汽車車身CMT焊接工藝研究

汪飛，葉少劍，田永強，彭彬彬，李慶利

（廣汽乘用車（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

MAG/MIG（熔化極氣體保護焊）是目前應用最廣泛，經濟、生產效率較高的氣體保護焊，但也存在焊接飛濺大、易變形、焊縫易成形不良等缺點。CMT（冷金屬過渡技術）焊接是奧地利Fronius公司在異種材料焊接和無飛濺起弧基礎上發展而來，相比于傳統的MAG/MIG，CMT具有焊接飛濺小、變形小、電弧穩定、焊縫均勻一致等優點。特別是對汽車車身常用的1mm以下鋼板的連接，CMT技術比MAG/MIG具有更好的焊接成形效果[1]。

1 CMT焊接原理及特點

CMT焊接是在短路過渡基礎上發展而來，同MAG/MIG技術相比（圖1），金屬溶滴過渡熱輸入量更低，至少降低50%左右。圖2為CMT焊接系統。在溶滴過渡時，短路發生，電流與電壓幾乎降為零，焊絲立即停止前進并自動回抽，電弧熄滅，熱輸入量迅速降至最低，整個焊接過程始終在冷熱交替中往復進行，如圖3所示。區別于普通的氣體保護焊，CMT焊接送絲系統是閉環控制的，首次將送絲運動與熔滴過渡相結合，焊絲回抽頻率可達90Hz。當數字化的控制監測到一個短路信號,就會反饋給送絲機,送絲機作出回應,迅速回抽焊絲，從而使得焊絲與熔滴分離。正是因為CMT如此特別的設計，整個焊接過程中熱輸入時間非常短，給了溶池一定的冷卻時間，使得CMT焊接具有良好的搭橋能力，不僅適用于薄板的焊接，而且裝配間隙要求更低，節約企業的生產成本[2]。

圖1 MIG與CMT成形效果對比

圖2 CMT焊接系統

圖3 CMT焊接過程

表1 MIG與CMT工藝參數

廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間大量使用了Fronius公司生產的CMT焊接設備，應用于車身中輪罩、前地板、中通道、B柱等部位焊接。CMT不僅使焊接后不易變形，而且改善了車間的工作環境，這是由于CMT工藝的熱輸入量極低，有研究表明，CMT釬焊產生的銅煙等污染物比MIG釬焊要低90%左右，對于鍍鋅鋼板，鋅的燒損也要低63%。

2 CMT焊接工藝改善與實驗

普通MIG/MAG在焊接過程中，焊絲干伸長改變時，焊接電流會增加或減少。而CMT焊焊絲干伸長改變時，僅僅改變送絲速度，不會導致焊接電流的變化，從而實現一致的熔深，加上弧長高度的穩定性，就能達到非常均勻一致的焊縫外觀成形[3]。影響焊縫品質的影響因素有：焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、干伸長度、焊絲種類、板材搭接間隙、車身精度等。

2.1 焊接電流

電流是影響焊縫質量最主要的因素，當電流較小時，熱量不足，會導致板材未熔合，焊縫強度低；當電流較大時，焊縫的熔深會明顯增加，越容易產生焊穿、氣孔、咬邊等缺陷（圖4）。

圖4 板材焊穿

2.2 焊接電壓

電壓是影響焊縫熔深的主要因素，當電壓偏低時，熔寬變窄、飛濺增大；當電壓偏高時，弧長變長、熔寬變寬、飛濺顆粒增大，易產生氣孔、咬邊等缺陷（圖5）。

圖5 咬邊缺陷

必須要注意的是，為了保證電弧過程的穩定性，這兩個參數都有一定的范圍，并且是相互制約的。電流要有足夠的弧長，即要有一定的電弧電壓，才有穩定的電弧和穩定的熔滴過渡過程。CMT焊接系統采用的是一元化調節方式，即通過送絲速度來設置焊接電流和電壓，電弧電壓可以通過弧長修正系數來調節。經過大量的試驗優化后，廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間弧長修正系數設定為0~10%。

2.3 焊接速度

在焊接電壓和焊接電流一定的情況下，焊接速度的選擇決定了單位長度焊縫所吸收的熱能量，即焊接線能量Q：

I：焊接電流（A）、U：電弧電壓（V）、t：焊接速度（mm/s）

當焊接速度較小時，單位長度焊縫所吸收的熱量過大，易產生焊穿不良；焊接速度較大時，熱量偏小，會導致焊縫未填滿現象（圖6）。焊接速度還是決定生產節拍最主要的因素，經過多次焊接試驗，平衡焊縫質量與生產節拍兩方面考量，廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間將焊接速度優化為6~10mm/s。

圖6 焊縫未填滿

2.4 干伸長度

焊絲的干伸長度為焊絲從導電咀到工件的距離（圖7），干伸長度過短時，飛濺較大、焊絲易與導電咀粘結，噴嘴易被堵塞，導致生產頻繁停線；過長時，電弧不穩、熔深變淺，易產生氣泡等不良。當電流I<300A時，L=（10~15）倍焊絲直徑，I>300A時，L=（10~15）倍焊絲直徑+5mm。廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間采用的是直徑1mm的MG-51T型號焊絲，使用電流小于300A，因此干伸長度L選用推薦值10~15mm。

圖7 干伸長度L

2.5 焊接角度及保護氣體

根據現場試驗，焊槍采用前進法焊接，即電弧推著熔池走，對板材有一定的預熱作用，氣體保護與焊縫成形效果較好，飛濺較小，焊接角度一般0~10°（圖8）。

圖8 焊接角度

保護氣體過小時，氣體保護效果不佳，易出現氣泡不良（圖9），過大時，熔池易被吹散，產生氣孔缺陷；所以，保護氣體應選擇合適的范圍，廣汽乘用車（杭州）有限公司焊裝車間優化后使用范圍15~20L/min。在焊裝車間，氣體保護不足一般是由于飛濺過多導致噴嘴堵塞，應定時清理飛濺焊渣及噴灑防飛濺液[4]。

圖9 氣泡不良

2.6 焊接軌跡

汽車車身CMT焊接方式主要分為搭接焊和塞焊，對于搭接焊焊縫，將自下而上軌跡優化為自上而下；對于塞焊焊縫，先熔化首層板優化為先熔化底層板，六邊形焊接優化為四邊形軌跡，這些都是為了減少重力對熔池的影響[5-6]。

圖10 焊接軌跡優化

3 改善效果對比

通過一系列工藝改善，焊裝車間CMT焊縫品質得到了明顯的提升，一次性合格率從70%提升至92%，大量減少了咬邊、氣泡、氣孔、焊穿等不良。

圖11 改善前后焊縫對比

4 結語

經過對CMT焊接技術的深入學習并結合實踐操作，分析了影響焊縫的主要因素，通過對焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、干伸長度、焊接角度和焊接軌跡的優化，不僅大幅提升了焊縫一次性合格率、減少返修成本，而且使焊縫更加美觀，增加了車身的強度和抗疲勞性能。