CN113751840A - 改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，属于材料应用技术领域。所述待焊板为含Zn、Al和Mg等元素的镀层钢板，采用方法如下：采用与待焊镀层板相配套的焊丝类型，施焊中根据待焊镀层板厚度确定焊丝直径、电弧电压、焊接电流和送丝速度等工艺参数，该方法适用于不同钢质和/或不同板厚和/或不同镀层单面重量的含Zn、Al及Mg等元素的镀层板焊接，所述方法可以有效地降低焊接过程飞溅和焊缝边缘镀层烧损范围，改善焊缝表面质量，焊缝无气孔缺陷，且焊缝具有良好的拉伸性能，可更好地满足构件对焊缝的质量要求。

Description

改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法

技术领域

本发明属于材料应用技术领域，具体涉及改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法。

背景技术

随着汽车行业对防腐蚀性要求越来越高，镀锌钢板越来越多的得到应用。目前，发达国家汽车镀层钢板的用量已占薄板用量的60％以上，而随着对车身材料耐蚀性能要求的越来越高，Zn-Al-Mg镀层产品逐渐被开发和应用，不同规格的Zn-Al-Mg镀层钢耐蚀性为传统纯锌镀层和锌铝合金镀层钢的数倍乃至数十倍，而且与对应镀锌产品相比，冷成形性能优异。

与镀锌产品不同，镀层中由于含有Al和Mg元素，给焊接带来了难度，尤其是弧焊。如弧焊时的飞溅和焊缝附近的镀层烧损范围等不仅不利于焊接过程的稳定，同时为后续的使用带来了困难，有时需要进行焊缝修补才能获取满意的焊缝耐蚀性能。而飞溅也增加了焊丝及电能消耗，降低焊接生产率和增加焊接成本，飞溅金属粘到导电嘴和喷嘴内壁上，会造成送丝和送气不畅而影响电弧稳定和降低保护作用，恶化焊缝成形，粘到焊件表面上又增加焊后清理工序等，因此，对含Zn、Al和Mg镀层产品在汽车行业的应用首要要解决其焊接问题。

专利号CN102264505A，镀锌钢板焊接用不锈钢药芯焊丝和使用该焊丝的镀锌钢板的电弧焊接方法，设计了不锈钢药芯焊丝用于改善接头的液化裂纹以及焊缝延展性和耐蚀性，但对减少焊接过程中的飞溅以及锌层烧损范围等未给出工艺的解决方案。

专利号CN104057215A，用于镀锌钢板的焊接防飞溅剂和镀锌涂油钢板，本发明通过在镀锌板板面涂敷焊接防飞溅剂从而在镀锌钢板形成防锈油层，使镀锌涂油钢板不仅具有防腐蚀的效果，还具有在电弧焊过程中的防飞溅效果，但是工序复杂成本高，实现难度大。

针对含Zn镀层板的弧焊，可以通过电源极性直流反接，焊枪倾角以及焊接方向等减轻焊接飞溅等缺陷，取得了一定的效果，但是改善程度有限，尤其是针对复杂镀层成分的板材，如含有Zn、Al、Mg成分的镀层板。

因此，研究一套焊接工艺模型，采用熔化极气体保护焊的焊接方法，以实现含Zn、Al、Mg等元素的镀层产品焊缝质量提升，是行业内亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，尤其是减少焊接飞溅和镀层烧损范围。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，所述方法在施焊过程中，根据待焊镀层板厚度t确定焊丝直径d、焊接电流I、电弧电压U和送丝速度S；所述焊丝直径d与焊接电流I的数值关系满足：I＝50*d+20；所述焊丝直径d与电弧电压U的数值关系满足：U＝13.75*d+6.6；所述焊丝直径d单位为mm，焊接电流I单位为A，电弧电压U单位为V；实际生产过程中，电弧电压U数值上有±2.5范围的波动。

本发明所述待焊镀层板厚度t为0.5-3.0mm，所述焊丝直径0.5mm≤d≤2.0mm；镀层单面重量h为40-400g/m²，所述待焊镀层板的镀层化学成分及质量分数为：Mg≤3.0％，Al≤55％，其余为Zn和/或其他有意添加的或不可避免的微量杂质元素。

本发明所述待焊镀层板厚度t与焊丝直径d满足：1)0.5mm≤t≤1.0mm，0.5mm≤d≤1.0mm；2)1.0mm＜t≤2.0mm，1.0mm＜d≤1.5mm；3)2.0mm＜t≤3.0mm，1.5mm＜d≤2.0mm；对于板厚分别为t1和t2的待焊镀层板，则采用平均板厚t进行选择，即此时t＝1/2(t1+t2)。

本发明所述焊丝直径d与送丝速度S的数值关系满足：S＝d+3，所述焊丝直径0.5mm≤d≤2.0mm，所述送丝速度单位为m/min；实际生产过程中，允许送丝速度有±0.5m/min范围的波动。

本发明所述方法在施焊过程中，采用CO₂+Ar混合气体作为保护气体，并根据镀层单面重量h确定比例，关系如下：1)h≤160g/m²，Ar：CO₂＝80％：20％；2)300g/m²＜h≤400g/m²，Ar：CO₂＝100％：0％；3)160g/m²＜h≤300g/m²，Ar：CO₂＝(57+0.14h)％：(100-Ar)％；对于镀层单面重量分别为h₁和h₂的待焊镀层板，则采用平均镀层单面重量h进行选择，此时h＝1/2(h₁+h₂)；实际生产过程中，气体含量比例可以目标比例基础上有±2.5％(气体比例变化量)的变化。

本发明所述方法在施焊过程中，保护气体流量与焊丝直径d的关系如下：1)d≤1.0mm，气体流量为5-10L/min；2)1.0＜d≤1.5mm，气体流量为10-15L/min，3)1.5＜d≤2.0mm，气体流量为15-20L/min。

本发明所述方法在施焊过程中，控制焊丝干伸出长度L与焊丝直径d的关系为L＝8*d～15*d，所述焊丝干伸出长度L、焊丝直径d的单位均为mm。

本发明所述方法在施焊过程中，采用对接方式，待焊镀层板间的间隙Δ与待焊镀层板厚度t关系为：1)t≤1.0mm，Δ＝0mm；2)1.0＜t≤2.0mm，0*tmm＜Δ≤0.5*tmm；3)2.0＜t≤3.0mm，0.5*tmm＜Δ≤0.8*tmm；对于厚度分别为t1和t2的待焊镀层板，则采用平均厚度t进行选择，即此时t＝1/2(t1+t2)。

本发明所述镀层板基板可以为低碳及超低碳钢、低合金高强钢、双相钢以及碳素结构钢，本领域技术人员可根据基板特点配套焊丝类型。

本发明所述方法飞溅率≤1.5％，镀层烧损范围≤3.9mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸时断裂位置发生在母材。

本发明设计思路如下：

Zn-Al-Mg镀层板的熔化极气体保护焊，涉及到焊丝直径、电弧电压、焊接电流、保护气体种类及比例等诸多工艺参数，且各个参数间相互影响，在本发明中，采用与待焊母材相配套的焊丝类型，以待焊镀层板厚度(即板厚)为出发点，建立了待焊板板厚与焊丝直径、电弧电压、焊接电流以及送丝速度等参数间的优化关系，基于镀层单面重量和焊丝直径确定保护气体比例和流量，实现了焊接时焊缝附近母材镀层烧损低、飞溅率小，焊缝无气孔缺陷并具有良好的接头性能。

1、电弧电压和焊接电流

电弧电压是焊接规范中关键的一个参数，它的大小决定了电弧的长短和熔滴的过渡形式，它对焊缝成形、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的机械性能有很大的影响。在一定的焊丝直径及焊接电流下，电弧电压若过低，电弧引燃困难，焊接过程不稳定，电弧电压过高，熔滴过渡不良，焊接过程也不稳定，只有在电弧电压与焊接电流匹配的较合适时，才能获得稳定的焊接过程，并且飞溅小，焊缝成形好。

在实际生产时，除了考虑飞溅大小外，还要考虑生产率等因素，所以选择合适的焊接电流对实现焊接过程的稳定和焊接高效率至关重要。

2、送丝速度

在熔化极气体保护焊过程中，在一定的焊丝直径下，焊接电压增大，焊接电流越大，则送丝速度越快。电流相同，焊丝直径越小，送丝越快。送丝速度既影响焊接过程的稳定性，又影响焊接效率。

3、保护气体种类和保护气体流量

弧焊是采用保护气体一方面可以杜绝空气对焊接过程的影响，降低加热材料以及熔池的氧化，另一方面合适的保护气体选择有利于维持电弧稳定性、起弧、熔滴过渡、熔池深度和截面尺寸以及飞溅等。

氩气：为惰性气体，在焊接过程中，氩气容易电离，容易起弧，热导率也较低，这就意味着较低的电弧电压，容易产生指状熔深。可以与二氧化碳或氧气等一起使用。

二氧化碳：可以单独或与其他气体一起使用作为保护气体，在焊接电弧汇总活性大，且分子的解离温度为1500℃，由于分子解离，增加了电弧电压，同时在电弧中的热导率高，这就可以将更多的电弧能力传输给焊接熔池，较容易获得更宽的熔池尺寸。

焊接过程中，如果焊接电流较大，焊接速度较快，焊丝伸出长度较大，气体流量应加大，以使保护气体有足够的挺度，加强保护效果。但气体流量不宜过大，以免将外界空气卷入焊接区，降低保护效果。所以气体流量根据焊丝干伸出长度或焊丝直径进行确定。

4、焊丝直径(mm)和焊丝干伸出长度

焊接中根据待焊镀层板厚度选择焊丝直径，在一定的板厚和焊接电流下，焊丝直径增越大，飞溅颗粒和数量都相应增大；焊丝直径过小，焊接热量不足，降低焊接效率。

对于焊丝干伸出长度，其上产生的电阻热是不可忽视的因素，焊丝干伸出长度过大，焊丝容易发生过热而成段熔断，喷嘴至工件距离增大，保护效果变差，飞溅严重，焊接过程不稳定。焊丝干伸出长度过小，喷嘴至工件距离减小飞溅金属容易堵塞喷嘴。

5、待焊板料间隙(mm)

在板料的对接焊时，随着板料厚度的增加，为了实现焊缝全熔透，且降低焊缝两边的热影响区域，可以适度控制待焊板料之间的间隙。

6、飞溅率与镀层烧损范围

焊接过程中，大部分焊丝熔化过渡到熔池冷却成为焊缝，小部分飞落到熔池之外而成为飞溅。飞溅率(s)是评价焊接飞溅效果或严重程度的一个参数，计算如下：

s＝(Gs-Gd)/Gs×100％

Gs:熔化焊丝的重量(g)，Gs＝G1-G2

G1：焊前焊丝的重量，G2：剩余焊丝重量

Gd：熔覆金属的重量，Gd＝g2-g1

g2：焊后把试件上的飞溅物去除后的重量，g1：焊前试样清理后重量。

表面镀层由于熔点温度低，在焊接电弧的热作用下会蒸发烧损，而烧损的范围则为母材上的两侧烧损宽度的总和。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明根据待焊镀层板厚度确定焊丝直径、焊接电流、电弧电压和送丝速度等工艺参数，实现焊接接头充分的冶金结合；2、本发明根据待焊板镀层厚度，确定保护气体成分比例和流量，提高焊接过程稳定性；3、本发明采用建立的焊接工艺参数模型，可实现稳定的焊接过程，焊接飞溅小，飞溅率≤1.5％，焊缝区域的镀层烧损程度小，烧损范围≤3.9mm，焊缝焊缝无气孔缺陷，质量好；4、本发明所获工艺参数模型可用于不同钢质和/或不同板厚和/或不同镀层的镀层板焊接，焊缝单轴拉伸时断裂位置发生在母材，确保了焊后焊缝具有良好的接头表面质量和力学性能。5、本发明适用于所有的钢质，如低碳和超低碳钢、低合金高强钢、双相钢和碳素结构钢等，焊接成本低，焊丝采用与母材配套的焊丝即可。

附图说明

图1行业内常规工艺焊接试样拉伸断裂特征；

图2实施例1焊接试样拉伸断裂特征；

图3行业内常规工艺焊缝的特征；

图4实施例1焊缝的焊缝特征。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

表1待焊Zn-Al-Mg镀层板信息

实施例1

本实施例改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，待焊板厚度0.5mm，镀层单面重量80g/m²，选用低碳焊丝，具体工艺如下表：

表2实施例1焊接工艺参数

焊缝质量评价：飞溅率0.8％，镀层烧损范围2.6mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸断裂位置：母材。

实施例2

本实施例改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，待焊板厚度1.0mm，镀层单面重量40g/m²，选用低碳焊丝，具体工艺如下表：

表3实施例2焊接工艺参数

焊缝质量评价：飞溅率1.2％，镀层烧损范围3.2mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸断裂位置：母材。

实施例3

本实施例改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，待焊板厚度1.5mm，镀层单面重量250g/m²，选用低碳焊丝，具体工艺如下表：

表4实施例3焊接工艺参数

焊缝质量评价：飞溅率1.2％，镀层烧损范围3.4mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸断裂位置：母材。

实施例4

本实施例改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，待焊板厚度2.0mm，镀层单面重量120g/m²，选用低合金焊丝，具体工艺如下表：

表5实施例4焊接工艺参数

焊缝质量评价：飞溅率1.2％，镀层烧损范围3.6mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸断裂位置：母材。

实施例5

本实施例改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，待焊板厚度2.5mm，镀层单面重量300g/m²，选用低碳焊丝，具体工艺如下表：

表6实施例5焊接工艺参数

焊缝质量评价：飞溅率1.5％，镀层烧损范围3.9mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸断裂位置：母材。

实施例6

本实施例改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，待焊板厚度3.0mm，镀层单面重量180g/m²，选用低合金焊丝，具体工艺如下表：

表7实施例6焊接工艺参数

焊缝质量评价：飞溅率1.4％，镀层烧损范围3.8mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸断裂位置：母材。

160g/m²＜h＜300g/m²，Ar：CO₂＝(57+0.14h)％：(100-Ar)％；

实施例7

本实施例改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，待焊板厚度1.8mm，镀层单面重量分别为120g/m²和180g/m²，选用低合金焊丝，具体工艺如下表：

表8实施例7焊接工艺参数

焊缝质量评价：飞溅率1.2％，镀层烧损范围3.6mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸断裂位置：母材。

实施例8

本实施例改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，待焊板厚度分别为1.4和1.6mm，镀层单面重量180g/m²，焊丝选用低碳焊丝，具体工艺如下表：

表9实施例8焊接工艺参数

焊缝质量评价：飞溅率1.5％，镀层烧损范围3.2mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸断裂位置：母材。

实施例9

本实施例改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，待焊板厚度为2.5和2.0mm，镀层单面重量为160g/m²和200g/m²，选用低碳焊丝，具体工艺如下表：

表10实施例9焊接工艺参数

焊缝质量评价：飞溅率1.4％，镀层烧损范围3.9mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸断裂位置：母材。

行业内常规工艺(本发明工艺优化前)焊缝的单轴拉伸实验见图1，焊接试样拉伸断裂在焊缝，焊缝质量差，本发明实施例1焊缝的单轴拉伸实验见图2，焊接试样拉伸断裂在母材，焊缝质量得到显著提升。行业内常规工艺(本发明工艺优化前)的焊缝特征见图3，烧损严重；本发明实施例1焊缝的特征见图4，烧损减弱，烧损范围明显减少，本发明实施例2-9单轴拉伸实验结果以及焊缝质量与实施例1相同，附图省略。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述方法在施焊过程中，根据待焊镀层板厚度t确定焊丝直径d、焊接电流I、电弧电压U和送丝速度S；所述焊丝直径d与焊接电流I的数值关系满足：I=50*d+20；所述焊丝直径d与电弧电压U的数值关系满足：U=13.75*d+6.6；所述焊丝直径d单位为mm，焊接电流I单位为A，电弧电压U单位为V。

2.根据权利要求1所述的一种改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述待焊镀层板厚度t为0.5-3.0mm，所述焊丝直径0.5mm≤d≤2.0mm；镀层单面重量h为40-400g/m²，所述待焊镀层板的镀层化学成分及质量分数为：Mg≤3.0%，Al≤55%，其余为Zn和/或其他有意添加的或不可避免的微量杂质元素。

3.根据权利要求1所述的一种改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述待焊镀层板厚度t与焊丝直径d满足：

1) 0.5mm≤t≤1.0mm，0.5mm≤d≤1.0mm；

2) 1.0mm＜t≤2.0mm，1.0mm＜d≤1.5mm；

3) 2.0mm＜t≤3.0mm，1.5mm＜d≤2.0mm；

对于板厚分别为t1和t2的待焊镀层板，则采用平均板厚t进行选择，即此时t=1/2(t1+t2)。

4.根据权利要求1所述的一种改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述焊丝直径d与送丝速度S的数值关系满足：S=d+3，所述焊丝直径0.5mm≤d≤2.0mm，所述送丝速度单位为m/min。

5.根据权利要求1所述的一种改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述方法在施焊过程中，采用CO₂＋Ar混合气体作为保护气体，并根据镀层单面重量h确定比例，关系如下：

1) h≤160g/m²，Ar：CO₂=80%：20%；

2) 300g/m²＜h≤400g/m²，Ar：CO₂=100%：0%；

3) 160g/m²＜h≤300g/m²，Ar：CO₂=(57+0.14h)%：(100-Ar)%；

对于镀层单面重量分别为h₁和h₂的待焊镀层板，则采用平均镀层单面重量h进行选择，此时h=1/2(h₁+h₂)。

6.根据权利要求1所述的一种改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述方法在施焊过程中，保护气体流量与焊丝直径d的关系如下：

1）d≤1.0mm，气体流量为5-10L/min；

2）1.0＜d≤1.5mm，气体流量为10-15L/min，

3）1.5＜d≤2.0mm，气体流量为15-20L/min。

7. 根据权利要求1-6任意一项所述的改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述方法在施焊过程中，控制焊丝干伸出长度L与焊丝直径d的关系为L=8*d ~15*d，所述焊丝干伸出长度L、焊丝直径d的单位均为mm。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述方法在施焊过程中，采用对接方式，待焊镀层板间的间隙Δ与待焊镀层板厚度t关系为：

1) t≤1.0mm，Δ=0mm；

2) 1.0＜t≤2.0mm，0*tmm＜Δ≤0.5*tmm；

3) 2.0＜t≤3.0mm，0.5*tmm＜Δ≤0.8*tmm；

对于厚度分别为t1和t2的待焊镀层板，则采用平均厚度t进行选择，即此时t=1/2(t1+t2)。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述待焊镀层板基板可以为低碳及超低碳钢、低合金高强钢、双相钢以及碳素结构钢。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的改善锌铝镁镀层板熔化极气体保护焊焊缝质量的方法，其特征在于，所述方法飞溅率≤1.5%，镀层烧损范围≤3.9mm，焊缝无气孔缺陷，焊缝单轴拉伸时断裂位置发生在母材。

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