冷焊技术焊接碳钢的工艺探讨

2019-01-16屈文洁陈民昌牟迪

中国设备工程 2019年4期

屈文洁，陈民昌，牟迪

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

冷焊技术是一种非常有效的碳钢焊接工艺，非常适用于薄板焊接和轻型材料的焊接之中，船舶和汽车制造领域涉及到非常多的轻型材料和薄板材料，这项技术的应用对船舶和汽车的制造行业有着重要的意义。与热焊接技术相比，冷焊接工艺具有焊接碳钢变形量小、金属飞溅量少、气孔少等突出的优势。冷焊接工艺是一种少热量输入的焊接工艺，因此在冷焊接碳钢的过程中没有碳钢熔化飞溅的现象出现，因热量输入低而具有变形量小的特点。我国在碳钢冷焊接工艺的设计和调控上还有很大的空间。

1 冷焊技术的工艺特点

冷焊技术也叫做低热量输入焊接技术，这是区别于热焊接技术而言的。近年来，制造业和工业朝着质量更轻、强度更高、韧性更好的方向发展，冷焊接技术恰恰在工业和制造业飞速发展之时为生产力和生产力量提供了强有力的技术支撑。

现在，新型的碳钢已经摆脱了以前质量大、体积大的特点，逐渐向轻量化转型，新型的碳钢已经走进了各个行业，企业和高校对新型碳钢的材料研究和生产质量都投入了较前几年更大的精力，传统的钢铁材料已经无法满足产品的性能要求和使用需求，逐渐被新型的碳钢所取代。这些碳钢的结构件厚度逐渐变薄，质量逐渐变轻，用常规的焊接方法很容易使碳钢产生热变形，因此热焊接技术如果控制不好热量的输入则对于碳钢的焊接结合强度和焊缝组织性能来说都是一种挑战。冷焊接技术则规避了热量注入而引发的热变形和热应力，使得碳钢在焊接的过程中在常温下进行，焊缝质量高，焊接结合强度也可以得到保证，尤其是在对薄壁碳钢的焊接过程及焊接质量具有重要的贡献。

冷焊接技术经过不断的研究已经有了一些应用，奥地利的一家材料公司对焊接工艺进行了大量研究，并研究出大量的创新性工艺成果，其中，冷金属过渡焊接技术是冷焊接工艺的典型代表，该公司长期集中精力研究无飞溅焊接技术，引弧微连接技术，在上述两种焊接技术逐渐发展并且成熟的基础之上研究和发展了冷金属过渡电弧焊接工艺，这种冷金属过渡电弧焊接工艺特点是温度低，温度低对两种结构参数有较大的影响，其一是焊接速度，其二是焊缝的晶粒生长速度和晶粒尺寸，这两个材料结构参数是影响焊缝性能的主要因素，是决定焊缝质量的重要参数。冷焊接技术在航空航天，船舶制造，汽车生产领域都发挥着重要的作用，但冷焊接技术也必然有其工艺上的缺点和弊端，对其工艺特点进行研究具有重要的理论意义和工业生产价值。

2 冷焊接在碳钢中的应用

某课题组在对高铁上使用的碳钢进行冷焊接的工艺研究表明，冷焊接工艺相比于脉冲焊接工艺温度低，在碳钢的厚度较大时，采用多层数和多个焊道进行焊接时，焊缝的组织结构和质量相比于脉冲焊接更加优异，采用冷焊接工艺控制了热输入，使得晶粒长大过程变慢，晶粒的平均尺寸减小，以等轴晶的形式生长的晶粒区域显著扩大，与此同时还降低了碳钢焊缝的热影响区对焊接接头的力学性能影响。在氩气保护的实验条件下，对碳钢进行了冷焊接，研究了焊接过程的稳定性、焊缝形成的质量、焊接的效率以及焊缝及焊接后碳钢的综合力学性能。结果表明，激光对焊接过程中的焊接稳定性有较大的影响，激光使的电弧的挺度变大是焊接过程中稳定性好的直接原因。这种冷焊接工艺在提高了焊接过程稳定性的同时也使得焊接后的焊缝美观性提升，单面的焊接工艺完成了焊缝的双面成形，冷焊接的后对焊接接头进行结合强度、压痕实验、划痕实验等的结果表明，与TIG填丝焊等主流的热焊接技术相比，其硬度、强度、韧性和弹性模量也保持了较高的水准，在这种综合性能没有显著下降的情况下，冷焊接技术的焊接效率却有了显著提高，焊接效率增加了5倍之多，而冷焊接的焊接热量输入却减少至热焊接的一半以内。

2.1 超薄碳钢板材的焊接应用

（1）高强度碳钢超薄板。如上文所述，高强度碳钢薄板的焊接工艺可以选择热焊接工艺也可以选择冷焊接工艺，但首选冷焊接工艺。冷焊接设备可以通过数字控制使电源产生的电弧和送丝机产生的焊丝以最优的协同效果进行融合，在获得最佳溶滴效果的前提下以最低的电弧热量进行输入，这样可以显著减小高强度碳钢薄板的热变形和热应力，相比于传统的热焊接工艺具有无法比拟的优势，例如传统的MIG焊工艺和MAG焊工艺则存在较大的热量输入，易于在焊接高强度碳钢薄板时出现热变形。

（2）碳钢薄壁件。工业的发展使得人们对碳钢的需求逐渐增加，在现代化企业的生产过程中，碳钢已经应用到每一个角落，碳钢容器的制造和生产、机械加工领域以及食品机械加工领域的碳钢材料以及钢管的制造行业都需要大量的碳钢的薄壁件，直接生产出复杂结构的碳钢薄壁件一方面受制于技术的局限性，另一方面也受到成本的制约，因此焊接工艺的选取决定了碳钢薄壁件的最终成形。碳钢薄壁件在焊接时就遇到了控制热变形、焊接工艺导致颜色改变以及焊接效率无法提高的问题，从这些问题的根源中可以看出，几种问题都和热输入量有关，降低焊接过程中的热输入量将有效地改善上述问题。实验表明，冷焊接过程可以显著改善碳钢薄壁件的焊接热变形量，保持焊接前后的颜色，提高焊接效率。

（3）带镀层的碳钢薄板。碳钢的生锈现象会引起碳钢表面被腐蚀，进而严重影响碳钢薄板的外观，甚至影响碳钢薄板的力学性能，因此在对碳钢进行保护时往往渗入一层铝或者渗入一层锌来防锈蚀，还有些碳钢薄板采用磁控溅射或者电弧镀的方式向碳钢薄板上镀一层薄膜，那么当这些带有镀层的碳钢薄板需要进行焊接时则需要谨慎的选择焊接工艺。在焊接带镀层的碳钢薄板时最关键的环节就是保护碳钢薄板的镀层，常用的热焊接工艺极易破坏镀层，因热焊接工艺的焊接过程热输入量大会提高碳钢薄板的表层温度，当温度升高到一定值时碳钢薄板表面的锌就会开始蒸发，这种锌的焊接氧化和蒸发现象会导致碳钢薄板焊接过程中产生气孔，导致熔合度变差并且有可能产生裂纹。减少热输入量的焊接技术可以满足带镀层的碳钢薄板焊接工艺要求，在保持较高的焊接质量的同时可以尽量降低碳钢薄板镀层的破坏。

2.2 异种金属焊接

异种金属焊接在汽车制造、集装箱制造领域的应用场景逐渐变得丰富，碳钢和铝合金的焊接就是异种金属的焊接。其难点在于碳钢和铝合金熔点不同，密度有显著差异，在焊接时热膨胀系数不同，晶体学特征不同，力学性能也有较大差异。在这些区别的存在下，碳钢和铝合金在进行热焊接后很容易产生开裂，开裂的原因是由热膨胀系数不同导致的，因热膨胀系数不同，在加热焊接时碳钢和铝合金融合在一起，焊接结束后，碳钢和铝合金会逐渐降温，不同的热膨胀系数会导致碳钢和铝合金的体积收缩率不同，就会导致焊接接头的开裂。而导致焊接失败的另一个原因是碳钢和铝合金的晶体学特征不同，晶面间距、生长取向和晶粒大小都不同，这就导致焊接结合后碳钢和铝合金的焊接接头不能有很高的结合强度，导致焊接接头力学性能出现显著下降。而冷焊接工艺可以在获得最佳溶滴效果的前提下以最低的电弧热量进行输入，这样可以显著减小热量的输入，相比于传统的MIG焊工艺和MAG焊工艺等热焊接工艺具有无法比拟的优势。