汽车薄钢板用MAG焊丝和焊接方法的开发动向 (1)

铃木励一 中野利彦

（株）神户制钢焊接公司技术开发部

摘 要：作为适合于汽车的焊接方法，点焊和采用实芯焊丝的MAG焊接最为普及。在日本，焊机、机器人、保护气体以及焊丝等，根据不同的目的，正在进行多方面开发和走向实用化。这里介绍日本的适合于汽车的MAG焊接方法和焊丝的现状，以及作为新开发的例子，介绍适于极薄钢板的焊接技术。本焊接技术由焊丝成分、焊丝直径和电流波形的组合构成。极薄钢板的焊接难题是防止烧穿和间隙处的架桥性。为了改善这些性能，要降低熔池的表面张力和提高焊丝的电阻，以此为目的调整出最合适的焊丝成分。减少焊丝直径，能提高熔敷效率，再加上使电流波形交流化，就可以调整熔深。

关键词：汽车；MAG焊；极薄钢板

Abstract：The MAG welding method using solid wire is spread together with spot welding method for the automobile manufacturing. Welding wires, power sources, welding robots and shielding gases are developed and put in practical use according to the purpose in Japan. This introduces about the present situation of MAG welding wire and process for the automobile manufacturing in Japan, and a welding technology suitable for ultra thin steel sheets as a newly developed example. This welding technology is constituted by the combination of welding wire composition, the diameter of a wire, and current waveform. The biggest problem in arc welding of very thin steel sheets is excessive burn through and root gap tolerance. The chemical composition of the developed wire is optimized for the purpose of decreasing surface tension of the droplet and increasing electrical resistivityof wire improving these problems. Furthermore, the deposition rate increases per unit of welding current by decreasing wire diameter, and adjustment of the penetration depth is enabled by alternating current wave form and polarity.

Key words：Automobile, GMAW, thin steel sheet

0 前 言

在汽车制造工程中，焊接是极为重要的技术之一。与其他行业相比较，汽车行业的特点采用薄的钢板，相应的焊接方法有点焊、气保护电弧焊、激光焊和滚焊等。其中，采用实芯焊丝的MAG焊接方法适用性广泛，它与焊接机器人组合后，可得到高能率性，在成本上有竞争力，是一种最为普及的焊接方法。在材质方面，到目前为止，主要使用低碳钢、镀锌钢板及不锈钢等，为了减轻重量，高强度钢及铝合金等使用的量在增加。

在日本，为满足汽车制造商或零部件制造商旺盛的开发需要，根据不同的目的正在开发焊机、机器人、保护气体焊接材料等，并且已实用化。

本论文介绍日本的适合于汽车的MAG焊接方法和焊丝的现状，以及作为新开发之例子，介绍适于极薄钢板的焊接技术。

1 日本的汽车行业中MAG焊接的市场现状

如图1所示，构成MAG焊接方法的主要因素是焊丝、保护气体、焊接电源和焊接机器人。在日本，汽车行业竞争力高的原因之一是迅速的实现了全面的自动化，它有助于降低成本。在焊接施工中，弧焊机器人的自动化率接近100%，汽车行业的自动化率超过了钢结构、建筑和造船等其他行业。图2给出了焊接机器人的产量和流向，由此可以看出，绝大部分焊接机器人流向汽车行业。在焊机方面，也主要是高性能机流向汽车行业，而且从半导体控制进化成现在主流的逆变式控制，再进一步，近期能成为数字式控制的话，其应答速度变快，并推动高速焊接化和低飞溅化进展（见图3）。在电流波形方面，为适应脉冲化、交流化等目的，也正在进行开发的推广普及。就保护气体而言，其他行业多采用CO2气，在汽车行业，为更好地适应于薄板，近年来采用Ar+CO2气的正在增加，据推测已超过半数。

图4示出了日本不同行业的焊接材料用量，图5示出了各行业中焊接材料的构成比例。在建筑钢结构和造船行业之后，汽车行业使用的焊接材料占到第3位，形成了大的市场。另外，它所使用的焊接材料大部分是实芯焊丝。

其理由主要有：①它与机器人组合易于自动化。②电流的允许范围广，从低电流到高电流都可以。③渣量少。④成本低等，这些都与汽车的要求相一致。

MAG焊接方法主要适用的汽车部件如图6所示。点焊主要用于车身部件，MAG焊接则不同，它多用于要求高强度的脚边部件和形状复杂的部件等。汽车行业对MAG焊接方法的主要要求列于表1。从焊缝金属的性能和状态考虑，在效率、适用性和成本等方面都要求进行改善。全部满足这些要求的焊接方法和焊丝现在还没有，能够适应这么多要求的施工方法，使用的是通用的焊接方法和焊丝，也正在开发有此衍生的、有特征的施工方法。

表1 汽车行业对MAG焊接的主要要求

焊缝金属的性能和状态焊接效率、适用性、环境

·适当的强度、韧性
·高速性
·耐蚀性
·耐烧穿性
·抗裂性
·熔深稳定性
·焊道形状宽
·抗气孔性
·渣量少
·耐间隙性·低飞溅
·引弧性
·低发尘
·低成本
·导丝嘴耐磨性 （设备、运转）
·导丝嘴耐熔性
·送丝稳定性

在日本，最一般的焊机和焊丝组合以及用途不同的技术示于图7，最为常用的焊接方法是采用CO2气或Ar80%+CO220%的短弧焊接方法。当板厚在1.6mm以上时，多采用1.2mm的焊丝，焊丝成分符合JISZ3312YGW12或AWSA5.18ER70S—6标准要求，是适合低电流焊接用的实芯焊丝。一般情况下，采用通用焊接方法可以完成汽车上大部分的电弧焊接。此外，已开发的焊接方法有：①脉冲MAG焊接方法，它可以降低飞溅，在表面处理的钢板上焊接时耐气孔性更好。②极薄板焊接方法，焊接1.4mm以下的钢板或者根部间隙大的场合也不易产生烧穿。③纵列多丝电弧焊接方法，它可实现高速焊接化。④铝MAG焊接方法，所焊材质为铝合金。还有与这些焊接方法相匹配的焊丝也已开发出来。

2 耐间隙性优良的极薄板焊接技术

作为新技术的一例，下面介绍一下耐间隙性优良的极薄板焊接技术。如上所述，电弧焊接多的部位，主要是板厚较大的脚边部件。板厚在0.7～1.2mm及非常小的车身、坐椅架、车门梁等点焊不能进行的地方或在成本及设计上电弧焊接有利的场合也采用电弧焊接。但是极薄板电弧焊接时，最大的问题是烧穿。因为极薄板的热容量小，焊接时有时候一直到钢板里侧都达到了熔点而熔化掉（见图8b）。作为防止烧穿的方法，减少热输入量是有效的，还有以下的措施：

1） 减少焊丝供给量，降低电流、电压。

2） 加大焊丝伸出长度，降低电流。

3） 依靠增大焊丝的电阻热，在低电流下使焊丝熔化。

4） 减小焊丝直径，在低电流条件下能保证相同的熔敷量。

此外，改变电弧的电特性的措施有：

5） 通过改变极性（通常为直流反极性→直流正极性），降低促进母材熔化的热输入量。

在以上措施中：1）减小焊道的断面积，在根部间隙大的场合，易产生架桥不良（图8c），因其有效条件范围狭，不能实用。2）焊丝伸出长度加长的话，可引起焊丝弯曲度增大，对正位置发生偏移，易产生架桥不良，也不实用。于是，我们对措施3）～5）进行了全面的组合研讨，开发出了普通电弧焊接难以焊接的、根部间隙大的极薄板电弧焊接方法。

2．1 焊丝成分的研讨

众所周知，熔化极电弧焊的熔化速度，主要取决于图9中电弧热量（C1项）和伸出导电嘴部分焊丝的电阻热（C2项），用公式⑴表达如下：

MR=K1I+K2 · I2 · ρ · L ⑴
(C1) (C2)

式中 MR——熔化速度
I——电流
Ρ——电阻率
L——焊丝伸出长度
K1，K2——常数

由公式⑴可知，提高焊丝的电阻率以后，既可使电流减小，又能保证熔化速度。据此，我们改变化学成分来增大焊丝的电阻，限制热输入量，以便得到浅的熔深并满足根部间隙架桥需要的大焊脚长度。
几种主要的焊丝合金元素含量与电阻率的关系示于图10。由图可以知道， 增加Si量对提高电阻率是有效果的。采用含Si 量变化而使电阻率变化了的焊丝， 在平板上进行堆焊，并测定母材的熔化断面积，其结果见图11。通过调整焊丝成分，在相同的送丝速度条件下，也能使焊接电流下降，使低热输入量化成为可能。这样一来，熔深减小，母材熔化断面积变小了。据此，对焊丝成分，特别是含Si量，在考虑到焊接工艺性能等方面的基础上，确定一定最合适值。采用这种成分的焊丝，对防止母材烧穿是有效果的。
另外，在不产生母材烧穿的场合，当有大的根部间隙而不能达到焊道架桥的状态时，不是增加熔敷断面积，更为重要的是增加焊道宽度（见图12），焊道宽度受到熔池表面张力的影响很大。
曾试图测定熔池的表面张力，以研究焊丝成分的影响。但是直接测定熔池的表面张力是困难的。为此，把焊丝端部形成的熔滴的表面张力近似地视为熔池的表面张力，并用以下的方法测定熔滴的表面张力。
采用非常低的电流（焊丝直径1.2mm时，约为15～30A）来产生电弧，并使熔滴在焊丝端部形成，如图13所示，熔滴达到某一重量时，依靠其自重从焊丝端部脱离。当电弧电流、电压及焊丝的伸出长度达到平衡时，熔滴的形成及脱离将连续地有规则地进行，从焊接电源输出波形就能精确地求出熔滴的形成时间。而且，根据焊丝的送进速度，计算出一个熔滴的重量后，就能够计算出表面张力γ。表面张力越大，熔滴的重量只有增大才能落下，熔滴形成的周期变长。
mg
γ=──── ⑵
2πrf

式中：γ——焊丝直径
M——熔滴质量
g——重力加速度
f——常数

焊道宽度的测定方法以及作为架桥性指标的可焊接临界根部间隙的测定方法示于表2、图14和图15。

表2 基本焊接条件

焊 丝 直 径
ф1.2mm
送丝速度
7m/min
焊接电流
200～250a
焊接电压
22～24V
焊丝伸出长度 15mm
极性
直流反极性
保护气体成分(体积分数) Ar-O25%

按照上述方法，采用4种Si、Mn含量的焊丝测定其熔滴的表面张力。焊道宽度与表面张力的关系以及搭接角焊条件下的可焊接临界根部间隙的测定结果汇总于图16。
由图16可得出如下见解：
1） 焊丝中Si、Mn含量越多，熔滴的表面张力越大。这可能是因为强脱氧元素Si、Mn增加后，熔滴的含氧量减少造成的。
2）焊丝的表面张力越低，焊道宽度越大，因而使可焊接临界根部间隙也同样变大。
由此可见，通过减少焊丝中Si、Mn含量，使熔池的表面张力变小，增加焊道宽度，就能增大可焊接临界根部间隙，使其架桥性提高。
薄钢板耐烧穿性的提高，在于如何防止底板的烧穿以及存在根部间隙时如何防止底板与顶板之间的架桥不良，不减少熔敷金属量而降低其热输入量，并使之形成宽的焊道形状是最佳的。为此，在焊丝成分方面的实施程序如图17所示。
增加焊丝电阻率，主要是靠增加含Si量；另一方面，降低熔池的表面张力，主要靠降低Si、Mn等的含量，这两方面是相互矛盾的。因此，所开发的焊丝成分，要达到电阻率和表面张力特性的平衡，对其他成分也进行了调整。

2．2 焊丝直径的研讨

图18示出了焊丝直径与电流和熔敷量的关系，即焊丝越细，电流密度越高，单位电流的熔敷量越大；相反，熔敷量一定时，通过降低电流和热输入量，使熔深减小，有利于防止烧穿。此外，细直径焊丝在低的电流时电弧稳定性优良，抑制了熔池的振动，也有利于熔深的稳定。

2．3 电流波形的研讨

通常，熔化极电弧焊接多采用直流反极性，其理由是母材的熔深大，可以减少熔合不良，在高电流区的电弧稳定性优良。但是，焊接极薄板时，