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解決方案

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脈沖MIG在車輛鋁合金油箱焊接工藝分析與應用

一、前言

    随着绿色制造理念和结构轻量化要求的推广,铝合金作为一种质量轻、耐腐蚀、经济效益好,再生利用率高的结构材料,被广泛的应用于汽車制造领域。特别是车辆载重的提高,发动机马力的加大,汽车对油箱的容积也在不断的加大。传统的钢制油箱已不能满足使用要求。铝合金油箱由于表面钝化膜的抗腐蚀作用,不但使用寿命长,而且无需涂装,现已广泛应用于汽车油箱上。

    但是与钢铁的材料相比,铝合金的熔焊性较差,容易出现未熔合、气孔等焊接缺陷,给铝合金的油箱生产带来一定的困难。麦格米特的DEX  PM3000熔化极惰性气体脉冲保护焊,由于采用全数字化软件控制,逆变頻率达到180KHZ,焊接電弧稳定,对金属无氧化,且焊丝作为电极,具有熔覆效率高,焊接铝合金时可以采用双脉冲,焊接变形小焊接成型好,同时由于采用脉冲的强弱电流弧长调节,对焊接熔池表面的氧化膜有阴极破碎作用,能够保证焊接的冶金质量,故脉冲气体保护焊在铝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。通過生産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°或焊絲幹伸超過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後,焊接的鋁合金油箱的一次合格率從75%提高到98%以上。 

二、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,外形尺寸爲1100㎜×700㎜×700㎜,額定容量爲500L,箱體材料厚度2.5㎜,材質爲5052鋁鎂合金板。方形筒體又鋁合金通過輥壓成型,然後焊接而成。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爲75%,不合格率25%,不僅需要大量的氩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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    图 1 油箱端盖与筒体焊缝上的焊接质量问题

   

        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,由于油箱爲圓角方形結構,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爲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範圍內。


        表 1 铝合金油箱环形焊缝的 MIG 脉冲焊接参数

接頭形式焊接電流A

焊接電

壓V

焊接速度mm/min弱脉冲电流 %弱脈沖弧長占空比%

頻率

HZ

搭接8017.56040%050%1.5

        备注;采用1.2㎜焊丝,材质ER5356 铝镁,保护气体99.99%Ar


二、鋁合金油箱的工藝分析

                  1、在油箱筒体与端盖焊接前,端盖经过辊压缩口成型。辊压成型后,端盖缩口处的成型褶皱集中分布端盖圆附近,在与直筒体对接装配后,圆角附近的装配间隙最大。但经过生产跟踪,成型褶皱一般出现在内缩口部分,对装配间隙影响有限,且最大装配间隙不超过2㎜经过工艺验证, 2 mm 以下的间隙量对焊接质量影响不大。 即端盖与筒体的装配间隙控制在 2 mm以内时, 辊压成形褶皱不是造成目前焊缝缺陷的主要原因。燃油箱筒体与端盖装配毕后将被装夹固定在自动焊专机的变位器上。 开始焊接前, 操作人员一般用纱布蘸无水乙醇将待焊区擦拭一遍, 目的是去除待焊区的油污。 但焊接开始时并不能保证无水乙醇已完全挥发, 特别是流进装配间隙中的乙醇, 一旦有残留, 很容易使焊缝产生气孔。因此焊接前用无水乙醇待焊区能否改善焊接质量值得质疑。虽然制造燃油箱的铝合金板材表面有一层塑料保护膜保护, 但在制造过程中保护膜已破损,油箱焊接装配前会将这层膜揭除,即铝合金表面在焊接前已有不同程度的氧化和污染。 油箱环形焊缝施焊前, 并没有对环缝待焊区及环缝与筒体直缝交叠处进行机械清理, 而筒体直缝的两端部余高较大,或存在弧坑及较厚的氧化皮, 这些不利因素会影响环缝的焊接质量。油箱的自动焊过程中,由于焊接专机的焊枪机构和变位器分立, 二者的运动不相关, 加上油箱的方形结构特点, 使油箱随变位器作匀速旋转时, 油箱与焊枪接触处的线速度、 周半径和法线在时刻变动, 即实际的焊接速度、 焊丝伸出长度 (干伸长) 及焊枪倾角 (焊丝与工件接触处切线的夹角) 在时刻变动中。 这些不确定的工艺参数必将影响焊接质量。 为了降低这些不确定工艺参数的影响, 焊接过程中由操作人员手工实时调整焊枪高度和倾角, 这就会失去自动焊的优势。

     

2、焊接參數分析

     主要焊接参数中,除表 1 给出的参数外,还有焊枪倾角、 焊丝干伸长等参数值没有确定。 根据目前生产燃油箱所使用的自动 MIG 焊专机构造来看, 焊枪是固定的, 其姿态事先已设置好, 与工件的运动无关, 可推断出焊枪倾角 α、 焊丝干伸长 l 和焊接线速度 v 随工件 (燃油箱) 的运动会呈周期性变化, 简化后的示意图如图 2 所示。当焊接变位器带着装夹好的待焊油箱, 从位置 P经 P′转动至 P" 的过程中, 焊丝与油箱的接触点会由点 A 经点 B 再移动至点 C。 这个过程中 ,焊丝干伸长 l 会先变短后变长,而焊枪倾角 α 相应地先变大后变小 (α→α′→α"), 焊接线速度 v也会变化。 考虑到实际油箱截面形状并非严格的方形, 而是四个直边稍有突出的 “鼓形”,所以截面边线上各点到中心的距离差没有示意图中那么大, 即焊接速度 v 的变化有限。 焊接过程中,焊枪倾角 α 和干伸长 l 的变化较大,保护气就难以达到保护效果,对焊接质量的影响也就大. 

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        为了验证铝合金燃油箱焊接过程  中各项不确定工艺参数对焊接质量的影响, 进行了一系列工艺试验, 结果证明, 当焊丝与油箱的接触点位于方形油箱直边中心位置附近时 (见图 2 中 P" 位置), 焊枪倾角 α 将小于 30°, 焊丝干伸长 l 超过20 mm, 出现未熔合或气孔的概率超过 50%。 而铝 合 金 MIG 焊 合 适 的 工 艺 参 数 中 , α 是 75°~80°, l 是 12~18 mm[8-11]。 所以, 未熔合与气孔往往出现在焊枪越过油箱圆角行至直边中心的过程中, 该处也是焊接操作人员人为干涉焊枪姿态的位置。


三、設備改進與工藝調整

       根据以上分析, 该铝合金油箱的整个焊接生产过程中, 工艺上存在诸多不合理之处, 因此对工艺进行适当的调整, 对自动焊设备进行合理的改进。(1) 要排除不确定工艺参数对焊接质量的影响, 就要改造目前的焊接设备。 最好的办法是引进焊接机器人工作站, 但考虑到经济性和企业生产规模, 可针对目前设备的焊枪机构进行改进。将原来固定的焊枪, 固定在一个能上下移动的从动杆上, 从动杆的下端装有一对可以转动的仿形轮子, 轮子跨坐在环形待焊区边线上, 随油箱的转动而转动, 同时推动从动杆上下移动。 改进后焊枪与油箱运动关联示意如图 3 所示, 焊枪机构经过改进后, 待焊油箱自位置 P 转动至位置 P′的过程中, 固定焊枪的从动杆在油箱外廓的推动下能自由上下伸缩, 焊枪机构整体跟着移动, 整个过程中焊丝干伸长 l 和焊枪倾角 α 均不会发生变化。 即焊枪机构经过改进后, 焊枪倾角 α 和干伸长 l 两个焊接参数可以确定了。


(2) 除了加强焊材库存管控和防潮外, 还需调整工序。 成形完毕的油箱端盖在装配到筒体前, 就用无水乙醇将端盖的待焊区及缩口边一并擦拭, 除去油污。 待无水乙醇彻底挥发后再进行装配。 施焊前对待焊区进行机械清理。 需用砂纸打磨筒体直缝的两端部, 保证环缝与直缝交叠处的焊缝余高不至过大, 减小其对焊丝干伸长和保护气流的影响, 然后整体打磨一遍环形焊缝的待焊区,最后用毛刷扫除磨屑和灰尘。然后再执行焊接


四、結語

       经过工艺和设备改进, 该铝合金油箱焊接质量和生产效率均得到了大幅提高。 解决了批量出现未熔合和气孔的焊接质量问题, 一次焊接合格率从 75%以上提高到98%以上。 生产效率得到大幅度提高, 原来一台自动焊专机由的两名焊接人员操作, 改进后一名焊接人员可以操作两台自动焊专机。

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