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汽车薄钢板用MAG焊丝和焊接方法的开发动向
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:4/10/2006 阅读:10617

 

 

汽车薄钢板用MAG焊丝和焊接方法的开发动向

 

铃木励一    中野利彦

(株)神户制钢焊接公司技术开发部

 

 

摘要:作为适合于汽车的焊接方法,点焊和采用实芯焊丝的MAG焊接最为普及。在日本,焊机、机器人、保护气体以及焊丝等,根据不同的目的,正在进行多方面开发和走向实用化。这里介绍日本的适合于汽车的MAG焊接方法和焊丝的现状,以及作为新开发的例子,介绍适于极薄钢板的焊接技术。本焊接技术由焊丝成分、焊丝直径和电流波形的组合构成。极薄钢板的焊接难题是防止烧穿和间隙处的架桥性。为了改善这些性能,要降低熔池的表面张力和提高焊丝的电阻,以此为目的调整出最合适的焊丝成分。减少焊丝直径,能提高熔敷效率,再加上使电流波形交流化,就可以调整熔深。

关键词:汽车   MAG  极薄钢板

 

AbstractThe MAG welding method using solid wire is spread together with spot welding method for the automobile manufacturing. Welding wires, power sources, welding robots and shielding gases are developed and put in practical use according to the purpose in Japan. This introduces about the present situation of MAG welding wire and process for the automobile manufacturing in Japan, and a welding technology suitable for ultra thin steel sheets as a newly developed example. This welding technology is constituted by the combination of welding wire composition, the diameter of a wire, and current waveform. The biggest problem in arc welding of very thin steel sheets is excessive burn through and root gap tolerance. The chemical composition of the developed wire is optimized for the purpose of decreasing surface tension of the droplet and increasing electrical resistivityof wire improving these problems. Furthermore, the deposition rate increases per unit of welding current by decreasing wire diameter, and adjustment of the penetration depth is enabled by alternating current wave form and polarity.

Key wordsAutomobile, GMAW, thin steel sheet

 

0     

 

在汽车制造工程中,焊接是极为重要的技术之一。与其他行业相比较,汽车行业的特点采用薄的钢板,相应的焊接方法有点焊、气保护电弧焊、激光焊和滚焊等。其中,采用实芯焊丝的MAG焊接方法适用性广泛,它与焊接机器人组合后,可得到高能率性,在成本上有竞争力,是一种最为普及的焊接方法。在材质方面,到目前为止,主要使用低碳钢、镀锌钢板及不锈钢等,为了减轻重量,高强度钢及铝合金等使用的量在增加。

在日本,为满足汽车制造商或零部件制造商旺盛的开发需要,根据不同的目的正在开发焊机、机器人、保护气体焊接材料等,并且已实用化。

本论文介绍日本的适合于汽车的MAG焊接方法和焊丝的现状,以及作为新开发之例子,介绍适于极薄钢板的焊接技术。

 

1             日本的汽车行业中MAG焊接的市场现状

 

如图1所示,构成MAG焊接方法的主要因素是焊丝、保护气体、焊接电源和焊接机器人。在日本,汽车行业竞争力高的原因之一是迅速的实现了全面的自动化,它有助于降低成本。在焊接施工中,弧焊机器人的自动化率接近100%,汽车行业的自动化率超过了钢结构、建筑和造船等其他行业。图2给出了焊接机器人的产量和流向,由此可以看出,绝大部分焊接机器人流向汽车行业。在焊机方面,也主要是高性能机流向汽车行业,而且从半导体控制进化成现在主流的逆变式控制,再进一步,近期能成为数字式控制的话,其应答速度变快,并推动高速焊接化和低飞溅化进展(见图3)。在电流波形方面,为适应脉冲化、交流化等目的,也正在进行开发的推广普及。就保护气体而言,其他行业多采用CO2气,在汽车行业,为更好地适应于薄板,近年来采用Ar+CO2气的正在增加,据推测已超过半数。

 

4示出了日本不同行业的焊接材料用量,图5示出了各行业中焊接材料的构成比例。在建筑钢结构和造船行业之后,汽车行业使用的焊接材料占到第3位,形成了大的市场。另外,它所使用的焊接材料大部分是实芯焊丝。

其理由主要有:①它与机器人组合易于自动化。②电流的允许范围广,从低电流到高电流都可以。③渣量少。④成本低等,这些都与汽车的要求相一致。

 MAG焊接方法主要适用的汽车部件如图6所示。点焊主要用于车身部件,MAG焊接则不同,它多用于要求高强度的脚边部件和形状复杂的部件等。汽车行业对MAG焊接方法的主要要求列于表1。从焊缝金属的性能和状态考虑,在效率、适用性和成本等方面都要求进行改善。全部满足这些要求的焊接方法和焊丝现在还没有,能够适应这么多要求的施工方法,使用的是通用的焊接方法和焊丝,也正在开发有此衍生的、有特征的施工方法。

 

1  汽车行业对MAG焊接的主要要求

      焊缝金属的性能和状态                             焊接效率、适用性、环境

·适当的强度、韧性                 ·高速性                  ·低飞溅                      ·引弧性

·耐蚀性                           ·耐烧穿性                ·低发尘                      ·低成本

·抗裂性                           ·熔深稳定性              ·导丝嘴耐磨性                (设备、运转)

·焊道形状宽                       ·抗气孔性                ·导丝嘴耐熔性

·渣量少                           ·耐间隙性                ·送丝稳定性

在日本,最一般的焊机和焊丝组合以及用途不同的技术示于图7,最为常用的焊接方法是采用CO2气或Ar80%+CO220%的短弧焊接方法。当板厚在1.6mm以上时,多采用1.2mm的焊丝,焊丝成分符合JISZ3312YGW12AWSA5.18ER70S6标准要求,是适合低电流焊接用的实芯焊丝。一般情况下,采用通用焊接方法可以完成汽车上大部分的电弧焊接。此外,已开发的焊接方法有:①脉冲MAG焊接方法,它可以降低飞溅,在表面处理的钢板上焊接时耐气孔性更好。②极薄板焊接方法,焊接1.4mm以下的钢板或者根部间隙大的场合也不易产生烧穿。③纵列多丝电弧焊接方法,它可实现高速焊接化。④铝MAG焊接方法,所焊材质为铝合金。还有与这些焊接方法相匹配的焊丝也已开发出来。

 

2             耐间隙性优良的极薄板焊接技术

 

作为新技术的一例,下面介绍一下耐间隙性优良的极薄板焊接技术。如上所述,电弧焊接多的部位,主要是板厚较大的脚边部件。板厚在0.71.2mm及非常小的车身、坐椅架、车门梁等点焊不能进行的地方或在成本及设计上电弧焊接有利的场合也采用电弧焊接。但是极薄板电弧焊接时,最大的问题是烧穿。因为极薄板的热容量小,焊接时有时候一直到钢板里侧都达到了熔点而熔化掉(见图8b)。作为防止烧穿的方法,减少热输入量是有效的,还有以下的措施:

1)   减少焊丝供给量,降低电流、电压。

2)   加大焊丝伸出长度,降低电流。

3)   依靠增大焊丝的电阻热,在低电流下使焊丝熔化。

4)   减小焊丝直径,在低电流条件下能保证相同的熔敷量。

此外,改变电弧的电特性的措施有:

5)   通过改变极性(通常为直流反极性→直流正极性),降低促进母材熔化的热输入量。

在以上措施中:1)减小焊道的断面积,在根部间隙大的场合,易产生架桥不良(图8c),因其有效条件范围狭,不能实用。2)焊丝伸出长度加长的话,可引起焊丝弯曲度增大,对正位置发生偏移,易产生架桥不良,也不实用。于是,我们对措施3)~5)进行了全面的组合研讨,开发出了普通电弧焊接难以焊接的、根部间隙大的极薄板电弧焊接方法。

 

2.1    焊丝成分的研讨

众所周知,熔化极电弧焊的熔化速度,主要取决于图9中电弧热量(C1项)和伸出导电嘴部分焊丝的电阻热(C2项),用公式⑴表达如下: 

由公式⑴可知,提高焊丝的电阻率以后,既可使电流减小,又能保证熔化速度。据此,我们改变化学成分来增大焊丝的电阻,限制热输入量,以便得到浅的熔深并满足根部间隙架桥需要的大焊脚长度。

几种主要的焊丝合金元素含量与电阻率的关系示于图10。由图可以知道, 增加Si量对提高电阻率是有效果的。采用含Si 量变化而使电阻率变化了的焊丝, 在平板上进行堆焊,并测定母材的熔化断面积,其结果见图11。通过调整焊丝成分,在相同的送丝速度条件下,也能使焊接电流下降,使低热输入量化成为可能。这样一来,熔深减小,母材熔化断面积变小了。据此,对焊丝成分,特别是含Si量,在考虑到焊接工艺性能等方面的基础上,确定一定最合适值。采用这种成分的焊丝,对防止母材烧穿是有效果的。

 

另外,在不产生母材烧穿的场合,当有大的根部间隙而不能达到焊道架桥的状态时,不是增加熔敷断面积,更为重要的是增加焊道宽度(见图12),焊道宽度受到熔池表面张力的影响很大。曾试图测定熔池的表面张力,以研究焊丝成分的影响。但是直接测定熔池的表面张力是困难的。为此,把焊丝端部形成的熔滴的表面张力近似地视为熔池的表面张力,并用以下的方法测定熔滴的表面张力。

采用非常低的电流(焊丝直径1.2mm时,约为1530A)来产生电弧,并使熔滴在焊丝端部形成,如图 13所示,熔滴达到某一重量时,依靠其自重从焊丝端部脱离。当电弧电流、电压及焊丝的伸出长度达到平衡时,熔滴的形成及脱离将连续地有规则地进行,从焊接电源输出波形就能精确地求出熔滴的形成时间。而且,根据焊丝的送进速度,计算出一个熔滴的重量后,就能够计算出表面张力γ。表面张力越大,熔滴的重量只有增大才能落下,熔滴形成的周期变长。

 

        mg

γ=────                                                                        

      2πrf

 

式中    r——焊丝直径

        M——熔滴质量

        g——重力加速度

        f——常数

焊道宽度的测定方法以及作为架桥性指标的可焊接临界根部间隙的测定方法示于表2、图14和图15

2   基本焊接条件

                                                                     ф1.2mm

                  送丝速度                                                    7m/min

                  焊接电流                                                   200250a

                  焊接电压                                                    2224V

                焊丝伸出长度                                                   15mm

                    极性                                                    直流反极性

            保护气体成分(体积分数)                                            Ar-O25%

 

按照上述方法,采用4SiMn含量的焊丝测定其熔滴的表面张力。焊道宽度与表面张力的关系以及搭接角焊条件下的可焊接临界根部间隙的测定结果汇总于图16

由图16可得出如下见解:

1)   焊丝中SiMn含量越多,熔滴的表面张力越大。这可能是因为强脱氧元素SiMn增加后,熔滴的含氧量减少造成的。

2)   焊丝的表面张力越低,焊道宽度越大,因而使可焊接临界根部间隙也同样变大。

由此可见,通过减少焊丝中SiMn含量,使熔池的表面张力变小,增加焊道宽度,就能增大可焊接临界根部间隙,使其架桥性提高。

薄钢板耐烧穿性的提高,在于如何防止底板的烧穿以及存在根部间隙时如何防止底板与顶板之间的架桥不良,不减少熔敷金属量而降低其热输入量,并使之形成宽的焊道形状是最佳的。为此,在焊丝成分方面的实施程序如图17所示。

 

增加焊丝电阻率,主要是靠增加含Si ;另一方面,降低熔池的表面张力,主要靠降低SiMn等的含量,这两方面是相互矛盾的。因此,所开发的焊丝成分,要达到电阻率和表面张力特性的平衡,对其他成分也进行了调整。

2.2    焊丝直径的研讨

18示出了焊丝直径与电流和熔敷量的关系,即焊丝越细,电流密度越高,单位电流的熔敷量越大;相反,熔敷量一定时,通过降低电流和热输入量,使熔深减小,有利于防止烧穿。此外,细直径焊丝在低的电流时电弧稳定性优良,抑制了熔池的振动,也有利于熔深的稳定。

2.3    电流波形的研讨

通常,熔化极电弧焊接多采用直流反极性,其理由是母材的熔深大,可以减少熔合不良,在高电流区的电弧稳定性优良。但是,焊接极薄板时,熔深过大引起烧穿的可能性增加。正极性焊接的问题之一是电弧稳定性不良,但在细焊丝的低电流区使用时是没有问题的。正极性焊接时,电弧的能量更多地用于熔化焊丝,所以熔敷效率变高,当产生大的根部间隙时也可以改善架桥性。图19示意出了极性与熔深及焊丝熔化量的关系。图20给出了极性与熔敷量的关系。

 

采用直流正极性对改善烧穿性和架桥性是有效的,但是根据焊接条件的变化,有时熔深过浅,焊道变成凸状,引起熔合不良。仅采用直流正极性时,合适的焊接条件范围往往很窄,所以研讨了交流焊机的适用性。这种交流焊机要能够发挥正极性与反极性各自的优点,以便作为进一步控制熔深、余高和耐根部间隙的手段。本交流焊机可以数十赫兹的高频率内正负极交替,并具有正负极比例自由设定的功能,焊机交流波形的一例见图21。使用交流焊机并变化其极性比例时,不同根部间隙对应的余高高度测定结果示于图22

由图22可以得知:

1)   采用以关最常使用的直流反极性焊接时,余高高度变小,可焊接临界根部间隙非常小,这表明它容易引起烧穿,适用范围狭窄。

2)   采用直流正极性焊接时,可焊接的临界根部间隙最大,不容易引起烧穿。但是,在根部间隙窄的场合,余高过高,焊道形状不良。

3)   采用EPEN=5050的交流焊接时,能得到的可焊接临界根部间隙和余高高度处在直流反极性和直流正极性的中间。

 

应用时,可根据焊接部位的板厚和根部间隙的大小,设定一个适当的交流焊机的极性比例,这样就能够得到优良的耐烧穿性和焊道形状。

开发的施工方法与以前的施工方法之可焊接临界根部间隙比较结果示于图23。与以前的施工方法相比较,开发的施工方法可以用于更薄的钢板,而且当存在大的根部间隙时也能够顺利地焊接。

24中照片1为实际的应用例,其板厚为0.7mm(根部间隙0.5mm),采用ф0.6mm的开发的焊丝进行搭接角焊,焊接时变化极性的比例。当极性比例EPEN=1000(直流反极性)时,产生烧穿。EPEN=2773时,正极的比例过高,焊道窄且成凸状。EPEN=5347时,未产生烧穿,且焊道宽度适中,效果良好。照片2为采用本施工方法的实际工件,板厚也是0.7mm,根部间隙约0.5mm。采用本施工方法可以焊接出外观及熔深等良好的焊道,焊接条件如表3所示。

3   焊接条件

焊丝:开发的焊丝   φ0.6mm

钢板:SPCC 0.7mm

根部间隙:0.5mm

焊接位置:水平搭接角焊

保护气体成分:Ar+CO220%(体积分数)

焊机:极性可变交流焊机

送丝量:一定

 

3  

 

有关耐间隙性优良的极薄板电弧焊接技术的开发,到目前为止的研究结果汇于表4

4   耐间隙性优良的极薄板电弧焊接技术要点

研究项目

     

焊丝成分

    ① 通过降低焊丝的电阻率达到降低热输入量(提高耐烧穿性)

② 通过降低熔池的表面张力使焊道宽度增大(改善架桥性)

焊丝直径

① 采用细焊丝以降低热输入量(提高耐烧穿性)

电流波形

① 采用极性比例可变的交流焊机(控制熔深和焊道形状)

 

与以前的通用施工方法相比较,本焊接方法大幅度地改善了耐烧穿性和焊道形状,并使通常难于焊接的极薄板也可稳定地实现MAG焊接。本技术已经实用化,它的可靠性得到了确认。在汽车行业,世界性的技术竞争进行得很激烈,与此相关,在材料领域也要求有更为优良的产品。就焊丝而言,它与其他焊接要素,如焊纲、保护气体、机器人等相配合,对施工方法的开发起到重要作用,今后也要开展能够满足要求的技术开发。

 

        

1             []松井.汽车的自动化的发展.焊接学会焊接方法研究委员会编,焊接方法入门Ⅲ,电弧焊接的自动化技术.1995,I1517

2             Matsui: Development of Automation in the Automobile Industry, Technical Commission on Welding rocesses of Japan Welding Society, Welding Guide Book Automation Technology of Arc WeldingJapan1996、Ⅰ.1720

3             松井,菅,中野等.薄板脉冲MAG焊接时防止烧穿的研讨.焊接学会全国大会讲演概要集,1988No.5122123

4             三田,品田,坂本等.极薄板搭接角焊方法的开发.焊接学会全国大学讲演概要集,1988No.627677

5             铃木.汽车用薄钢板的NAG焊接技术.(株)神户制钢所,技术入门,2000No.36816

 
 
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