MIG电弧钎焊的原理及应用.doc

MIG电弧钎焊的原理及应用0 前言随着近年来带镀层的板材（如镀锌板，渗铝板）在工业中的应用的增多，带镀层的板材和铝、镁一同做为最具有前景的材料而越来越被人们所重视，可是带镀层的板材如何有效的焊接却是一个亟待解决的问题。镀锌板锌的熔点约420，挥发温度为908，普通熔焊的高温电弧（约3000-4000）必然促使大量的锌的蒸发，从而导致各种焊接缺陷；而渗铝板的焊接由于镀层中的铝容易熔入到焊缝，焊缝容易出现气孔和焊缝表面粗糙不平等焊接缺陷。在现有的焊接工艺中，镀锌板和渗铝板的焊缝往往是打磨掉镀层后再进行焊接的，焊接完成后再重新进行防腐处理。这样不但增加工作量，还破坏了镀层原有的功能，使焊缝位置容易最先开始生锈。为了解决这些问题，MIG电弧钎焊作为一种利用电弧加热焊件和填充钎料的钎焊方法，兼有钎焊和电弧焊的特点，在带镀层板材及其他领域开始受到越来越多的重视和研究。1 MIG电弧钎焊的原理和特点熔化极脉冲氩弧钎焊（MIG-Brazing），即在氩气保护下，采用熔化极脉冲氩弧焊电源系统和特制的钎焊焊丝，在焊丝与工件间形成电弧，焊丝连续送进并熔化，形成填充金属，将母材连接起来的新型焊接工艺。在整个焊接过程中，若电流较小，母材基本不熔化，其焊接性质属于硬钎焊；若电流较大，母材有少量熔化，其焊接性质属于熔钎焊。与普通脉冲MIG 焊方法相比，MIG电弧钎焊有以下特点1：(1)填充金属是钎焊焊丝，电弧温度低，对母材的热输入小，小电流下母材基本不熔化，钎料本身具有较好的流动性，自动填充母材的对接间隙；(2)对簿板及薄壁容器进行钎焊时变形量很小，操作简便，焊接热影响区小，不易产生烧穿等焊接缺陷，且能较容易地实现单面焊双面成形；(3)电弧特有的去除氧化膜作用，带电粒子的冲击活化作用，克服钎剂对母材的腐蚀副作用，焊后不用清洗；(4)可以实现异种金属之间的连接，如铜与钢、铜与不锈钢、普通钢与特种钢等等。2 MIG电弧钎焊的应用2.1 镀锌板MIG电弧钎焊（1）镀锌板及其焊接性能的介绍镀锌钢板大致可分为电镀锌钢板和热浸镀锌钢板。大量的镀锌钢板应用于汽车制造、冷藏设备、建筑业、通风和供热设施以及家具制造等领域。镀锌成为钢板的重要防腐方法，它不仅仅是因为锌在钢板的表面形成致密的保护层，还因为锌具有阴极保护效果。当镀锌层破损时，它仍然能通过阴极保护来防止铁质母材腐蚀。这种保护效果可以延伸到1-2mm无保护层的区域，因此镀锌可以有效的保护到板材的切口和冷加工造成的微裂纹，以及近焊缝的锌烧损区，防止从这里开始生锈2。因为锌的熔点约为420，挥发温度为908，这不利于焊接。当电弧一引燃，锌就开始挥发了。锌的挥发和氧化会导致气孔、未熔合及裂纹，甚至影响电弧的稳定性。因此用普通的电弧焊焊接镀锌板时会产生大量的白色ZnO烟尘。这种ZnO烟尘焊工吸入过多，将患金属烟热病而引起的体温急性升高，影响身体健康。（2）镀锌板MIG电弧钎焊工艺德国CLOOS公司根据多年的市场经验，总结出焊接镀锌板的最好的办法就是减少热输入，减少锌层的挥发和破坏，这样才能形成比较理想的焊缝。最常用的这类焊丝是硅青铜焊丝（CuSi3）。由于CuSi3焊丝中铜的含量高，熔点相对比较低（大约910-1025由合金成分决定），焊接出来的焊缝光滑美观，对锌层的烧损较少。这时母材还没有熔化，焊接出来的接头实际就是钎焊接头，焊接完成后不需要重新做防腐。（3）CuSi焊丝焊缝熔敷金属化学成分及熔敷金属物理性能焊缝熔敷金属化学成分见表1焊丝牌号化学成分区域标准（）铜铝硅锌锰磷铅锡铁其他HSCuSi余量0.012.8-4.01.51.5-0.201.10.50.5SG-CuSi3余量0.012.8-4.00.20.5-1.50.020.020.20.30.4ERCuSi-A余量0.012.8-4.01.01.5-0.021.00.50.5熔敷金属物理性能导电率 3.5-4.0 S.m/mm2固相线 910 抗拉强度 330-370N/ mm2硬度 80-90 HB密度 8.5kg/dm3液相线 1025延伸率 402.2 渗铝板MIG电弧钎焊（1）渗铝板及其焊接性能介绍渗铝板可分为两类，第一类是以耐热性为主的可以耐640左右的高温，它是在低碳钢板的两侧各镀上20-25m厚的AlSi合金（Si含量为6-8.5）镀层；第二类以耐腐蚀性为主，其镀层是第一类的2-3倍。渗铝板一般以热浸或固体粉末等方法渗铝。第一类耐高温的形成AlFeSi合金层，第二类耐腐蚀形成AlFe合金层。由于耐腐蚀的渗铝板镀层厚熔点低，其焊接性相对较差。由于渗铝板具有较好抗高温、抗氧化和耐腐蚀性，价格便宜，已在我国石油、化工、电力、汽车及轻工部门得到广泛的应用。在渗铝板的熔化焊中，现有的几种方法都不太理想3。手工电弧焊如采用酸性焊条或钎维素型焊条时，焊缝容易产生气孔，凹凸等缺陷；而采用碱性低氢型焊条，可以降低焊缝气孔的倾向。但是焊接前如不将焊缝周围的渗铝层去掉，则焊缝中的Si、Mn含量因铝加强脱氧而增高，从而使焊缝金属力学性能变坏，而且由于焊缝中缺少保证金属耐热、耐腐蚀的合金元素，往往在焊接完成后也要重新做防腐处理；而采用普通的熔化极气体保护焊焊接渗铝板时，焊缝成分和致密性都能要求，但是焊缝表面粗糙不平；采用钨极氩弧焊时，虽然说熔化的涂层不至于被氧化，但是为了减少焊缝金属的铝含量，大多是焊接前将焊缝周围的铝涂层去掉。（2）渗铝板的MIG电弧钎焊工艺通过MIG电弧钎焊的工艺来焊接渗铝板，在焊接前无需做任何的预处理，焊接完成后也不用重新再做防腐处理。焊缝成型美观平整光滑，耐腐蚀性好。MIG电弧钎焊常用的焊接材料采用铝青铜焊丝（CuAl8），由于其熔点低机械性能好，不用破坏渗铝层，无重新做防腐的特点，被认为是目前焊接渗铝板最好的工艺。在船舶制造，机械制造，化工，汽车等领域得到了广泛的应用。（3）CuAl焊丝焊缝熔敷金属化学成分及熔敷金属物理性能焊缝熔敷金属化学成分见表2焊丝牌号化学成分区域标准（）铜铝硅锌锰铅镍铁其他HSCuAl余量7.0-9.00.10.12.00.200.5SG-CuAl8余量7.5-9.50.20.21.00.020.80.50.4ERCuAL-Al余量6.0-8.50.10.20.50.020.5熔敷金属物理性能：导电率 8 S.m/mm2固相线 1030 抗拉强度 390-450N/ mm2硬度 140HB密度 7.7kg/dm3液相线 1040延伸率 452.3 超薄板的MIG电弧钎焊（1）超薄板的焊接特点要想稳定地焊接薄板、防止烧穿等缺陷，众所周知的原则是要尽量减少热输入。常用的工艺手段通常是：尽量使用小的焊接电流、使用脉冲电源或者尽量提高焊接速度。但是，这些方法的实现有一定的局限性，因为在熔化极焊接过程中，焊接电流过小会造成熔滴过渡困难，而且小电流下焊接速度也不易太高，否则会造成电弧不稳定。为尽量使用更小的电流， 一般采用细丝以使在相同的电流下电流密度更大，焊丝对熔滴的表面张力更小，从而使熔滴过渡更顺利一些。但焊丝直径过小，会造成送丝困难，因此，实际生产中很少应用0.8mm以下的焊丝。（2）超薄板的MIG电弧钎焊工艺若使用MIG电弧钎焊，则对稳定电弧、减小热输入有很大好处。不过要更好地焊接0.5mm 以下的薄板，还需要在工艺上对MIG电弧钎焊方法有所改进。a.采用正极性法焊接。熔化极电弧焊一般都采用反极性法（焊丝为正、工件为负）焊接，正极性法则较少采用。这是由于受电弧本身性质的影响，阻碍过渡的斑点压力在阴极上较大，在阳极上较小，因此当焊丝接负时会受到较大的斑点压力，不能形成很强的电磁力与等离子流力，熔滴长大时不能顺利过渡，容易产生电弧不稳定和飞溅等。但是，正极性法却有利于薄板焊接。正极性法焊接时，母材熔深明显较反极性时小，而焊丝的熔化率却明显提高。研究表明4，正极性法焊接时焊丝熔化系数约为反极性法时的1.5倍，较高的熔敷效率有利于提高焊接速度和降低线能量。b.采用脉冲电流。脉冲电流使在平均电流相同的情况下，有较大的瞬时电流，有利于熔滴过渡，在反极性法焊接薄板时也经常采用。正极性法焊接更重要的意义是：焊丝端部熔滴呈大块状，电弧缩聚性较差，易飘荡， 容易造成电弧不稳；而采用脉冲电流则可对电弧产生较强的压缩作用，使电弧挺度增加，指向性较好，熔滴尺寸相应减小，过渡顺利。c.采用短路过渡与颗粒过渡混合的过渡方式，不片面追求“一脉一滴”的所谓理想的射滴过渡形式。在正极性、小电流（15A左右）、焊接薄板（0.30.5mm）这种特殊环境下，要做到“一脉一滴”的射滴过渡有较大困难，因为实现射滴过渡需要较大的临界电流，而正极性的临界电流比反极性高很多，在送丝速度较慢、熔滴过渡频率也不可能很高的情况下，较高的峰值电流需配以较低的基值电流，以保证平均电流较小。而稳定性相对较差的正极性电弧在这种高脉冲低基值的电流下极易出现断弧，进而破坏整个焊接过程。同时，射滴过渡中电弧本身对母材的强烈冲击和挖掘作用也对薄板焊接不利。因此，采用短路过渡与颗粒过渡混合的过渡的方案有着较大的优越性，其特点是电弧电压较低。弧长较短，熔滴在脉冲电流的作用下，有时是几个脉冲一滴的形式向熔池过渡，有时则是在熔滴尺寸长大到一定大小后与熔池接触形成短路过渡。由于采用短弧，且有脉冲电流的拘束作用，故熔滴始终不易长成大滴。在一般情况下，熔滴是在脉冲电流的作用下与焊丝脱离进入熔池，由于脉冲峰值并不很大，故对母材的冲击也不大；不能顺利过渡的熔滴，则在其长大到一定程度时与熔池短路，以短路过渡形式进入母材。实践证明，采用此种过渡形式，规范区间较宽，操作轻松。同时，由于焊接电流极小，此时短路过渡前期形成的对熔滴的顶推力及后期的小桥爆破力均较小，不会形成大颗粒飞溅。d.采用具有较大电感量的封闭铁心电抗。一般认为，小电流焊接时以采用感抗较小的条形电抗为好，因为这样会使系统的动特性更快、熔滴过渡频率更高。但在正极性焊接的情况下，抑制断弧和控制飞溅更加重要。实践证明: 焊接回路里较大的电感量是稳定电弧的有效措施之一。通过上述四个方面的改进，可以实现极小电流（15A）下电弧的稳定燃弧，同时由于热输入极小，可以实现MIG电弧钎焊对留有较大对接间隙的薄板的高质量焊接。2.4 汽车车身覆盖件MIG电弧钎焊（1）汽车车身覆盖件的焊接特点在汽车市场竞争日趋激烈的今天，由于人们对汽车外观要求越来越高，市场需求也日趋多样化，基于原车型稍作改型的变形车身产品越来越多。这些变形车身产品的覆盖零件有很大一部分采用焊接结构，以节约产品开发成本。车身覆盖件的焊接结构通常采用以下两种方式：搭接和翻边对接，如图1所示，焊接方法采用电阻点焊。图1 车身覆盖件常用焊接结构不论采取哪一种焊接结构，尽管零件焊接强度可以保证,，但在车身外表面都会留下一道肉眼可以明显看见的缝隙。这道缝隙对大多数用户的美观要求来说都难以接受，而且这道缝隙在后序涂装工艺中也无法消除，因此要利用焊装工艺的改进消除这道缝隙。车身外表零件的材料厚度相对比较小，通常在0.70.9mm范围内，而且外表零件结构比较简单，因此刚性比较差，容易变形。对于消除车身覆盖件间隙的焊接难题，曾经采用汽车制造中常用的CO2气体保护焊。应用CO2气体保护焊填补车身覆盖件的间隙，焊后不仅零件变形较大，很难修整到表面平整状态，而且焊缝加工即打磨焊缝凸起面也较困难。因此，CO2气体保护焊焊接汽车车身覆盖件并不能满足用户对外观的美学要求5。（2）汽车车身覆盖件的MIG电弧钎焊工艺由于搭接零件已经过电阻点焊，焊接强度基本上可以保证，因此可以选择MIG电弧钎焊的方法。该方法既能保证零件变形相对较小，又能保证焊缝质量及工作效率。焊缝表面只需作简单擦拭清洁，焊接效率通过调整焊接参数可以超过普通CO2气体保护焊，达到100cm/min，而且焊接质量仍然满足要求。2.5 异种材料的MIG电弧钎焊异种材料连接结构就是两种不同的材料（包括金属和非金属、复合材料、陶瓷等）通过一定工艺条件连接到一起，形成一个完整的具有一定使用性能的结构。由于异种材料的物理、化学及力学性能方面存在着巨大的差异，所以对连接方法要求比较苛刻。使用常规熔焊方法进行异种材料连接，由于界面容易形成脆性化合物相，同时由于热物理性能不匹配产生残余应力，使得异种材料连接困难,而且还影响到接头组织、性能和力学行为。而电弧钎焊技术是通过填充特制的钎料，母材不熔化（或者只有一种熔点低的金属熔化），避免了上述问题的发生，保证了焊接质量，同时操作方便灵活，不受工件形状限制，因此电弧钎焊在异种材料连接上得到了广泛的应用,主要用于铝合金与其他材料、铜与其他材料、钛合金与其他材料以及异种非金属材料等的连接上。H. T. Zhang等人6利用MIG电弧钎焊结合CMT技术焊接铝与镀锌钢板异种材料，研究了其界面微观组织和性能，实验表明：焊接接头性能良好，焊缝没有裂纹；铁和铝的化合物在钢和焊缝金属界面处形成，其厚度和成分随着焊接热输入的改变而改变；对化合物层超过40m的焊件进行抗拉强度试验，但断裂出现在Al 的热影响区。3 结束语随着MIG电弧钎焊的研究日渐趋于成熟, 对电弧钎焊原理分析