汽车底盘焊接工艺开发

李立辉

摘 要：采用低倍组织观察、测定焊道表面形状、模拟应力集中、循环盐雾腐蚀试验和弯曲疲劳试验等实验方法，分析对比了Ar-20%CO2和Ar-5%CO2两种不同混合比例的气体保护焊对汽车底盘构件焊接性能的影响。结果表明，Ar-5%CO2混合气体保护电弧焊，能够改善焊趾形状、提高底盘部件焊接接头耐蚀性和疲劳强度。

关键词：CO2;混合气体保护焊;汽车底盘;焊接性能

0 前言

汽车底盘是整个汽车的基础，要承受汽车的总重量和汽车内外的各种载荷，另一方面，汽车在行驶时暴露在容易生锈的水分环境中，因此底盘必须具有一定的疲劳强度和耐腐蚀性。在焊接时决定焊接接头疲劳强度的主要因素是焊趾的应力集中，另外，焊道和焊趾上面附着的焊接熔渣等非金属物质不易形成保护层，通常是发生腐蚀的起点。焊趾处的应力集中会导致焊接接头疲劳强度的降低，焊趾处环境的腐蚀也会致使钢板变薄，从而进一步降低焊接接头的疲劳强度。

1 实验材料和方法

本实验采用熔化极混合气体保护焊（MAG），两种焊接方法的混合气体成分分别为：Ar-20%CO2和降低CO2混合之比例的Ar-5%CO2，其他焊接条件相同。焊接材料均为汽车底盘用440MPa级Q345热轧钢板，厚度为2.0mm。

采用搭接角焊接的形式，焊后低倍组织观察主要是通过热酸浸试验，用型号为OADM的激光位移传感器测定焊道表面形状。和车体、底盘一样，将焊接头进行化成处理，电镀涂装层厚为20μm，然后在型号为Q-FOGCCT/CRH的循环盐雾腐蚀试验箱中进行干燥-盐雾-热干-湿润的腐蚀试验，用DPG-2腐蚀坑深度测量仪测量腐蚀深度。用SUP_PLXT弯曲疲劳试验机进行纯脉动疲劳试验[1]。

2 实验结果与分析

2.1 焊接接头的焊趾形状

分别使用Ar-20%CO2比例和Ar-5%CO2比例保護气体进行熔化极焊接，两种方法搭接角焊接头断面的低倍组织。通过比较发现，Ar-5%CO2混合气体保护焊接方法，会使焊趾形状变得更加匀称、整齐，焊角有所增大，过渡更加平滑。为了研究焊缝中的应力集中情况，利用激光位移传感器测量焊道表面轮廓，然后把轮廓测量结果制作成仿真模型，最后通过有限元法计算焊接接头在承受平面弯曲载荷作用下的应力分布。有限元法是将模型离散成若干个有限尺寸单元组进行分析，假设包含焊接部等在内的模型范围为均匀钢，将钢的密度设为7.85g/cm3、弹性模量设为206GPa、剪切模量设为80GPa、泊松比设为0.29、线膨胀系数设为1.3×10-5/K。通过比较发现，Ar-5%CO2混合气体保护焊的焊趾形状平滑，作用在焊趾附近的最大拉应力值降低了10.8%[2]。假设包含焊接部等在内的模型范围为均匀钢，将钢的密度设为7.85g/cm3、弹性模量设为206GPa、剪切模量设为80GPa、泊松比设为0.29、线膨胀系数设为1.3×10-5/K。通过比较发现，Ar-5%CO2混合气体保护焊的焊趾形状平滑，作用在焊趾附近的最大拉应力值降低了10.8%。

2.2 焊接处的腐蚀性

在循环盐雾腐蚀试验中两种焊接方法其焊接处外观的变化结果。实验表明：Ar-20%CO2气体保护焊在焊趾处存在熔渣形状缺陷，镀层缺陷的原因正是不规则的熔渣造成的，锈蚀也正是从此处开始。30个循环周期时，在镀层缺陷处产生了锈蚀，并在镀层下迅速发展，随着钢材和空气中的水和氧气共同作用，85个周期时，腐蚀严重。Ar-5%CO2保护气体的焊接焊道周边无明显镀层缺陷，循环腐蚀试验后仅发生极其轻微的腐蚀[3]。

通过测试确定了焊接部腐蚀试验中产生最大腐蚀深度的部位是在焊趾附近。测定了未进行电镀涂装的裸露试样、Ar-20%CO2保护气体焊接接头电镀涂装试样、Ar-5%CO2保护气体焊接接头电镀涂装试样三种最大腐蚀深度随腐蚀时间的变化情况，如图1所示。

分析可得，在30个腐蚀循环前，Ar-20%CO2气体保护焊接头的腐蚀深度无变化，几乎为零，如图中实心圆点连线。在此期间，只在镀层下产生腐蚀，但腐蚀深度尚未达到可检测的水平。因此，可以认为镀层仍能保持防锈功能，镀层发挥了很大作用。经过30个周期的腐蚀循环之后，两条曲线的斜率相同[4]。

这就表明由于镀层早期剥离和防锈功能丧失，底盘构件相当于暴露在锈蚀环境中，Ar-20%CO2气体保护焊的焊接处开始以与未涂层的裸试样同样的腐蚀速率在腐蚀。使内层金属持续受到腐蚀介质的侵蚀，腐蚀深度逐渐加深，这种腐蚀是在焊趾附近，从焊渣镀层缺陷处开始，在电镀层下产生的。

3 结语

与Ar-20%CO2混合气体保护焊相比，Ar-5%CO2混合气体保护焊可以有效改善焊趾形状、使焊趾平滑化，焊缝成形良好，应力集中减缓，焊接接头的强度得到提高。Ar-5%CO2混合气体保护焊，可以降低焊接临界电流，能稳定和控制电弧阴极斑点的位置，使电弧燃烧和熔滴过渡稳定，能减少焊接熔渣量的产生，使焊接接头具有高耐蚀性，并且可以大幅度提高在腐蚀环境下的疲劳强度。

参考文献：

[1]闫超杰.两种不同比例的气体保护焊对汽车底盘构件性能的影响[J].辽宁科技学院学报，2020，22（03）：11-13.

[2]闫超杰.等离子-电弧复合焊技术在汽车底盘焊接中的应用[J].吉林工程技术师范学院学报，2020，36（04）：84-87.

[3]高宏适.汽车底盘焊接新技术的开发[N].世界金属导报，2019-07-30（B14）.

[4]SOYER均衡磁场焊接工艺：汽车底盘控制臂的安全保障[J].焊接，

2018（12）：10.