镀锌钢板CMT铜钎焊焊接缺陷敏感性研究

牟 刚，张跃龙，华学明，王大明，褚卫东

（1.上海交通大学材料科学与工程学院，焊接工程研究所激光制造实验室，上海200240；2.上海拖拉机内燃机有限公司，上海200433）

镀锌钢板CMT铜钎焊焊接缺陷敏感性研究

牟 刚1，张跃龙1，华学明1，王大明2，褚卫东2

（1.上海交通大学材料科学与工程学院，焊接工程研究所激光制造实验室，上海200240；2.上海拖拉机内燃机有限公司，上海200433）

针对汽车镀锌钢板CMT铜钎焊焊缝缺陷的敏感性问题，采用1.5 mm厚镀锌钢板搭接焊接的方法进行试验，主要以润湿性、焊接过程中是否存在飞溅、焊缝成形和镀锌层烧损情况作为评价铜钎焊焊接缺陷敏感性的指标，得到试验条件下缺陷敏感性较小时的工艺窗口：镀锌钢板搭接间隙为0～1mm、电流为125～152 A时能获得合格的焊缝。通过改变点焊后不同气体保护时间确定焊缝表面变黑是由于焊缝在高温下被氧化生成氧化铜。

CMT铜钎焊；镀锌钢板；缺陷敏感性；氧化

0 前言

镀锌钢板因耐腐蚀性能良好、生产成本低，在国内外汽车工业中得到了广泛应用[1-2]。但锌的熔沸点低（熔点420℃，沸点906℃），常规熔焊方法会使镀锌层大量挥发严重影响焊后板材的耐腐蚀性能。CMT铜钎焊既有MIG焊接高效快速的优点，又可以保证焊接过程中母材不熔化，采用冷金属过渡技术（CMT）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，保证熔滴顺利无飞溅；此外采用低熔点的CuSi3焊丝作为钎料（熔点960℃～1 130℃），理论上可以有效控制镀锌层的挥发烧损。因此在力学性能要求不高的零件中，采用CuSi3焊丝的CMT铜钎焊成为主流[3]。鉴于以上优点，美国福特、德国奥迪、英国美洲豹以及国内上海大众、上海通用都采用了MIG钎焊焊接镀锌钢板[4-6]；但是该方法也存在缺点，由于热输入量过小，钎料润湿不良，甚至出现焊瘤等情况。时中星等人研究了焊枪角度、电流电压对焊缝组织的影响[3]，黄顺义、马王哲等人给出了各自试验条件下的MIG铜钎焊工艺参数[4，7]，Fatih Savgu通过改变保护气来改善焊缝成形取得了一定效果[8]。但少有文献对CMT铜钎焊的焊接缺陷敏感性进行研究。由于钎焊没有详细的评价标准，故本研究中的焊接缺陷敏感性是以润湿、飞溅、焊缝成形、锌烧损为指标进行综合评价。

本研究采用CuSi3焊丝，利用CMT铜钎焊技术进行工艺试验。根据前期试验，在保证板材清洁的情况下，CMT铜钎焊没有出现气孔问题，所以气孔不在讨论范围内。

1 焊接试验

焊接试验采用福尼斯公司生产的Advanced-CMT弧焊机和安川六轴联动机器人。试验采用一元化焊接方法，即送丝速度与电流、电压的关系根据特定的焊丝焊接特性曲线变化，送丝速度固定后，电流电压不再变化。试验用镀锌板牌号为HC3 40LAD+Z，尺寸240 mm×50 mm×1.5 mm；选用直径1.0mm的CuSi3焊丝（国标牌号ER6560），焊丝伸出长度10 mm。保护气为纯氩气，气流量15 L/min。焊枪倾角30°，后倾焊接。综合现场情况考虑，焊接速度75 cm/min，搭接量10 mm，搭接间隙依次为0 mm、0.5 mm、1.0 mm。焊接前采用丙酮清洗板材表面，试验方案如表1所示。

表1 试验方案

2 结果和讨论

2.1 焊接缺陷分析

间隙为0mm、0.5mm、1mm时，不同电流得到的焊缝润湿角数据如图1所示。可以看出，整体上润湿角随着电流的增大而减小，并且在相同电流下，搭接间隙的增大会导致润湿角减小。间隙0 mm、焊接电流88 A时润湿角最大，此时润湿性最差。间隙1 mm、焊接电流165 A时润湿角最小，此时焊缝的润湿性最好。

图1 不同间隙、不同电流下的润湿角

间隙量为0 mm时不同电流下得到的焊缝正面和背面形貌如图2所示。钎料在镀锌钢表面的润湿性随着电流的增大而逐渐变好。结合图1，当电流为88 A时，焊缝润湿角约为80°；当电流大于125 A后，热输入量的增大对母材起到较好的预热效果，钎料与母材之间温度梯度减小，改善了钎料对母材的润湿效果，润湿角降为66°；当电流超过152 A时，开始大量出现飞溅，这是因为随着电流增大，电压也增大，电弧弧长变长并且不稳定，导致出现飞溅。从焊缝成形上来看，随着电流的增大，焊缝熔宽增大。电流增大至125 A后，单位时间的熔敷量和热输入量显著提高，焊缝成形美观但表面存在大量黑色氧化物。镀锌层的烧损情况主要通过焊缝背面进行判断，焊缝背面由于一直受到热的作用，部分锌被氧化成白色的氧化锌粉末附着在母材上，当热量进一步提高，部分锌直接挥发导致高温下的钢板迅速被氧化形成黑色颗粒状的铁的氧化物附着在母材上。从图中可以看出，电流超过152 A后焊缝背面烧损严重，而电流为88 A时仅有轻微变色。焊缝正面锌也会挥发，主要原因是后倾焊接时电弧首先预热母材，在钎料达到母材之前锌已经挥发，随后钎料在母材铺展，因此不容易判断镀锌层烧损情况。

间隙量为0.5 mm时不同电流下得到的焊缝正面和背面形貌如图3所示。结合图1可知，当电流为88 A时，润湿不良，润湿角约为70°；而电流大于110 A后润湿角下降至54°，可以看到随着电流的增加，润湿铺展效果变好。电流小于88 A时存在少量飞溅，可能是由于电压过低、电弧挺直度不足、电弧不稳定所造成。间隙量为0 mm时也存在同样的现象。从焊缝成形来看，电流大于125 A后，焊缝形貌美观，焊趾整齐，但焊缝表面存在大量黑色氧化物；电流大于152 A之后，焊缝背面镀锌层烧损情况开始加重。

图2 间隙量为0 mm时不同电流下的焊缝

图3 间隙量为0.5 mm时不同电流下的焊缝

间隙量为1 mm时不同电流下得到的焊缝正面和背面形貌如图4所示。随着电流增加，结合图1可知，电流为88 A时，润湿角约为70°，钎料铺展效果不好；当电流达到110 A后，润湿角为65°，基本可以接受；当电流大于165 A后，焊接过程中飞溅增多，这是由于电压增大引起电弧不稳定所造成。焊缝成形方面，电流过小会造成焊趾不齐，焊缝熔宽过小；电流为110～152 A时焊缝成形美观，焊趾整齐；当电流大于152 A后，镀锌层烧损明显增大，焊缝背面黑色的铁的氧化物数量急剧增加，甚至在焊缝两侧较远位置也存在镀锌层的烧损。

2.2 焊接缺陷敏感性评价

按照润湿效果、飞溅、焊缝成形、锌烧损四个评价项目，评价分“2”“1”“0”分别代表“合格”“一般”“较差”，四个项目评分达到7分作为焊缝缺陷敏感性小的依据。将不同间隙量、不同电流下的CMT铜钎焊评价结果汇总如表2所示。将所得到的缺陷敏感性工艺窗口汇总如图5所示。

图4 间隙量为1 mm时不同电流下的焊缝

表2 试验及评价结果

图5 CMT铜钎焊焊接缺陷敏感性工艺窗口

间隙量为0 mm和0.5 mm时，焊缝形貌随着电流变化的情况基本一致，均在125 A时开始润湿良好、焊接过程无飞溅、焊缝成形美观以及镀锌层烧损量较少。当电流升高到约152 A时，焊缝正面锌烧损程度基本一致，但焊缝背面后者锌烧损量略大，这是因为焊缝正面部分处于熔点和沸点之间的锌形成液化膜会覆盖在母材和钎料表面，随着焊枪前移，CuSi3钎料迅速散热起到保护镀锌层的作用。而焊缝背面没有钎料的覆盖，高温下暴露在大气中，部分锌会被氧化成白色氧化锌，随着气流被吹散，暴露的钢板会被氧化形成黑色氧化物附着在焊缝背面，但是由于间隙的存在，板材之间高温钎料增多，底部板材会受到更多的热量，造成底部板材锌烧损相比间隙量为0 mm时的情况更严重。间隙量为1 mm时，焊缝背面镀锌层的烧损在电流125 A时就有所加重，这一方面是板材间钎料增加导致，另一方面由于镀锌板之间的间隙过大，电弧一部分热量直接作用于底部板材，另一部分热量将通过板材间隙到达底部板材，热量通过间隙时向空气中散热，使板材和电弧的温度有一定程度的下降，引起电弧收缩，因此热量相对于间隙0 mm、0.5 mm时的情况更加集中，加重母材镀锌层烧损程度。综上可知，间隙为1 mm、电流为110 A时可得到相对满足要求的焊缝。

2.3 焊缝表面黑色物质

当焊接电流超过125 A后，焊缝表面会出现大量的黑色物质，推测是由于焊枪前移，熔池在高温下发生氧化生成黑色氧化铜造成的。同时采用点焊后延长气体保护时间进行验证，试验结果如图6所示。保护时间为0 s时，焊缝表面黑色物质较多；保护时间为10 s，焊缝表面在高温下得到氩气的充分保护，抑制了黑色氧化铜的产生。因此，可以断定焊缝表面这一层难以去除的黑色氧化铜是焊缝在高温下被氧化所致。

图6 点焊焊后不同气体保护时间得到的焊缝

3 结论

（1）采用润湿、飞溅、焊缝成形、锌烧损四个指标评价CMT铜钎焊焊接缺陷敏感性。

（2）通过CMT铜钎焊确定1.5 mm镀锌板搭接焊在间隙量为0～1 mm、电流125～152 A时的焊接缺陷较少。

（3）随着电流的增大，焊缝表面变黑是焊缝在高温下被氧化生成氧化铜所致。

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4 结论

（1）三种线能量条件下，A7N01S-T5铝合金MIG焊接头的实测值及仿真计算残余应力的分布呈现明显的双峰形态，实测最大拉应力值主要出现在热影响区和焊缝区，而仿真计算最大拉应力值出现在热影响区。（2）三种线能量条件下，随着线能量的增加，A7N01S-T5铝合金MIG焊接头纵向残余应力峰值增大，纵向残余拉应力峰值从149MPa增加到190 MPa，而横向残余拉应力峰值之间差别不大，但数值上高于纵向拉应力峰值，最高值达217 MPa。（3）仿真计算结果与实测结果存在一定差异，但两者应力分布趋势与拉应力的峰值相近。仿真计算结果在一定程度上印证了实测应力值分布情况，具有较好的可信度。

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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.

献

郭吉昌，朱志明，闫国瑞，等.基于UG的弧焊机器人离线编程系统开发[J].电焊机，2017，47（01）：1-6.

2016-12-06

牟 刚（1989—），男，山东泰安人，在读硕士，主要从事弧焊、钎焊和激光焊的研究。