第三届连接技术研讨会
智数汽车大数据锦湖日丽原材料麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 72|回复: 0

[焊接(连接)] 冷金属电弧钎焊在乘用车后流水槽的应用研究

[复制链接]
发表于 2020-4-22 10:45:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
冷金属电弧钎焊在乘用车后流水槽的应用研究

王子国 姚庆泰
(一汽解放商用车开发院,长春 130013)
【中国汽车材料网】摘要:在车身开发及制造过程中,通常采用板件拼焊替代整体冲压件,从而达到降重、降成本的目的。乘用车后流水槽部位传统采用点焊+涂密封胶工艺实现连接及密封效果,如果能够改为弧焊工艺,则可以省略涂胶工艺,节约成本、提升节拍,但弧焊工艺会造成较大的焊接变形,这制约了该工艺改进的可行性。冷金属电弧钎焊具有热输入小,焊后变形小的独特优势,通过CAE分析与实焊相结合的方式验证了冷金属电弧钎焊在焊接乘用车后流水槽部位具有较高的应用意义与价值。
关键词:后流水槽 点焊 冷金属电弧钎焊 焊接变形 CAE分析

[size=1em]冷金属电弧钎焊(Cold Metal Arc Brazing,CMAB)属于熔化极气体保护焊的一种,通过监控焊丝端部熔滴状态来精确协调送丝运动和熔滴过渡行为,改善短路过渡形式,降低焊接热输入量,减小焊接变形,控制焊缝成形,达到零件连接的目的。在焊接过程中,当熔滴与熔池接触发生短路时,会传送信号给焊机中的数字化处理器,焊机将输出电流降为零,同时,送丝机回抽焊丝,使焊丝与熔滴分离,熔滴无爆断过渡;当熔滴脱离焊丝以后,再次向焊机传送信号,送丝机继续送丝,焊机输出焊机电流,引弧焊接[1]。这种熔滴过渡方式可以实现熔滴的“冷”过渡,热输入量与常规MIG钎焊相比可降低20%~30%[2]。CMAB不仅热输入量小,还具有焊接时电弧加热集中、焊后变形量较小、焊缝美观且有密封作用、效率高、成本相对较低等特点[3],在汽车行业得到越来越广泛的关注与应用。

[size=1em]乘用车后流水槽部位为侧围外板与后流水槽的搭接结构,在生产中的传统工艺为涂点焊密封胶后进行电阻点焊,白车身进入涂装后还需对该位置涂一次密封胶,起到密封作用的密封胶存在老化失效的风险及质量隐患。如果能够采用弧焊替代此工艺,则可以同时实现连接和密封,节省涂胶工艺节拍及成本。常规的电弧焊热输入量过大,焊后变形难以控制[4],后流水槽部位板厚较薄,因而无法应用。CMAB以其独特的优势展现出了它在此处良好的应用前景,在特斯拉Model S的下车身及奥迪A7的侧围焊接中,CMAB已经取得了应用[5]。本文通过CAE分析与焊接试验相结合的方式,探究了CMAB在乘用车后流水槽部位应用的可行性、经济性,并对焊接夹具的设计提出了指导性的意见。

2 试验条件及方法

[size=1em]试验采用CAE模拟分析与焊接试验验证相结合的方式开展。模拟分析软件采用Sysweld 2012,试板材料参照乘用车后流水槽部位用材进行选择,选取St07D+Z和St06D+Z,试板尺寸为400 mm×200 mm,板厚均为0.7 mm,试板的化学成分如表1所示。接头形式为搭接结构,St07D+Z作为上板。

[size=0.8em]表1 板材化学成分(≤) %
61a01c3b2bda09d8fe369ebb79ba7978.jpg

[size=1em]试验采用的焊接设备为MOTOMAN 6轴机器人及奥地利FRONIUS TPS5000 CMT焊机,配备推拉丝系统,保证焊丝的送丝平稳,维持电弧的稳定性。试验采用Φ1.0 mm的CuSi3焊丝,纯度为99.99%的Ar气保护。焊接前,用棉花蘸取丙酮溶液擦拭试板焊缝区域表面,清理油污,以保证熔化的钎料充分地流动、浸润和铺展。焊缝微观形貌采用Olympus SZX16体式显微镜进行观察,实焊结果与CAE模拟结果进行对比分析。


3 试验结果及分析
3.1 焊接CAE分析

[size=1em]红旗某车型的后流水槽部位连接工艺为涂密封胶+点焊,如图1a示,如改成CMAB工艺连接,则可以模拟为图1b所示的搭接结构,搭接结构保留了后流水槽部位实际零件的特征轮廓。运用Sys⁃weld 2012软件,建立CAE分析热源模型,对模拟的搭接结构进行焊接变形模拟、计算,获得焊后板材的变形趋势,模拟结果如图2所示,将其与焊接试验实际变形对比,验证热源模型的正确性,进而将热源模型推广至后流水槽实际零件上做进一步CAE分析。

[size=1em]从计算结果可以得出,采用CMAB焊接模拟样件时,在后流水槽侧板材的变形较大,变形趋势为板材中部向内弯曲,最大变形量为1.31 mm,由板材中部至两端,变形量逐渐减小;在侧围外板侧板材的变形相对较小,变形趋势为板材中部向内弯曲,最大变形量为0.88 mm,同样为板材中部变形最大,两端变形最小,变形趋势曲线如图3所示。参照模拟样件加工板材,并进行CMAB焊接试验,变形趋势与CAE模拟结果一致,验证了CAE热源模型的正确性。

4a96ffb500014b93a321c806c323d2cb.jpg
[size=0.8em]图1 后流水槽部位结构数模图

c2907b4056675f6ec0b8bbc5fbc1ea39.jpg
[size=0.8em]图2 模拟样件CAE分析结果

430e7a76e83a0a5b1d238d424d63c557.jpg
[size=0.8em]图3 模拟试板焊后变形趋势曲线

[size=1em]将通过验证的CMAB热源模型扩展到后流水槽实际零件进行CAE分析,计算不同夹紧状态下该总成采用CMAB工艺后的变形情况。图4为不同装夹数量和位置时零件的变形结果,当均匀分布3个装夹位置时,最大变形量约为0.72 mm,当装夹点个数增加至7个,装夹位置调整为图4b所示的形式时,零件的最大变形位置发生了变化,最大变形量减小至约0.45 mm。通过CAE对零件变形的计算,可以为夹具设计提供指导依据,合理设计夹具夹紧点的位置和数量,从而控制焊接变形,保证零件的最终变形满足生产要求。

384c9d4b84ff3e41018a5581750518a4.jpg
[size=0.8em]图4 装夹位置对零件变形影响对比

3.2 焊接验证试验

[size=1em]焊接试板采取搭接结构,通过大量工艺试验,根据焊接质量对焊接工艺参数进行优化,获得的最优焊接工艺参数如表2所示。采用表2所示的焊接参数进行焊接,获得了成形良好的钎焊焊缝,焊缝外观如图5所示,焊缝均匀、整齐、饱满、美观,无表面气孔,焊缝附近无飞溅物附着,焊后板材变形较小,利用塞尺测量试板焊后变形量,变形趋势和变形大小与CAE模拟结果相符,验证了模拟结果的正确性。截取焊缝剖面,经过镶、磨、抛、腐,用Olympus SZX16体式显微镜对焊缝的微观形貌进行观察和分析,焊缝剖面如图6所示。

[size=0.8em]表2 焊接工艺参数
77b1aa1d2749218f8628e9bed51f6bd6.jpg

39caedf0885ccc300212c7bcaef9d49d.jpg
[size=0.8em]图5 焊缝外观

cf391352b2b730db82c437e1ff361d49.jpg
[size=0.8em]图6 焊缝剖面

[size=1em]焊缝剖面为典型的钎焊焊缝,上板和下板母材均未熔化,CuSi3钎料在上下板间充分铺展,钎料与母材过渡良好,并与上板侧面发生了界面反应,形成了有效连接,焊缝剖面未发现气孔、裂纹等焊接缺欠,焊接质量良好。截取一组10 mm宽的拉伸试样进行拉伸试验,试验中拉伸试样均在St07D+Z母材本体上发生断裂,拉力值为2.3 kN,钎焊接头的连接强度满足设计要求。由于CMAB焊缝的连续性,可以起到很好的密封效果,不需要保留涂胶工艺,故不存在传统工艺中密封胶年久老化而引起失效的隐患。

3.3 效率及成本对比

[size=1em]制造工艺的效率与成本是衡量汽车生产工艺合理性的重要指标之一,生产效率对比只考虑涂胶时间和焊接时间两个因素,而夹具动作、机器人动作受量产工位实际工况影响较大,故忽略这两个因素的时间差异,涂装车间涂胶时长也不在此计算比较。传统工艺需涂点焊密封胶的长度为500 mm,焊点数量为7个,涂胶速度按100 mm/s计算,点焊速度按3 s/个,算得传统工艺的涂胶+点焊时间为26 s;CMAB工艺焊接500 mm的焊缝时焊接速度220 cm/min为佳,算得CMAB工艺焊接时间为14 s,效率比传统工艺提升约一倍。

[size=1em]对于两种工艺,夹具费用、水电气费用、管理费用差异不大,故可以仅从设备成本以及材料成本对两种工艺的经济性进行对比。通过调研和询价,涂胶设备约8万元/套,点焊设备约40万元/套(含点焊机器人和焊接控制器);CMAB设备约40万元/套(含弧焊机器人+CMT焊机),在设备上节约了约8万元。密封胶的成本C1计算公式如下。

b801bceaab756337cf0fc07b992b37df.jpg

[size=1em]式中,d为胶条截面直径;l为胶条长度:ρ为密封胶密度;p为密封胶单位价格。经过计算得到每条密封胶的材料成本为0.72元,涂装在该位置密封胶费用按与焊装相同计算,单件材料成本为2.88元。CMAB工艺的材料成本体现在CuSi3焊丝上,将焊缝截面近似为直角三角形,则CuSi3焊丝成本C2计算公式如下。

048a6cb735853263205d58a6e495a481.jpg

[size=1em]式中,a为三角形底边长;h为三角形的高;l为焊缝长度;ρ为焊丝密度;p为焊丝单位价格。计算得每条CMAB焊缝的材料成本为0.60元。

[size=1em]两种工艺的生产效率及经济性对比如表2所示,通过对比得出,CMAB工艺的效率更高,且设备成本比传统工艺降低了16.7%,单件的材料成本比传统工艺降低了1.68元,CMAB从工艺可达性上优于点焊工艺,更易于实现自动化生产和全位置焊接。综上,CMAB工艺在效率和成本上均优于传统工艺。

[size=0.8em]表2 传统工艺与CMAB工艺效率与成本对比
32a72ba4c800dba5bd4e5ce0a0959d11.jpg

4 结论

[size=1em]a.通过采用CAE分析手段可以获得CMAB焊后试样的变形趋势及变形量,将验证过的热源模型引入实际零件,可以分析装夹点对焊后工件最大变形量的影响,从而指导焊接夹具设计;

[size=1em]b.CMAB焊缝美观、连续,在保证零件尺寸精度的前提下不易产生焊接质量缺陷,连接强度满足设计功能要求,同时也可以起到较好的密封效果,无传统工艺点焊密封胶老化引起失效的隐患;

[size=1em]c.综合生产效率和经济性对比发现,CMAB工艺效率比传统工艺降低了16.7%,单件的材料成本比传统工艺降低了1.68元,故CMAB工艺更经济、高效。

[size=1em]综上,乘用车后流水槽部位如采用CMAB工艺,其强度、变形量、密封性、经济性等各项指标都优于传统工艺,故CMAB工艺在乘用车后流水槽部位具有较高的应用意义与价值。




您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则