護時間為10 s，焊縫表面在高溫下得到氬氣的充分保護，抑制了黑色氧化銅的產生。因此，可以斷定焊縫表面這一層難以去除的黑色氧化銅是焊縫在高溫下被氧化所致。

圖6 點焊焊后不同氣體保護時間得到的焊縫

3 結論

（1）采用潤濕、飛濺、焊縫成形、鋅燒損四個指標評價CMT銅釬焊焊接缺陷敏感性。

（2）通過CMT銅釬焊確定1.5 mm鍍鋅板搭接焊在間隙量為0～1 mm、電流125～152 A時的焊接缺陷較少。

（3）隨著電流的增大，焊縫表面變黑是焊縫在高溫下被氧化生成氧化銅所致。

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4 結論

（1）三種線能量條件下，A7N01S-T5鋁合金MIG焊接頭的實測值及仿真計算殘余應力的分布呈現(xiàn)明顯的雙峰形態(tài)，實測最大拉應力值主要出現(xiàn)在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)，而仿真計算最大拉應力值出現(xiàn)在熱影響區(qū)。（2）三種線能量條件下，隨著線能量的增加，A7N01S-T5鋁合金MIG焊接頭縱向殘余應力峰值增大，縱向殘余拉應力峰值從149MPa增加到190 MPa，而橫向殘余拉應力峰值之間差別不大，但數(shù)值上高于縱向拉應力峰值，最高值達217 MPa。（3）仿真計算結果與實測結果存在一定差異，但兩者應力分布趨勢與拉應力的峰值相近。仿真計算結果在一定程度上印證了實測應力值分布情況，具有較好的可信度。

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Study on weld defects sensitivity of CMT brazing galvanized steel sheets

MOU Gang1，ZHANG Yuelong1，HUA Xueming1，WANG Daming2，CHU Weidong2
（1.Welding Engineering Institute，College of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Tractor&Internal Combustion Engine Co.，Ltd，Shanghai 200433，China）

Lap welding is operated with 1.5 mm thickness galvanized steel sheets to study the weld defect sensitivity of CMT brazing galvanized steel sheets for automobile.Four evaluation criteria are carried out to judge the weld defects sensitivity of brazing，which are wettability，spatters during weld process，weld geometry and burn-off of zinc deposits.And weld process window with few defects is obtained，that lap gap range is from 0 mm to 1 mm and current range is from 125 A to 152 A.Besides，through changing different shielding gas protection times after spot welding,a fact is confirmed that the dark substance on the brazing seam surface is due to the occurrence of CuO under high temperature.

CMT brazing；galvanized steel sheet；defect sensitivity；oxidation

TG457.1

A

1001-2303（2017）04-00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機，2017，47（01）：1-6.

2016-12-06

牟 剛（1989—），男，山東泰安人，在讀碩士，主要從事弧焊、釬焊和激光焊的研究。