利用合適的保護氣優化GMA釬焊

Fatih Savgu，俞行峰，王 珩

(林德研發中心，上海 201206)

0 前言

在大范圍的工業應用中，減少腐蝕損害變得愈發重要，涂層金屬板的應用得到強化。在所有涂層當中，鋅因其良好的耐腐蝕性能和加工簡單等特性，成為保護性涂層市場的佼佼者。盡管鋅對防腐保護起著十分積極的作用，但是也有一定的負面影響，尤其在熱連接過程中更突出。就此而言，鋅的劣勢是其過低的汽化溫度，僅為906℃，導致焊接過程中鋅的大量揮發。這一現象不僅影響電弧和工藝的穩定性，形成不良焊點，而且會在焊縫兩側形成無保護的漏焊區域。在薄金屬板上，尤其是汽車行業使用的薄金屬板的兩側，也易形成類似的漏焊區域。

使用銅基釬料對涂層金屬板進行電弧釬焊，可以解決或減少此類問題的產生。該釬料比鋼釬料熔點更低，僅為450℃，所以消耗的熱量更少，鋅揮發隨之降至最低，并且釬料具有防腐性能，可形成防腐焊縫。

在此主要圍繞最新發展水平(前提、質量、限制)、未來需求(HSS和AHSS的連接)以及如何通過保護氣體的選擇改進焊接工藝等方面，對電弧釬焊展開說明。

1 鍍鋅鋼的熔焊與釬焊對比

1.1 熔焊

在熔焊過程中，焊料與母材均被熔化。材料在焊接熔池內混合后，固化為焊縫。單位長度的熔焊耗能非常高，導致了鋅的大量揮發。同時鋅蒸汽會導致電弧不穩，產生細孔和飛濺。

鍍鋅鋼熔焊的劣勢:大量鋅蒸汽;焊接工人鋅熱病;在工作場所產生片狀鋅粉;細孔;飛濺;電弧不穩定;焊接熔池下陷;裂縫;熔化不完全;電弧異常;形成無保護的焊縫區域。

1.2 釬焊

熔焊與釬焊的主要區別是釬焊時只有釬料被熔化，即釬料的液相線溫度總是低于母材的固相線溫度。釬焊時，母材不熔化，但是其表面會被液態釬料所潤濕。釬焊可以在釬料的熔化溫度條件下實現連接，并且由于釬焊過程中僅有釬料被熔化，其所需能耗遠低于熔焊。

鍍鋅鋼電弧釬焊的優點:保護涂層更少揮發;更少飛濺;耗能更低;防腐釬料;焊縫易打磨;少量(無)片狀鋅粉;鋅熱病風險降至最低;連接件變形更少。

GMA熔焊厚板的焊縫截面如圖1所示，熔焊接頭上母材和焊料的熔合線明顯，而電弧釬焊接頭上，母材與釬料呈清晰分離狀。

圖1 GMA焊接厚1 mm板的焊縫照片

3 電弧釬焊的構成要素

電弧釬焊主要包括以下四要素:焊接設備;母材;釬料;保護氣體。

電弧釬焊的保護氣體為含有少量O2或CO2的混合氣體，也可使用純氬氣，汽車行業大多采用這一做法。但經證實，用SCu6560釬料對鍍鋅鋼板進行電弧釬焊時，混合氣體對工藝具有改進作用。氬氣電弧易受影響使工件發生變形，更容易導致鋅的揮發。活性成分可以穩定電弧，使之不易變形，并提高潤濕特性。

2.1 氣體改善潤濕特性

氣體改善潤濕特性如圖2所示。

圖2 氣體改善潤濕特性

2.2 活性成分或氦氣改善潤濕特性

活性成分或氦氣改善潤濕特性如圖3所示。

2.3 混合氣體M13改善電弧釬焊焊縫

混合氣體M13改善電弧釬焊焊縫如圖4所示。

圖3 活性成分改善潤濕性

2.4 GMA釬焊適用的氣體(ISO 14175:2008－06)

GMA釬焊適用氣體有:I1(氬氣);I3(氬/氦混合氣體);M12(不高于2.5%的CO2+氬氣或氬/氦混合氣);M13(1%O2+氬氣或氬/氦混合氣)。

在使用SCu6560釬料對涂層鋼板進行GMA釬焊時，活性成分對工藝具有很好的改善作用，可以提高工藝穩定性，改善焊縫外觀，減少孔隙數量。經證實，含有混合氣體的氦氣與銅鋁釬料搭配使用，優勢明顯。隨著高強度鋼板使用的不斷增加，銅鋁釬料的使用也隨之增加。

圖4 混合氣體M13改善電弧釬焊焊縫

GMA釬焊，1.0 mm厚CP－W 1000+ZE上短弧，重疊接縫，CuAl5Ni2釬料，焊縫形貌如圖5所示。

GMA釬焊，脈沖電弧，母材為CP－W 1000+ZE，釬料為CuAl5Ni2，φ1.2 mm，焊縫形貌如圖6 所示。

圖5 GMA釬焊，CuAl5Ni2釬焊縫形貌

圖6 GMA釬焊，脈脫電弧，釬料CuAl5Ni2焊縫形貌

GMA釬焊，脈沖電弧，母材為430，釬料為CuAl5Ni2，φ1.2 mm，焊縫形貌如圖7 所示。

GMA釬焊，脈沖電弧，母材為CP－W 1000+ZE，釬料為 S Cu 6560(CuSi3Mn1)，φ1.2 mm，焊縫形貌如圖8所示。

3 應用領域

汽車行業對電弧釬焊來說是非常重要的行業，釬焊還擁有十分廣泛的應用范圍領域。總體來說，在所有薄鋼板(厚度＜3.0 mm)連接之處，以及熱變形、鋅揮發或防腐等問題頻發的領域，電弧釬焊均可應用。它可用于連接涂層或無涂層軟鋼，亦可連接高合金鋼，唯一不足之處是對于奧氏體不銹鋼來說容易產生釬焊裂紋。因此，鐵素體不銹鋼應成為GMA釬焊的首選不銹鋼材。

圖7 母材430，GMA釬焊，焊縫形貌

圖8 母材CP－W 1000+ZE，釬料S Cu 6560焊縫形貌

釬焊與熔焊相比的優勢以及在某些條件下加速焊接的可能性，使這一連接工藝獲得了更為廣泛的行業關注。電弧釬焊工藝的應用范圍如表1所示。

表1 電弧釬焊工藝應用范圍

4 結論

在電弧釬焊保護氣體的選用中，推薦含有一定氧化氣體比例的混合氣。目前純氬氣體也應用廣泛，加入一些氧氣的混合氣能夠使電弧更加穩定，降低磁偏吹，減少氣孔的形成并提高焊縫的潤濕性能。含氦氣的高性能混合氣能夠降低對前道組對的工藝要求，提高生產效率。