解決方案

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solution

脈沖MIG在車輛鋁合金油箱焊接工藝分析與應用

前言

    隨著綠色制造理念和結構輕量化要求的推廣,鋁合金作為一種質量輕、耐腐蝕、經濟效益好,再生利用率高的結構材料,被廣泛的應用于汽車制造領域。特別是車輛載重的提高,發動機馬力的加大,汽車對油箱的容積也在不斷的加大。傳統的鋼制油箱已不能滿足使用要求。鋁合金油箱由于表面鈍化膜的抗腐蝕作用,不但使用壽命長,而且無需涂裝,現已廣泛應用于汽車油箱上。

    但是與鋼鐵的材料相比,鋁合金的熔焊性較差,容易出現未熔合、氣孔等焊接缺陷,給鋁合金的油箱生產帶來一定的困難。麥格米特的DEX  PM3000熔化極惰性氣體脈沖保護焊,由于采用全數字化軟件控制,逆變頻率達到180KHZ,焊接電弧穩定,對金屬無氧化,且焊絲作為電極,具有熔覆效率高,焊接鋁合金時可以采用雙脈沖,焊接變形小焊接成型好,同時由于采用脈沖的強弱電流弧長調節,對焊接熔池表面的氧化膜有陰極破碎作用,能夠保證焊接的冶金質量,故脈沖氣體保護焊在鋁合金油箱是普遍采用的焊接方法。

    對于汽車鋁合金油箱自動MIG焊接過程中,在油箱的頂部環焊縫上,容易出現較嚴重的未熔合、氣孔等質量問題,進行分析。通過生產跟蹤及現場的工藝實驗,確定了影響焊接質量的主要因素是自動焊專機的焊槍角度、強弱脈沖的弧長、占空比、頻率的變化狀態。在焊槍傾角小于30°或焊絲干伸超過20㎜時,容易出現焊接缺陷。強弱脈沖及占空比不合適時焊縫容易焊穿或焊縫偏高等問題。在對焊接工藝參數及焊槍角度、設備結構做適當的調整改進后,焊接的鋁合金油箱的一次合格率從75%提高到98%以上。


 1 鋁合金油箱的制造工藝及質量問題

       鋁合金油箱的方形結構,油箱主體由方形筒體和兩個方形端蓋組焊而成,外形尺寸為1100㎜×700㎜×700㎜,額定容量為500L,箱體材料厚度2.5㎜,材質為5052鋁鎂合金板。方形筒體又鋁合金通過輥壓成型,然后焊接而成。筒體的對接焊縫,目前在自動化專機采用MIG雙脈沖工藝焊接,能夠保證焊接質量。但是采用相同的工藝,焊接油桶的方形端蓋時,容易出現未熔合氣孔及焊樓工件等問題。如圖一;油箱端蓋及筒體環縫的一次合格率為75%,不合格率25%,不僅需要大量的氬弧補焊而且焊縫的成型及二次滲漏風險也非常高。

 

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    圖 1 油箱端蓋與筒體焊縫上的焊接質量問題

   

        油箱端蓋采用輥壓縮口工藝,成型完畢與油箱桶對接,縮口部分插入筒體內,形成環形的搭接接頭。環形焊縫采用雙脈沖自動MIG專機焊接,單層單道焊縫,兩側環縫同時同向施焊,具體焊接參數見表1。焊接過程中焊槍固定,油箱隨變位機轉動,由于油箱為圓角方形結構,轉動過程中,焊槍的傾角和電弧長度隨時會發生變化,因此在焊接過程中。需要焊接操作人員及時熟練的人為調整焊槍角度及高度,以保證焊槍傾角和電弧長度在合適的范圍內。


        表 1 鋁合金油箱環形焊縫的 MIG 脈沖焊接參數

接頭形式焊接電流A

焊接電

壓V

焊接速度mm/min弱脈沖電流 %弱脈沖弧長占空比%

頻率

HZ

搭接8017.56040%050%1.5

        備注;采用1.2㎜焊絲,材質ER5356 鋁鎂,保護氣體99.99%Ar


2 鋁合金油箱的工藝分析

                  2.1 在油箱筒體與端蓋焊接前,端蓋經過輥壓縮口成型。輥壓成型后,端蓋縮口處的成型褶皺集中分布端蓋圓附近,在與直筒體對接裝配后,圓角附近的裝配間隙最大。但經過生產跟蹤,成型褶皺一般出現在內縮口部分,對裝配間隙影響有限,且最大裝配間隙不超過2㎜經過工藝驗證, 2 mm 以下的間隙量對焊接質量影響不大。 即端蓋與筒體的裝配間隙控制在 2 mm以內時, 輥壓成形褶皺不是造成目前焊縫缺陷的主要原因。燃油箱筒體與端蓋裝配畢后將被裝夾固定在自動焊專機的變位器上。 開始焊接前, 操作人員一般用紗布蘸無水乙醇將待焊區擦拭一遍, 目的是去除待焊區的油污。 但焊接開始時并不能保證無水乙醇已完全揮發, 特別是流進裝配間隙中的乙醇, 一旦有殘留, 很容易使焊縫產生氣孔。因此焊接前用無水乙醇待焊區能否改善焊接質量值得質疑。雖然制造燃油箱的鋁合金板材表面有一層塑料保護膜保護, 但在制造過程中保護膜已破損,油箱焊接裝配前會將這層膜揭除,即鋁合金表面在焊接前已有不同程度的氧化和污染。 油箱環形焊縫施焊前, 并沒有對環縫待焊區及環縫與筒體直縫交疊處進行機械清理, 而筒體直縫的兩端部余高較大,或存在弧坑及較厚的氧化皮, 這些不利因素會影響環縫的焊接質量。油箱的自動焊過程中,由于焊接專機的焊槍機構和變位器分立, 二者的運動不相關, 加上油箱的方形結構特點, 使油箱隨變位器作勻速旋轉時, 油箱與焊槍接觸處的線速度、 周半徑和法線在時刻變動, 即實際的焊接速度、 焊絲伸出長度 (干伸長) 及焊槍傾角 (焊絲與工件接觸處切線的夾角) 在時刻變動中。 這些不確定的工藝參數必將影響焊接質量。 為了降低這些不確定工藝參數的影響, 焊接過程中由操作人員手工實時調整焊槍高度和傾角, 這就會失去自動焊的優勢。

     

2.2 焊接參數分析

     主要焊接參數中,除表 1 給出的參數外,還有焊槍傾角、 焊絲干伸長等參數值沒有確定。 根據目前生產燃油箱所使用的自動 MIG 焊專機構造來看, 焊槍是固定的, 其姿態事先已設置好, 與工件的運動無關, 可推斷出焊槍傾角 α、 焊絲干伸長 l 和焊接線速度 v 隨工件 (燃油箱) 的運動會呈周期性變化, 簡化后的示意圖如圖 2 所示。當焊接變位器帶著裝夾好的待焊油箱, 從位置 P經 P′轉動至 P" 的過程中, 焊絲與油箱的接觸點會由點 A 經點 B 再移動至點 C。 這個過程中 ,焊絲干伸長 l 會先變短后變長,而焊槍傾角 α 相應地先變大后變小 (α→α′→α"), 焊接線速度 v也會變化。 考慮到實際油箱截面形狀并非嚴格的方形, 而是四個直邊稍有突出的 “鼓形”,所以截面邊線上各點到中心的距離差沒有示意圖中那么大, 即焊接速度 v 的變化有限。 焊接過程中,焊槍傾角 α 和干伸長 l 的變化較大,保護氣就難以達到保護效果,對焊接質量的影響也就大. 

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        為了驗證鋁合金燃油箱焊接過程  中各項不確定工藝參數對焊接質量的影響, 進行了一系列工藝試驗, 結果證明, 當焊絲與油箱的接觸點位于方形油箱直邊中心位置附近時 (見圖 2 中 P" 位置), 焊槍傾角 α 將小于 30°, 焊絲干伸長 l 超過20 mm, 出現未熔合或氣孔的概率超過 50%。 而鋁 合 金 MIG 焊 合 適 的 工 藝 參 數 中 , α 是 75°~80°, l 是 12~18 mm[8-11]。 所以, 未熔合與氣孔往往出現在焊槍越過油箱圓角行至直邊中心的過程中, 該處也是焊接操作人員人為干涉焊槍姿態的位置。


3 設備改進與工藝調整

       根據以上分析, 該鋁合金油箱的整個焊接生產過程中, 工藝上存在諸多不合理之處, 因此對工藝進行適當的調整, 對自動焊設備進行合理的改進。(1) 要排除不確定工藝參數對焊接質量的影響, 就要改造目前的焊接設備。 最好的辦法是引進焊接機器人工作站, 但考慮到經濟性和企業生產規模, 可針對目前設備的焊槍機構進行改進。將原來固定的焊槍, 固定在一個能上下移動的從動桿上, 從動桿的下端裝有一對可以轉動的仿形輪子, 輪子跨坐在環形待焊區邊線上, 隨油箱的轉動而轉動, 同時推動從動桿上下移動。 改進后焊槍與油箱運動關聯示意如圖 3 所示, 焊槍機構經過改進后, 待焊油箱自位置 P 轉動至位置 P′的過程中, 固定焊槍的從動桿在油箱外廓的推動下能自由上下伸縮, 焊槍機構整體跟著移動, 整個過程中焊絲干伸長 l 和焊槍傾角 α 均不會發生變化。 即焊槍機構經過改進后, 焊槍傾角 α 和干伸長 l 兩個焊接參數可以確定了。


(2) 除了加強焊材庫存管控和防潮外, 還需調整工序。 成形完畢的油箱端蓋在裝配到筒體前, 就用無水乙醇將端蓋的待焊區及縮口邊一并擦拭, 除去油污。 待無水乙醇徹底揮發后再進行裝配。 施焊前對待焊區進行機械清理。 需用砂紙打磨筒體直縫的兩端部, 保證環縫與直縫交疊處的焊縫余高不至過大, 減小其對焊絲干伸長和保護氣流的影響, 然后整體打磨一遍環形焊縫的待焊區,最后用毛刷掃除磨屑和灰塵。然后再執行焊接


4 結 語

       經過工藝和設備改進, 該鋁合金油箱焊接質量和生產效率均得到了大幅提高。 解決了批量出現未熔合和氣孔的焊接質量問題, 一次焊接合格率從 75%以上提高到98%以上。 生產效率得到大幅度提高, 原來一臺自動焊專機由的兩名焊接人員操作, 改進后一名焊接人員可以操作兩臺自動焊專機。

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