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[焊接(连接)] CMT在白车身顶盖上的应用

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发表于 2020-5-8 08:58:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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CMT在白车身顶盖上的应用

丁凡
(安徽猎豹汽车有限公司荆门分公司,湖北荆门 448000)
【中国汽车材料网】摘要:为实现汽车轻量化、控制制造成本,汽车厂家选用镀锌薄板作为外观件,并将冷金属过渡焊接技术运用于车身外观件薄板焊接,较大程度避免了白车身制造成本的浪费。通过应用CMT 技术的工艺原理及特点,结合汽车全景天窗焊接实例,对比分析冷金属过渡电弧钎焊(Cold Metal Transfer Arc Welding,CMT)和熔化极活性气体保护电弧焊(Metal Active Gas Arc Welding,MAG)的焊缝成形外观、焊接质量和颜色外观的差异,验证了CMT 电弧钎焊在镀锌薄板焊接上具有更优异的焊接性能。针对镀锌薄板焊接主要缺陷的产生原因作了分析,并结合现场操作给出了预防措施。
关键词:薄板焊接 全景天窗 CMT MAG 缺陷

[size=1em]在当前的汽车发展过程中,镀锌薄板因生产成本低、耐腐蚀性能良好,受到国内外汽车厂的青睐,被广泛用于侧围、顶盖、机罩、车门等外板区域。由于这些区域属于A 级外观面及重要安装面,焊接质量要求很高,使用传统的气保焊接技术,会产生大量飞溅,焊接质量差,焊接缺陷较多,焊后通常需要进行二次补焊修复和焊渣的清理工作,批量生产过程中造成大量人工成本的浪费。

[size=1em]CMT既兼容了MIG高效快速的特点,又能保证焊接过程中母材不被熔化。采用冷金属过渡技术后的MIG 焊能够精确控制焊接过程中焊丝的回抽,减少母材的热输入量,保证熔滴顺利过渡无飞溅[1]。


2 CMT技术原理及特点2.1 CMT工艺原理

[size=1em]冷金属过渡技术即通过数字控制方式实现焊接过程控制与送丝监控的统一结合。数字控制系统通过监控电弧生成的起始时间,自动调节焊接电流至电弧熄灭,并同时调节脉冲式的送丝输送,在短路状态下实现焊丝回抽,从而使熔滴与焊丝分离,熔滴过渡如图1 所示。当熔滴滴落后,数字控制系统再次提高焊接电流,并进一步将焊丝向前送出,重新生成焊接电弧,开始新一轮的焊接过程。通过这种间断式的引弧、熄弧,阻断了焊接热量的持续输入,使整个过程在冷热交替中循环往复,从根本上防止了焊接飞溅的产生[2]。

2.2 CMT工艺特点

[size=1em]与传统的气保焊相比,CMT 有以下几个明显的特点[3-5]。

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[size=0.8em]图1 CMT焊熔滴过渡示意

[size=1em]a.间断式焊接热输入。传统的气保焊通过施加持续的电流来保证持续的焊接热输入。CMT 通过数字化控制,能根据熔滴过渡的进程自行调节电流大小,在熔滴形成、长大时,电源输入必要的电流;而在熔滴脱落,过渡至熔池的过程中,电流输入减小,几乎为零,大幅度地降低了热输入量;之后焊丝短路,输入电流,熔滴再度形成。CMT 焊短路过渡电压电流变化如图2 所示,焊接热输入量相比传统的短路过渡能减少50%左右。

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[size=0.8em]图2 CMT焊短路过渡电压电流变化

[size=1em]d.电弧稳定,焊缝一致性好。CMT 采用的是闭环控制和焊丝回抽的方式来控制电弧长度,通过焊丝回抽,电弧被不停地引燃、熄灭,频率可达到70 次∕s,每一次引弧,电弧长度就会被修正一次,即便是导电嘴在离工件表面的距离或焊接速度改变的情况下,电弧长度能够始终保持一致。

[size=1em]e.熔滴过渡无飞溅。传统的熔滴过渡是通过持续输入的电流造成短路桥爆炸,使焊丝端部熔滴爆脱,产生大量飞溅。而CMT 熔滴短路过渡期间,电流输入几乎为零,焊接热输入暂时中断,熔滴温度迅速下降,然后配合焊丝的机械式回抽,熔滴因自重被“甩掉”脱落,避免了焊接飞溅,一个周波内电弧变化如图3 所示。

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[size=0.8em]图3 一个周波内电弧变化

3 CMT焊在车身制造中的应用

[size=1em]以某汽车厂某款车型的全景天窗为例进行分析,如图4 所示。天窗外板与内板搭接共设计有25 段弧焊,每段焊缝长度为10 mm,要求焊后安装面平滑无焊瘤,保证全景天窗总成的安装精度和间隙面差在设计值范围内。

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[size=0.8em]图4 天窗焊接总成

3.1 焊接部位结构分析

[size=1em]该车型由于车型尺寸较大,外观面需要采用镀锌薄板作轻量化处理,因顶盖涉及到全景天窗总成的安装,若仅使用一层镀锌板,无法保证车身强度,遂采用了内板补强的分体式结构,如图5 所示。因顶盖内外板搭接边设计值不足5 mm,无法采用电阻点焊,为此,需要对顶盖外板与内板的搭接处进行弧焊。

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[size=0.8em]图5 内外板搭接示意

[size=1em]焊接接头处的搭接结构,需采用角焊,搭接处距离外板边缘只有3.4 mm,外板为0.7 mm 厚的镀锌板,内板为1.2 mm 厚的碳钢,普通弧焊要求1.2 mm≤t≤13 mm,显然此搭接结构不适合用普通电弧焊焊接。因为普通电弧焊瞬间产生的热量较高,且热量是持续性输入的,板材过薄容易烧穿,持续高热量还容易造成母材变形,相比之下,CMT可以满足0.3 mm 的超薄板焊接,所以被优先考虑。

3.2 现场焊接验证

[size=1em]为直观展现CMT 与传统气保焊焊缝的成形特点及焊接质量,通过现场试验对某一车型的顶盖分别采用CMT 焊接和MAG 焊接作对比验证。

[size=1em]3.2.1 焊接设备

[size=1em]焊装车间CMT 焊机使用的是福尼斯TPS2700型焊机,用于白车身关键地方的补焊,该焊机采用的是一种全数字化GMA 逆变电源。MAG 焊机使用的是松下YD-350GR4 型数字逆变气保焊机,该焊机搭载全新的“混合电子电抗器”,采用独有的软件控制算法,能实现焊接波形的全软件控制。2种焊接设备如图6 所示。

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[size=0.8em]图6 焊接设备

[size=1em]3.2.2 焊接参数

[size=1em]由于CMT 焊热输入是间断式的,即使电流电压的选择比MAG 焊要大些,但是CMT 焊的实际输入热量比MAG 焊降低20%~30%,变形大大减少,形成均匀一致的焊缝,并且CMT 焊几乎无飞溅,对工作环境的影响较小。根据现场焊接经验以及焊接质量选择最优焊接参数,实际使用焊接参数见表1。

[size=0.8em]表1 2种焊接方式的焊接参数
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3.3 焊缝对比分析

[size=1em]成形外观上,如图7 所示,通过对比2 种焊接方式下的焊缝外观,MAG 正面焊缝有明显的弧坑,焊接热影响区域大,焊缝反面有焊瘤,后续需人工打磨;CMT 正面焊缝饱满匀称,热影响区域小,焊缝反面平滑无焊瘤,不需打磨。

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[size=0.8em]图7 焊缝成型外观

[size=1em]焊接质量上,如图8 所示,由于焊接方式为手工焊,焊接过程难免存在许多不稳定因素,如果操作者在焊接过程中控制不好电弧的稳定性,那么持续不稳定的焊接热输入,使MAG 焊接易造成烧穿;而CMT 焊接由于发热少,且短路过程全数字化控制,能根据熔滴与板件的距离自动调节电弧,就不会出现烧穿的风险,CMT 焊的焊缝质量更加稳定。

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[size=0.8em]图8 焊缝成型质量

[size=1em]颜色外观上,如图9 所示,经涂装工艺电泳喷漆后,MAG 焊焊缝反面依然能明显的看见焊接痕迹,如果打磨不到位,还会影响天窗总成的装配;而CMT 焊看不出丝毫的焊接痕迹,表面平整、光滑。

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[size=0.8em]图9 焊后颜色外观面

3.4 成本对比分析

[size=1em]结合现场实际焊接情况看,每个天窗用MAG焊焊接的25 段焊缝反面都需要人工打磨,否则会影响天窗总成安装,因此需要安排专职人员进行打磨。根据工厂双班年产10 万台白车身的产能规划,则每天每班至少配备1 名专职技工打磨,按照当地普通技工3 500 元∕月的工资标准计算,每年则需支付3 500×12×2=84 000 元的基本工资,考虑人员的培训和后续可能出现的二次返修等系列成本,每年需要约9 万的资金用于MAG 焊后的打磨工作。而采用CMT 焊,焊缝反面光滑无焊瘤,不需要安排专职人员打磨,因此每年满产状态下可以节约生产成本约9 万元。

4 镀锌板焊接缺陷产生原因及预防措施

[size=1em]汽车覆盖件的外观面采用人工CMT 焊的并不多,如何控制及消除焊接缺陷显得及为重要。

4.1 CMT焊缺陷产生的原因

[size=1em]镀锌钢板和碳钢异种金属CMT 焊焊缝的缺陷主要为气孔和缩孔,形貌如图10 所示。

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[size=0.8em]图10 碳钢和镀锌钢板接头中的组织缺陷

[size=1em]气孔主要集中在焊缝上部及边角区域,气孔的直径一般在50~100 μm 左右。形成气孔的原因主要有2 个方面。

[size=1em]a.由于母材和焊丝表面被氧化形成氧化膜,焊前没有清理干净,导致焊件表面吸附的油脂、水分等污染物,在焊接时受热分解,从而产生氢气、氧气等气体,而CMT 焊热输入低,焊缝冷却较快,这些气体来不及逸出便形成了气孔;

[size=1em]b.由于锌的熔、沸点比较低,高温电弧使焊缝中心处的锌大量挥发,同样因CMT 焊热输入低,焊缝冷却较快,成形时间短,锌蒸汽逸出不及时形成了气孔。

[size=1em]在焊接过程中,靠近熔化区一侧的焊缝表面还可能存在少量低熔共晶缩孔[6],这些缩孔的产生是因为在熔化区的结晶过程中,结晶前沿溶质的重新分配,使液态的低熔强化相随着焊缝的快速冷却,率先在晶界处聚集、析出,继续冷却,已凝固区体积收缩,液态的强化相在晶界处来不及填充,从而形成低熔共晶缩孔。

[size=1em]此外,还可能因人工操作不熟练、未根据实际板厚选择合理的焊接参数等因素,出现咬边、烧穿、焊瘤、焊不透等常见缺陷。

4.2 预防措施

[size=1em]a.焊前清理焊丝和母材表面的油污、铁锈、水分和杂物,减少气体的来源。

[size=1em]b.焊接时,可以利用焊枪的轻微摆动,延长熔池存在的时间,使气体易于逸出,但摆动幅度太大,会因板件太薄而引起烧穿。

[size=1em]c.采用合适的焊接参数和气体流量,减少母材中锌的烧损和烟雾。

[size=1em]d.定期清理喷嘴,防止焊接时产生的飞溅颗粒堵塞喷嘴,干扰气体流量,从而卷入部分空气,影响氩气的保护效果。

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5 结论

[size=1em]对比CMT 和MAG 的焊缝成形外观、焊接质量和颜色外观,CMT 焊作为一种先进的新型连接技术,具有更加优良的焊接性,能在镀锌薄板中获得较好的焊接质量,为汽车轻量化、控制生产成本提供了有效的实现途径。

[size=1em]参考文献:

[size=1em][1]牟刚,张跃龙,华学明,等.镀锌钢板CMT铜钎焊焊接缺陷敏感性研究[J].电焊机,2017(4):29-33.

[size=1em][2]陈媛媛,徐浩,魏庆丰.浅谈薄板CMT焊接技术[J].汽车零部件,2013(9):76-77.

[size=1em][3]张洪涛,冯吉才,胡乐亮.CMT 能量输入特点与熔滴过渡行为[J].材料科学与工艺,2012,20(2):128-132.

[size=1em][4]杨修荣.超薄板的CMT 冷金属过渡技术[J].电焊机,2006,36(6):5-7.

[size=1em][5]白正华.CMT先进焊接工艺特点及应用[J].金属加工(热加工),2012(12):49-51.

[size=1em][6]李玉龙.铝合金与镀锌钢薄板熔钎焊接头组织与力学性能[J].材料工程,2010(10):82-85.




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