對工程機械覆蓋件焊接外觀面焊印消除的研究

楊東山，黃小婉

（廣西威翔機械有限公司，廣西 柳州 545000）

目前，工程機械行業，客戶對覆蓋件的外觀要求越來越高，目前的結構，焊接變形產生的焊印無法有效的解決。工程機械覆蓋件外觀面上的焊印消除是本文研究的重點。工程機械覆蓋件上，常見的材質是Q235 鋼，Q235 鋼是一種常見的普通碳素結構鋼，因其具有較好的強度、韌塑性和焊接性，被廣泛用于工程機械、石油、化工、電力、造船、軌道交通、汽車和軍工等國民經濟重要行業。其中工程機械行業中Q235 鋼是常用材料之一，主要用于工程機械的覆蓋件中，如裝載機駕駛室、機罩等覆蓋件就大量使用Q235 鋼。各種不同板厚規格的Q235 鋼在工程機械覆蓋件中均有應用，其中常見的材料厚度為1.5～3mm。

焊接是生產制造工程機械結構件的最重要連接方式之一，目前使用的焊接方法主要為電弧焊，包括熔化極惰性氣體保護焊（MAG）和CO2氣體保護焊。但是對于Q235 鋼薄板，由于對熱輸入比較敏感，傳統弧焊容易產生焊接變形和焊接缺陷等問題，影響了焊接接頭質量。而激光焊因具有高能量密度、熱輸入小、低變形、熱影響區小、高焊接效率等優點，特別適合各類金屬材料薄板的精密和自動化焊接。

為了減少焊接帶來的焊接變形產生的焊印影響，工程機械覆蓋件開始運用鈑金粘接膠。以粘接膠代替CO2氣體保護焊或者部分代替CO2氣體保護焊，使鈑金粘接膠在工程機械行業覆蓋件產品上有了廣泛運用，因此，本文針對工程機械覆蓋件運用激光焊接和CO2氣體保護焊，鈑金粘接膠的綜合運用，進行對比分析，有助于擴大激光焊，鈑金焊接膠的應用范圍，提高工程機械焊接質量，為激光焊，鈑金粘接膠在工程機械覆蓋件生產制造中的推廣應用，有效的消除外觀焊印問題。

1 激光焊接與CO2 氣體保護焊的研究分析

試驗所用材料為工程機械覆蓋件實際生產用到鋼材，Q235 鋼材，相同的試片運用激光焊接和CO2氣體保護焊2 種焊接形式。

圖1 分為Q235 鋼薄板激光焊和CO2氣體保護焊接頭焊縫表面成形情況。從圖1（a）可以看出激光焊焊縫成形及熔合良好，過渡光滑平整，無明顯的魚鱗紋，正面焊縫寬度為3mm，背面寬度僅為2mm，未發明顯的焊接缺陷，焊接變形小。從圖1（b）可以看出CO2氣體保護焊正面焊縫成形及熔合良好，有明顯的魚鱗紋，焊縫與母材過渡良好，未發現明顯焊接缺陷，焊縫寬度為6mm；背面焊縫成形沒有正面美觀，焊縫整體連續但不均勻，焊縫寬度為3mm，未發現明顯的焊縫缺陷，但焊縫的鈑金位置焊接變形比較明顯。

圖1 Q235 鋼薄板件2 種接頭焊縫形貌

圖2 為Q235 鋼薄板激光焊和CO2氣體保護焊接頭在體視顯微鏡的整體宏觀形貌。從圖2（a）可以看出激光焊接頭正反兩面均已焊透，焊縫余高不明顯。從圖2（b）可以發現CO2氣體保護焊接頭正反兩面均有明顯的余高，余高與母材過渡良好。2 種接頭焊縫均無裂紋、氣孔和夾渣等焊接缺陷，焊接接頭由焊縫區、熱影響區（又分為3 個亞區，包括粗晶區、細晶區和部分相變區）和母材區組成。

圖2 Q235 鋼薄板件2 種接頭體視宏觀形貌圖示

從圖2 的實物圖片可以看到出，激光焊接焊縫均勻，零件表面收縮小，焊印不明顯，用手觸摸沒有明顯的凹凸感，外觀質量好，客戶能夠接受；CO2氣體保護焊焊縫不均勻，背面零件表面凸出，焊印明顯，用手觸摸，凹凸感明顯。焊接后零件的外表面無法滿足客戶對外觀質量的要求。

本文以主要研究工程機械覆蓋件Q235 鋼薄板激光焊和CO2氣體保護焊2 種形式在覆蓋件外觀面上的焊印（外觀質量）研究，其他力學性能研究已在其他相關論文中詳細介紹。以上對比分析可以看到激光焊的熱輸入較小，宏觀形貌小，所以激光焊接的變形小于CO2氣體保護焊。激光焊接在解決焊接變形、焊印上可以推廣運用。

2 鈑金結構粘接膠與CO2 氣體保護焊的研究分析

膠粘劑是一種具有粘接功能的材料，廣泛應用于工業生產和日常生活中。而金屬膠則是一種特殊的膠粘劑，它具有粘接金屬材料的特殊性能。金屬膠的粘接原理主要包括物理吸附、化學反應和金屬表面活性等方面。

物理吸附是金屬膠粘原理的一種重要方式。物理吸附是指膠粘劑分子與金屬表面之間的吸引力，它是一種相對較弱的力量。在金屬膠粘過程中，膠粘劑分子與金屬表面產生相互作用，通過分子間的吸引力將兩者粘接在一起。這種吸引力是由于膠粘劑分子與金屬表面之間的靜電、范德華力等力量引起的。物理吸附的特點是粘接強度較低，但粘接面積大，粘接的過程要注意物料表面的油污等清潔度問題。

化學反應是金屬膠粘原理的另一種重要方式。化學反應是指膠粘劑分子與金屬表面之間的化學鍵結合，形成牢固的粘接。在金屬膠粘過程中，膠粘劑分子與金屬表面發生化學反應，形成新的化學鍵。這種化學鍵的形成使得金屬膠具有較高的粘接強度和耐久性。化學反應的特點是粘接強度高，但粘接面積相對較小。

金屬表面活性是金屬膠粘原理的另一個重要方面。金屬表面活性指的是金屬表面分子的能量狀態和反應性能。金屬表面活性的大小直接影響著金屬膠粘劑與金屬表面的相互作用。金屬表面活性越高，膠粘劑分子與金屬表面的相互作用越強，粘接強度越高。

工程機械覆蓋件沖壓件鈑金之間采用鈑金粘接膠，目的是為了消除焊接帶來的焊接變形影響。圖3 是工程機械覆蓋件機罩產品上運用鈑金結構粘接膠的案例。圖3（a）為工程機械裝載機覆蓋件產品，在裝載機整車上外露，對顧客的視覺沖擊力大，所以客戶對外觀質量提出了較高的要求。在生產制造過程，當前工藝為比較原始的CO2氣體保護焊，但是CO2氣體保護焊的焊接變形比較大，在外面上產生了明顯的凹凸焊印。為了減少外觀面的焊印帶來的視覺沖擊效果，圖3（b）運用鈑金結構粘接膠連接覆蓋件（機罩）外殼與內部鈑金加強筋，內部的加強筋專門設計了打膠槽，打膠槽是為了方便打膠設計的，工藝槽可以控制打膠的連續性和打膠量，確保需要結合的鈑金之間有適量的膠量。鈑金之間打膠之后，零件得到了固定，并采用激光焊接代替CO2氣體保護焊，按照設計的工藝在內部加強筋邊沿采用激光焊接，激光焊接保證了鈑金之間的連接強度（工程機械工況比較惡劣，激光焊接是為了增加強度），鈑金粘接膠的使用保證了工程機械覆蓋件的外觀質量。

圖3 鈑金結構粘接膠在工程機械覆蓋件中的運用

當前工程機械覆蓋件薄板件的連接方式，通過不斷工藝創新，進行多種工藝驗證。最后采用鈑金結構粘接膠和激光焊接混合的工藝方式。該連接形式的產品順利通過了震動試驗，滿足工程機械覆蓋件結構強度的質量要求。同時有效地解決客戶對工程機械覆蓋件外觀質量的要求，可以推廣應用。

3 結語

本文以工程機械覆蓋件零件為載體，Q235 鋼薄板件產品利用激光焊和CO2氣體保護焊接，沖壓件鈑金結構膠粘接為研究對象，對幾種連接方式在裝載機覆蓋件產品中的外觀質量的影響進行了對比分析，得到以下結論：

（1）焊接過程中的局部熱輸入不均勻是產生焊接殘余應力的關鍵性因素，冷卻后焊接接頭中殘余的塑性壓縮應變的大小決定了殘余應力值的大小。激光焊接和CO2氣保焊焊接接頭的焊接殘余應力分布趨勢相同，熱輸入越大，接頭各區溫度分布越不均勻，溫差越大，殘余拉應力峰值越大。CO2氣體保護焊時熱輸入量比激光焊大，焊縫及近縫區高溫停留時間長，焊縫金屬及熱影響區母材塑性壓縮效應高，冷卻后就產生了較大的殘余拉應力；而激光焊能量比較集中，加熱時間短，熱輸入較低，受熱區域窄，母材的塑性壓縮效應低，所以冷卻后殘余拉應力峰值就比CO2氣保焊接頭要低，所以零件表面產生的變形量小，也就是焊印小，能夠有效解決裝載機覆蓋件產品對外觀質量的要求，激光焊機可以運用在對外觀質量要求較高的產品上，如機罩、駕駛室等工程機械覆蓋件產品。

（2）工程機械覆蓋件產品的覆蓋件沖壓件與內部加強筋之間的連接方式，由于CO2氣保焊產生的熱量大，焊接凹凸，焊印明顯。改變傳統的CO2氣保焊方式，采用鈑金結構粘接膠，通過粘接膠連接，可以完全避免因為焊接帶來的零件表面質量缺陷。適用于工程機械覆蓋件的薄板件沖壓件之間的連接。

（3）工程機械工作環境比較惡劣，由傳統的全部CO2氣保焊改變為采用激光焊接與鈑金結構粘接膠相結合使用的形式，可以有效解決工程機械覆蓋件零件連接強度和表面焊印問題。