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[焊接(连接)] 冷金属电弧钎焊的原理与应用

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发表于 2020-8-27 11:35:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
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【汽车材料网】冷金属电弧钎焊的原理与应用
姚庆泰 王子国
(一汽解放商用车开发院,长春,130013)
摘要:高效、高感知质量、低成本的工艺是汽车焊接制造领域追求的永恒目标,基于冷金属电弧钎焊热输入量小、飞溅极少、焊缝成形美观、焊接速度快等独特优势,从该工艺的技术原理、工艺过程进行分析,并结合其在汽车制造中的应用实例,论证该工艺的技术优势及应用范围,为其在薄板焊接、钢铝连接等领域的应用提供依据和支撑。
关键词:冷金属电弧钎焊 汽车制造 薄板焊接 钢铝连接

1 前言
冷金属电弧钎焊(Cold Metal Arc Brazing,CMAB),电弧加热集中、热输入量小,对簿板进行焊接时变形量很小,焊接热影响区小,操作方便,节能高效又易于实现自动化[1],同时又因为其焊接飞溅极少,极大减少了焊后工件表面的清理工作,提升效率的同时降低了制造成本,在汽车制造领域具有良好的应用前景。
随着汽车朝着安全、节能和环保的方向发展,汽车轻量化是一大途径,结构优化、板材减薄、轻质合金的应用将是必经之路。基于CMAB工艺的独有特点,可以实现薄板的可靠连接,且焊缝成形美观,工件变形小,故CMAB工艺在汽车车身外表面件上有很大的应用前景。研究表明,通过采用铝合金材料适当减轻汽车的质量,可以把油耗降低约40%,且汽车上的铝合金90%以上都可回收再利用,故国内外汽车制造业已开始大量使用铝合金,如全新一代奥迪A8车身铝合金使用占比达58%,蔚来汽车ES8车身铝合金使用比例超过了95%[2]。但基于铝合金的材料性能,如强氧化性、导热率大、线膨胀系数大等,使得在焊接铝合金的过程中易出现气孔、裂纹等焊接缺欠。CMAB的热输入量极低,可以很好地防止非典型金属化合相的形成[3],从而保证焊接接头的焊接质量稳定可靠,故CMAB工艺可以实现钢-铝异种金属的连接。
本文将从CMAB工艺的原理、工艺过程、特点及其在汽车制造领域的应用进行系统介绍,为CMAB焊接工艺的深入研究和广泛应用提供参考。

2 CMAB技术原理及特点2.1CMAB技术原理
a.焊接过程飞溅极少。
a.阶段1,电弧引燃,熔滴长大并向熔池过渡,送丝机输送焊丝;
b.阶段2,熔滴与熔池短路,电弧熄灭,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;
c.阶段3,送丝机回抽焊丝,使焊丝与熔滴分离,实现熔滴的无爆断过渡;
d.阶段4,熔滴脱离焊丝,再次向焊机传送信号,送丝机输送焊丝,焊机输出焊接电流,重新引弧焊接。焊接过程为“热-冷-热-冷”交替循环。
CMAB技术的熔滴过渡方式可以实现熔滴的“冷”过渡,显著的降低飞溅和焊接的热输入量[5],CMAB熔滴过渡示意图如图1所示,图中箭头表示焊丝的运动方向。

图1 CMAB溶滴过渡示意

2.2CMAB技术优势
与常规熔化极电弧(Melt Inert-Gas Welding,MIG)钎焊相比,CMAB工艺有2个显著的技术特点。
c.焊接速度相对较快。
CMAB工艺与常规MIG钎焊固定不变的送丝运动不同,在焊机系统的闭环控制中加入了对焊丝运动的控制,由焊丝抽送机构实现焊丝的“输送-回抽-输送”,使得短路液桥爆断前焊丝便与熔滴分开,短路过渡形式得到改善,降低常规短路过渡的高飞溅,实现无飞溅焊接。
b.焊接热输入量极低。
常规MIG钎焊熔滴过渡在短路时电流达到峰值,焊接能量最高,而CMAB工艺通过数字化协调和推拉丝方式在短路时将输出电流电压瞬间将至最低,大大减少短路过程的焊接热输入量,图2所示为CMAB焊接过程中电流电压示意。CMAB工艺的热输入量与常规MIG钎焊相比可降低约20%~30%。

图2 CMAB焊接电流电压示意
常规短路过渡形式具有周期性,燃弧-熔滴长大-短路熄弧-颈缩-液桥爆断[4],在液桥爆断过程中会伴随有大电流及大量飞溅。CMAB技术可以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,改善短路过渡形式。加入数字化协调后,CMAB工艺过程变为4个阶段。
CMAB焊枪的喷嘴结构也与常规MIG钎焊枪不同,如图3所示。CMAB焊枪喷嘴端部呈极其狭窄的圆锥状,这样的设计可以保证保护气体能够高速流通,同时还能够起到压缩焊接电弧,提升电弧挺度的作用,进而提升钎焊的速度[6],CMAB的焊接速度最快可以达到7 m/min。
另外,CMAB焊还能够精确控制焊接电弧弧长,且具有引燃电弧迅速可靠、焊缝成形美观均匀、焊接缺欠少、稳定性好等优点,使得该焊接工艺具有良好的应用基础。

2.3CMAB技术劣势
CMAB在实际生产应用的过程中也暴露出了一些不足[7],主要如下。

图3 焊枪对比
a.焊接设备比较昂贵。相比常规MIG钎焊焊机,CMAB将增加2~3倍左右的投资成本。
b.设备和系统相对复杂。CMAB设备增加了推拉丝机构及缓冲抽丝动作的缓冲器,在焊接电源中也增加了调控熔滴过渡、焊接参数及推拉丝动作相互配合的复杂系统,设备和系统的复杂性使得不可靠性增加。
c.零件的装配要求更为严苛。因热输入量小,熔滴的流动性和铺展能力变差,这就需要装配质量要更加的精确,但CMAB对装配质量的适应性要优于激光钎焊,可以实现小间隙焊接。
d.连接强度相对较低。由于CMAB属于钎焊工艺,焊接过程中母材不熔化,连接强度靠钎料在母材表面铺展或母材间隙中填缝并与母材相互溶解扩散形成的固相连接,故接头强度相对较低,无法应用于承载较大的结构件连接。

3 CMAB技术的应用
CMAB工艺可以实现钢-铝异种材料的连接,促进铝材在汽车制造领域的应用,实现汽车轻量化。钢-铝连接的CMAB接头在铝板侧母材熔化,为熔焊;在钢板侧母材不熔化,熔覆金属铺展,为钎焊,接头示意如图4所示。在焊接接头的界面区域易产生脆性化合物层,主要的脆性化合物有Fe2Al5相和FeAl3相,其中Fe2Al5相一般致密的分布在靠近钢侧,而FeAl3相则呈针状向铝侧生长[8]。利用CMAB技术焊接1 mm镀锌钢板和1 mm铝板可获得良好的搭接接头[9],接头强度可以达到72.09 MPa。目前该项技术在某品牌乘用车钢铝保险杠的焊接中得到了应用。

图4 钢铝接头示意
中国第一汽车股份有限公司的李金宝等人应用CMAB工艺进行了商用车的保险杠与内部支架的焊接试验[10],试验采用CuSi3焊丝焊接DC01冷轧钢和DC04深拉伸级冷轧钢,在焊接电流为95 A,焊接速度为200 cm/min,干伸长为5 mm时,获得了成形良好的钎焊焊缝。由于CMAB工艺热输入量低,焊后样件表面最大变形量约为63.4 μm,与CO2气体保护焊工艺相比,保险杠的表面变形量降低了45%,同时取消了焊后打磨处理工艺,在节省人力、提升节拍的基础上,显著降低了成本、提高了保险杠总成的外观质量,表面质量对比如图5所示。该保险杠总成搭载整车进行整车道路试验,验证了该CMAB接头强度符合设计要求。

图5 不同工艺表面质量对比
奥迪A7和特斯拉Model S等车型在后背门流水槽位置已经采用了CMAB工艺,该位置焊缝为外漏可视焊缝,焊缝长度超过800 mm,CMAB工艺的引入不但起到了可靠连接和密封的效果,而且获得的焊缝美观,提升整车用户感知质量,特斯拉Model S中CMAB工艺的焊接过程如图6所示[11];多款自主车型也已规划在相同位置采用此工艺。

图6 CMAB在特斯拉Model S的应用实例
基于CMAB焊缝具有良好的可加工性,该项技术还可以应用在薄壁件的连接及表面修复上,既可以减小工件的变形,也可以保证焊接质量,获得美观焊缝及优良的焊缝加工性能。

4 结束语
CMAB技术以其热输入量小、飞溅极少、焊缝成形美观、焊接速度快等诸多优势,在汽车制造领域中展现出了其独特的应用优势。随着汽车制造领域朝着低碳、节能、环保的发展趋势,薄板及铝材在汽车车身中的应用将日益增多,这就需要高质量、高效率的焊接工艺予以支撑,而CMAB工艺将以其优异的特点被越来越广泛的应用。


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