靜音鋼板焊接技術研究

黃西利，楊 華，韋 響

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545000）

隨著汽車技術的不斷發展和國內汽車市場的不斷升級，國內各汽車公司為了增強產品競爭力，都在花費大量時間、精力和成本研究新工藝、新技術和新方法不斷提升整車NVH性能，提高車內舒適度等。其中白車身采用靜音鋼板這種新材料就是提升性能最為顯著的方法之一，目前已被越來越多地應用于汽車有阻尼減振或隔音要求的部件，如：汽車儀表板前圍板、地板、車身雨水板、發動機閥蓋和油底殼以及隔熱部件等。憑著減振、隔音效果好、成本低的特定，靜音鋼板在汽車減震、降噪、減重及成本等方面具有不可比擬的優勢，已被國內越來越多汽車廠家研究、試驗和推廣。

靜音鋼板是一種特殊定制的類三明治復合高分子阻尼減振隔音的金屬材料，通過特制的粘彈性低膨脹的高分子阻尼材料作為中間減振層把上下兩層冷軋鋼材、鋁材等金屬材料粘接在一起，具有足夠的粘結強度和塑性，金屬性及低膨脹性。但由于此高分子材料的不導電性，給制造過程特別是焊接工藝造成很大困難。雖然隨著新材料技術的發展，通過在阻尼材料中添加特定的導電材質已能使靜音板具備一定地低導電性，但其焊接性依然較常規金屬板材有非常大的差異。本文即針對靜音鋼鋼板對于常用白車身焊接過程中出現的問題進行研究及驗證，探討相關的工藝設計方案。

1 靜音板焊接工藝分析

1.1 靜音鋼板與普通板的電阻點焊差異

普通鋼板的點焊是將搭接好的兩層或三層鋼板置于焊鉗的電極頭之間，在一定的電極壓力下，利用工件間的電阻在焊接電流的作用下產生電阻熱加熱并局部融化母材達到金屬間的焊接。而靜音鋼板因其鋼板剛度降低、導電性下降、中間夾有高分子阻尼材料層，其點焊過程既不同于普通鋼板的電阻點焊，也不同于在焊接件預涂膠層的膠接點焊。如果要把靜音鋼板和普通鋼板焊接在一起，等于將三層鋼板和一層樹脂膠結合在一起（圖1），樹脂膠是已經固化了的帶有彈性的低導電絕緣層。

圖1 靜音板電阻點焊示意圖

1.2 靜音鋼板與普通板的螺柱弧焊差異

普通兩層或者三層鋼板上的螺柱焊或者螺母焊的母材都是單側單層板材（圖2），類似于堆焊的方式，一般母材最低板厚為0.7 mm，常用板材厚度為1.0mm，因此板材的抗變形能力和可焊性均比較好。然而靜音板一般為0.5+0.5 mm或者0.7+0.3 mm的復合板，假如螺柱焊接在靜音板上，則相當于焊接于0.5 mm或0.7 mm（0.3 mm鈑金需要開避讓孔）母材上（圖3）。普通點焊和螺柱焊最低板厚要求為0.6 mm，因此相當于超薄板材的螺柱焊，板材強度急劇降低，極易焊穿。另外，由于高分子阻尼材料受熱產生氣體等其他雜質，也會影響焊縫質量，均會導致螺柱焊的焊縫成型差、強度低、焊后板材易拉扯變形、靜音板材間分層等缺陷，常規金屬板材的螺柱焊接工藝無法適應于靜音板。

圖2 普通鋼板的螺柱焊

圖3 靜音鋼板的螺柱焊

1.3 靜音鋼板與普通板的氣體保護焊差異

靜音板的氣體保護焊特點主要表現為：焊接飛濺大、容易起火苗、焊縫成型差及氣孔缺陷多等焊接缺陷，焊接接頭強度趨弱。其主要是由于高分子阻尼材料的存在，焊接時類似點焊，使得原本兩層焊的焊接匹配變成三層焊+高分組阻尼層的焊接匹配，并且焊接時高分子阻尼材料受熱分解產生雜質、氣體，致使焊接過程飛濺大，焊縫組織氣孔多、咬邊、成形差等焊接缺陷，因此靜音板的氣體保護焊焊接質量及強度低于普通鋼板之間的焊接（圖4）。

圖4 靜音板CO2氣體保護焊示意圖

2 靜音鋼板焊接試驗

公司為了提升XXX車型的NVH性能，對前圍板材料進行研究，采用靜音鋼板替代原前圍板鋼材（圖5），前圍板在生產制造過程中涉及到主要工藝：前圍板與其他零件搭接的兩層、三層電阻點焊、螺柱焊接、CO2氣體保護焊等連接工藝。為了保證焊接制造的可靠性及穩定性，需要對靜音鋼板上相關焊接工藝進行相關研究測試。

圖5 XXX車型前圍板結構

靜音鋼板材料選型規格：本次試驗主要采用1.0 mm鋼板（0.5 mm+阻尼+0.5 mm、0.3 mm+阻尼+0.7 mm）規格的靜音鋼板進行試驗（圖6）。

圖60 .5mm+阻尼+0.5mm靜音鋼板結構示意

2.1 靜音鋼板電阻點焊試驗

根據工藝分析及統計：在實際造車過程中，前圍板替換為靜音鋼板，主要與如下幾種規格冷軋鋼板焊接（表 1）.

表1 板材焊接組合

參數設計：以現有參數規范焊（現場采用硬規范），根據現有試驗結果，建議初版焊接參數維持不變。根據現場破壞性試驗再做微調（如脫焊虛焊，建議焊接電流+500A）。其中，對于四層板1.0+1.6+2.0+1.2、0.7+1.0+1.0+1.5及主導板厚 2.0 mm的特殊板材搭接未做驗證。根據板材焊接組合選擇合適的焊接參數，現有冷軋焊接參數如下（表2、表3）.

表2 機器人焊接參數

表3 手工焊機焊接參數

焊接后做破壞性試驗，試驗結果評價如下（表4、表5）

表4 焊點合格狀態

表5 兩種靜音鋼板的電阻點焊表現評價

2.2 靜音鋼板螺柱弧焊試驗

（1）材料：①（0.5 mm+0.5 mm）靜音板；②（0.3 mm+0.7 mm）靜音板。

（2）設備：電阻焊機（使用XXX前圍板焊接線焊機，參數不變）

（3）輔料：焊接螺柱 M5*14.2、BLC 板材（t=0.7|t=1.2|t=1.5），數量若干。

（4）焊接螺柱性能測試（表6）。

鍍鋅靜音板的螺柱焊較普通光板焊接質量差異較大，鍍鋅靜音板的螺柱焊焊縫成形較普通光板差，焊接強度不足，易松動，且飛濺較大，易分層剝落（圖7），不能達到設計要求的強度要求。而普通光板螺柱焊成形良好，焊縫美觀平整，焊接強度較好，能達到目標強度（圖8）。

圖7 鍍鋅靜音板的螺柱焊

表6 靜音鋼板螺柱弧焊試驗結果

圖8 普通光板的螺柱焊

（5）特殊形式的螺柱焊試驗

為解決靜音鋼板的螺柱焊不滿足設計要求問題，在試驗階段我們采用了兩種較XX車型實際用的螺柱焊工藝有差異的特殊焊接方式，從而使螺柱焊接的彎矩、扭矩達到設計要求。

A）原螺柱工藝：產品焊接上增加普通鋼板的小凸臺設計，此時螺柱焊的母材為普通鋼板。因為靜音板的電阻點焊一般德滿足設計要求，因此通過凸臺轉換，將螺柱焊間接變成電阻點焊，從而避免了靜音鋼板的螺柱焊缺陷，如圖9所示。

圖9 螺柱焊的小凸臺設計

B）采用新型螺柱：試驗中采用較原螺柱更大端面的新螺柱，通過增加焊接截面積間接增大螺柱的抗彎抗扭能力，從而滿足設計要求，但易剝落分層缺陷無法避免，如圖10所示。

圖10 大端面螺柱焊接示意

2.3 鍍鋅靜音板與普通光板的CO2氣體保護焊

鍍鋅靜音板的的CO2氣體保護焊飛濺嚴重，顆粒易附著污染鋼板表面，焊縫成形不良，有氣孔、咬邊等缺陷（圖11、圖13）。普通光板的CO2氣體保護焊焊縫成形美觀、飛濺相對較少，無較明顯或較嚴重的焊接缺陷（圖12、圖14）。鍍鋅靜音板與光板在CO2氣體保護焊焊接工藝差異較大，靜音板可焊性更差。

圖11 鍍鋅靜音板與光板CO2氣體保護焊正面

圖12 光板與光板CO2氣體保護焊正面

圖13 鍍鋅靜音板與光板CO2氣體保護焊反面

圖14 光板與光板CO2氣體保護焊反面

經過對比：靜音板焊接焊縫比普通板焊縫高，靜音板焊接時容易起火苗，比較容易產生氣泡，由于靜音材質，導熱性降低，融化材料基本堆積在上面，所有焊縫比普通板高。靜音板材料焊接，下面的鈑金熔合部分少，沒有普通板良好。

小結：

（1）靜音板焊接焊縫比普通板焊縫高，靜音板焊接時容易起火苗，比較容易產生氣泡，由于靜音材質，導熱性降低，融化材料基本堆積在上面，所有焊縫比普通板高。

（2）靜音板CO2焊接，熔合沒有普通板好，焊縫外觀質量比普通板差點。

（3）產品盡量避免在靜音鋼板上進行C02燒焊。

2.4 其他問題

（1）板材阻尼高分子分層后的高分子阻尼材料厚度分布一致性較差，撕開板材肉眼可見（圖15）。

（2）鍍鋅隔音板粘接不牢固，受扭曲、折彎、切割等存在剪切力時板材內部有開裂，造成復合板分層現象（圖 16）。

（3）對于鍍鋅隔音板兩面分別為0.3 mm及0.7 mm鍍層的復合板，因為0.3 mm一側板材非常薄，不應作為螺柱焊母材，不應布置于點焊板材外側，不應直接接觸電極頭。因此實際使用中應注明那層朝外，防止不0.3 mm的復合板層作為焊接的表面母材（接觸電極帽側或螺柱搭接側）。

圖15 靜音鋼板撕開后的內部分子涂覆情況

圖16 靜音鋼板受力變形后的分層現象

3 結論

（1）靜音復合鋼板較同板厚鋼板強度低，易變形，受熱或變形較大有分層現象。因此設計上盡量使靜音復合鋼板布置于三層板焊接的中間板材。對于受力較大易變形的區域，設計上盡量避免采用靜音復合鋼板。

（2）對于低導電性的靜音阻尼復合板的電阻點焊：一般采用普通板材的硬規范焊接參數即可，少數板材厚度較大或搭接易變形處建議適當增大電流。

（3）對于低導電性的靜音阻尼復合板的螺柱焊接：一般采用原裸板、原螺柱的連接工藝后，無法通過調整焊接參數等常規措施使得焊接強度滿足設計要求。設計上應盡量避免螺柱直接焊接與靜音板上，對于設計上無法避免的特殊情況，可以采用增加凸臺或者采用大端面新型螺柱增加連接強度的方法。

（4）對于低導電性的靜音阻尼復合板的氣體保護焊，因靜音板的氣體保護焊焊縫雜質多，氣孔、咬邊等焊接缺陷較常規裸板嚴重，因此產品設計上盡量避免氣體保護焊對接工藝；對于焊縫強度要求略低的搭接焊縫可以在實驗碰撞驗證合格的基礎上允許設計。