汽車用鍍鋅板焊接缺陷控制研究進展

葉浩

(福建奔馳汽車有限公司，福建 福州 350119)

0 前言

在當前汽車行業鍍鋅板已經廣泛的代替傳統的冷軋鋼板，廣泛的應用于白車身設計中。鍍鋅板目前的連接工藝主要有電阻點焊、熔化極混合氣體保護焊(Metal active gas arc welding，MAG)、冷金屬過渡焊接(Cold metal transfer welding, CMT)、激光焊接等。由于汽車生產過程中，存在零部件、半成品精度尺寸鏈累加情況，導致焊接過程存在焊縫精度、搭接間隙不穩定等問題，同時鍍鋅板焊接還存在鋅蒸汽氣孔問題，從而造成鍍鋅板焊接過程中容易產生焊偏、焊穿、氣孔等品質缺陷。因此，如何更好的在鍍鋅板搭接焊中，對主要影響焊接品質的因素進行梳理，提供理論指導，為汽車生產過程中的品質管控提供參考，具有重大的意義。

1 鍍鋅板在汽車行業的應用

鍍鋅板是指在高強鋼板表面通過電鍍或熱鍍工藝，使其表面附著上雙面鋅金屬薄層。鍍鋅層在高強鋼板表面形成致密的保護層，形成物理防護[1]，同時當鍍鋅層被破壞，內部鋼板暴露時，外露的鋼板和鋅層會形成原電池，鍍鋅層作為犧牲陽極被氧化，而鋼板作為陰極得到保護。因此鍍鋅層可以有效地提高鋼板切口、焊縫接頭的耐腐蝕性能[2]。

由于鋅的沸點遠低于鋼板熔焊時熔池溫度，焊接過程中，鍍鋅層先受熱蒸發為鋅蒸汽，鋅蒸汽進入熔池后若不能及時從熔池中逸出，會造成焊接接頭產生氣孔缺陷[3]，所以鍍鋅鋼板焊接接頭的氣孔等缺陷控制，一直是汽車行業重點研究方向。

2 鍍鋅板焊接工藝種類及優缺點

汽車生產中，鍍鋅板目前的焊接工藝主要有電阻點焊、MAG焊接、CMT焊接、激光焊接等。

電阻點焊具有加熱集中，板材變形小，投資成本低等優點，是目前汽車車身最主要的連接方式。與普通鋼板相比，鍍鋅板的電阻點焊還存在一些問題，如熔化的鋅層會導致電流密度減少，同時也會粘附在鍍鋅板表面和焊槍電極頭上，加快電極頭損耗，影響車身焊接質量。

MAG焊接采用可熔化的焊絲作為電極，配合80%Ar+20%CO2的混合氣體進行焊接保護，熔化的焊絲以熔滴的方式過渡到熔池中，與母材熔合，最后冷凝形成焊縫金屬。MAG焊接具有適用范圍廣，熔化電極可以采用大電流工藝，焊絲熔化快母材熔深大等優點，但同時它也存在變形量大不適合薄板焊接、飛濺難控制、鋅蒸汽易造成焊縫氣孔缺陷等缺點。

CMT焊接技術是一種較新的焊接工藝，在送絲系統和熔滴過渡的數字化協調控制下，實現無電流狀態下的熔滴過渡和精準的弧長控制、低熱輸入量，極大的減少了焊接飛濺和板件的變形量，但也存在受車身板件間隙及精度的影響較大，容易出現焊偏、焊穿、焊縫氣孔等焊接缺陷[4-5]，福建奔馳焊裝車間通過加強CMT焊接相關搭接鋼板的精度品質，并通過導入CMT焊縫跟蹤系統，有效降低焊偏焊穿等品質缺陷。

激光焊接具有生產效率高、鋼板搭接邊緣寬度要求小、外觀品質高等優點，但同樣也存在鍍鋅板在焊接過程中鋅蒸汽的逃逸問題，這也是影響激光焊縫質量的重要因素[6]。

3 鍍鋅板焊接工藝主要缺陷控制研究

鍍鋅板熔化焊的主要缺陷有焊偏、焊穿、氣孔等，在CMT焊接、激光焊接工藝中，通過增加視覺檢測設備，可以很好的解決焊偏和焊穿等品質問題，圖1為焊縫視覺檢測系統示意圖，圖2為焊縫視覺檢測及位置偏差補償示意圖所示，福建奔馳焊裝車間通過導入CMT焊縫跟蹤檢測系統，在不受照明條件和電弧環境影響的前提下，焊接設備可實現對所有焊縫的實時跟蹤、尋位和測量，以及對焊槍焊接軌跡實時控制。通過焊縫跟蹤系統的導入，CMT焊縫的焊偏和焊穿等缺陷基本消除。

圖1 焊縫視覺檢測系統示意圖

圖2 焊縫視覺檢測及位置偏差補償示意圖

針對鍍鋅板焊接氣孔缺陷，汽車行業內對其也進行了深入探討和研究，目前普遍認為是鍍鋅板熔化焊中鋅蒸汽形成了氣泡，在熔池中來不及逃逸，最終在焊縫里留下了氣孔，同時鋅蒸汽在熔池上浮過程中，也會干擾電弧，造成焊接電弧不穩定，影響焊接質量。豐田汽車公司的Matsui等人[7]認為鍍鋅板搭接焊過程中，鋅在熱影響區中被高溫氣化并擠入熔池中。目前為了減少鋅蒸汽氣孔對于鍍鋅板焊接質量的影響，汽車行業常用的控制方法主要有以下途徑。

3.1 預置鍍鋅板搭接間隙，或預開鋅蒸汽排氣孔

研究表明通過在鍍鋅板間預留搭接間隙、開排氣孔等方法，制造鋅蒸汽逃逸通道，降低焊縫氣孔率，提高鍍鋅板焊接質量[8]。預開鋅蒸汽排氣孔法需要預先在待焊母材上加工出排氣小孔，使焊接過程中鋅蒸汽能夠從排氣小孔中排出，一般在搭接的下層鍍鋅板板上打出排氣小孔，再使用MAG焊、CMT焊或激光進行焊接，由于此工藝增加了前處理工序，生產效率低，不適合批量性生產[9]。

吹送保護氣體是激光焊接中最常用的工藝，其方式有同軸吹氣和側吹兩種,其控制參數有保護氣體種類、氣體流速、側吹方向、側吹角度、噴嘴尺寸等[10-13]。Yang等人[14]研究了在連續激光焊時，采用側吹保護氣體Ar氣進行焊縫保護，以避免焊縫氧化，并具有去除焊接區域等離子體、穩定焊接熔池等作用。熔池的不穩定極易導致小孔崩塌，穩定的小孔為高壓鋅蒸汽提供出口。所以，激光搭接焊中要配合適當的工藝才能穩定小孔，為排除鋅蒸汽提供通道。在激光焊中，鋅蒸汽形成及積聚到較高的壓強是在瞬間完成的，僅靠側吹保護氣體難以完全避免缺陷。與連續波激光焊接不同，脈沖焊時小孔的形成是間斷性的。CO2激光焊脈沖模式焊接鍍鋅板和Nd:YAG脈沖焊熱鍍鋅和電鍍鋅板的焊接中均可以獲得焊縫外觀質量合格的焊接接頭[15-16]。但對焊縫內部進行分析發現有氣孔形成，所以單獨的脈沖激光焊很難獲得無缺陷的焊接接頭。

相比之下，預留間隙方法在生產中較為可能實現。上海交大的張帆等人[17]認為激光搭接焊時，鍍鋅板間隙在 0.1～0.2 mm 時可以得到比較好的焊縫，隨著激光功率增大，間隙容差值可再提高，鍍鋅板搭接間隙越小，氣孔傾向越大，有的氣孔壁可以觀察到鋅顆粒附著，搭接板密貼狀態下，氣孔生產率最高。圖3～圖5為鍍鋅板激光焊接示意圖，福建奔馳焊裝車間鍍鋅板激光焊工藝中，通過對下層鍍鋅鈑件使用激光連續脈沖，熔化金屬瞬間向上拉起焊接熔池，在下層鈑金表面制造出凸點，在鈑金搭接時，把上層板件支撐起來。研究發現當凸點高度即鋼板間隙在0.15 mm 時，焊接質量明顯提升，飛濺與氣孔消失，當焊縫間隙超過0.15 mm時填料將會流入板間間隙，導致焊接強度降低[18]。

圖3 連續脈沖產生的凸點

圖4 連續脈沖鈑金的焊接結果

圖5 凸點使鈑件間預留0.15 mm的間隙

3.2 優化焊接工藝參數

李超豪[19]研究了鍍鋅板CMT熔化焊工藝參數中，焊接速度對焊縫氣孔尺寸及數量的影響，焊接速度快時，熔池的凝固時間短，氣孔來不及互相吞并和長大，容易出現連續的細小氣孔。當焊接速度慢時，熔池凝固時間延長，氣孔上浮時間長，從而有更長時間互相吞并和逸出，從而形成數量減少但尺寸較大的氣孔。

張屹等人[20-21]對鍍鋅板的激光焊接中鍍鋅層燒損進行研究，試驗研究表明，影響鋅燒損的因素依次為焊接速度、激光功率、輔助氣體流量、離焦量。焊接速度越小，激光功率越大，鋅燒損越嚴重，焊縫的耐蝕性能也越差。在激光焊接中，為降低鋅蒸汽和鋅等離子體對激光束的阻隔效應，可以在搭接界面處添加金屬粉末(如鎳合金粉、銅粉等)，減少鋅蒸汽和鋅等離子體的產生，同時也降低等離子體溫度及其振幅。因此，在鍍鋅板搭接弧焊時，設計合理的工藝參數，對減少鋅燒損量具有重要意義。

MAG焊、CMT焊在焊接時，焊槍采用推焊(前進方向與傾角相反)，由于焊槍對前方待焊金屬的起預熱效果，鋅層會提前蒸發從而減少氣孔的數量，同時推焊可以提高焊縫熔深，延長熔池凝固時間，利于氣孔從熔池逸出。

CMT焊相較于MAG焊接具有熱輸入小，焊接穩定的特點，但同時存在焊縫冷卻速度快，焊縫氣孔率高等問題點。李超豪等人[22]發現鍍鋅板CMT焊保護氣體的成分對焊縫氣孔數量有明顯影響，在保護氣體為20%CO2+80%Ar中增加CO2的比例可以使部分Zn氧化為ZnO等氧化物浮渣，減少鋅蒸汽氣孔數量。但保護氣體中過大的CO2比例會使焊接過程產生CO氣孔，因此40%～60%的CO2比例的保護氣體比較合適。

3.3 去除或減少焊縫鍍鋅層

在激光焊接中，采用雙光束焊接，一束主光實現主焊接功能，另一束激光作為輔助加工。輔助光束不僅可以用來預先汽化鋅層，減少后期熔池中鋅蒸汽的數量，同時還可以延遲焊接熔池的凝固，使氣孔有更多時間從熔池中排出[23-25]。

封小松等人[26]研究了并行雙光束負離焦釬焊鍍鋅板, 釬料對縫隙下部的潤濕鋪展效果更好, 與母材相互作用更充分,結合更為緊密。2 mm 焦點間距的串行雙光束釬焊中, 前束激光具有較大的激光功率時, 更容易獲得釬料在母材表面的良好的潤濕鋪展, 并可減少母材鍍鋅層燒損。增加串行排布的激光焦點間距, 更能促進釬料在母材表面的鋪展, 并增強釬焊過程的適應性, 釬縫的成形性能更優良。

美國焊接協會[27]推薦的工藝是機械打磨焊接處的鍍鋅層，此方法可以有效遞減焊縫處鋅蒸汽造成的氣孔，但不適用于批量化汽車生產工序，同時鍍鋅層的打磨也降低了高強鋼板的抗腐蝕性能。

3.4 調整填充焊絲的化學成分

Dong等人[28]研究了分別含有硅、銅和鋅合金元素的焊絲對鍍鋅板焊接接頭組織及性能的影響，結果表明，含有Si元素焊絲的焊接接頭強度明顯高于填充含有Cu和Zn元素焊絲的焊接接頭。這是因為Si元素具有很好的流動性，使得金屬間化合物厚度減小，晶粒得到細化，從而提高了焊接接頭的力學性能，且Si含量越高，晶體細化越明顯，焊接接頭的力學性能越好。

神戶制鋼Yamazaki等人[29]研究表明低Si低Mn的焊絲有助于氣孔的減少，焊絲中Si含量的降低可以增加熔池表面張力，Mn含量的降低可以降低電阻率，從而增加電弧力，兩者共同作用，可以防止熔池過快得蓋住電弧下方區域，使氣泡直接逃逸；上海交大黃煜乾[30]對比不同焊絲對CMT焊縫氣孔的逃逸影響，研究表明熔池的粘度隨Si含量的增加而增大，從而對氣泡的逸出起阻礙作用。

徐國建等人[31]對不銹鋼窄間隙激光填絲焊的性能進行了研究，結果表明，填充焊絲中的Cr，Ni和Si含量比母材金屬的高，固溶強化效果比母材的好。同時激光填絲焊的快速加熱和快速冷卻作用，其焊縫組織比母材組織更細小，晶界強化效果增大，硬度值高于母材的。

通過調整和匹配不同元素的填充焊絲，可以改善焊絲與母材的融合特性，補償母材元素燒損問題，從而避免焊接過程中出現熱裂紋、氣孔等焊接缺陷，從而獲得良好的力學性能和焊縫成形性能[32-33]。

4 結論

通過一系列的研究表明，針對高強鍍鋅板焊接過程中，受焊縫精度、搭接間隙不穩定造成的焊偏、焊穿等品質缺陷，可以通過導入視覺檢測系統解決。同時可以通過預置搭接間隙、優化焊接工藝、去除或減少焊縫鍍鋅層及選擇低Si低Mn元素的焊絲，利于鋅蒸汽的數量減少和逃逸速率的增大，從而優化焊接鋅蒸汽氣孔問題，提高焊縫品質。