一、前言
隨著綠色制造理念和結(jié)構(gòu)輕量化要求的推廣，鋁合金作為一種質(zhì)量輕、耐腐蝕、經(jīng)濟(jì)效益好，再生利用率高的結(jié)構(gòu)材料，被廣泛的應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。特別是車輛載重的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)馬力的加大，汽車對(duì)油箱的容積也在不斷的加大。傳統(tǒng)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(zhǎng)，而且無(wú)需涂裝，現(xiàn)已廣泛應(yīng)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(xiàn)未熔合、氣孔等焊接缺陷，給鋁合金的油箱生產(chǎn)帶來(lái)一定的困難。麥米電氣的DEX PM3000熔化極惰性氣體脈沖保護(hù)焊，由于采用全數(shù)字化軟件控制，逆變頻率達(dá)到180KHZ,焊接電弧穩(wěn)定，對(duì)金屬無(wú)氧化，且焊絲作為電極，具有熔覆效率高,焊接鋁合金時(shí)可以采用雙脈沖，焊接變形小焊接成型好，同時(shí)由于采用脈沖的強(qiáng)弱電流弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)，對(duì)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(zhì)量，故脈沖氣體保護(hù)焊在鋁合金油箱是普遍采用的焊接方法。
對(duì)于汽車鋁合金油箱自動(dòng)MIG焊接過(guò)程中，在油箱的頂部環(huán)焊縫上，容易出現(xiàn)較嚴(yán)重的未熔合、氣孔等質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)行分析。通過(guò)生產(chǎn)跟蹤及現(xiàn)場(chǎng)的工藝實(shí)驗(yàn)，確定了影響焊接質(zhì)量的主要因素是自動(dòng)焊專機(jī)的焊槍角度、強(qiáng)弱脈沖的弧長(zhǎng)、占空比、頻率的變化狀態(tài)。在焊槍傾角小于30°或焊絲干伸超過(guò)20㎜時(shí)，容易出現(xiàn)焊接缺陷。強(qiáng)弱脈沖及占空比不合適時(shí)焊縫容易焊穿或焊縫偏高等問(wèn)題。在對(duì)焊接工藝參數(shù)及焊槍角度、設(shè)備結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整改進(jìn)后，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(zhì)量問(wèn)題
鋁合金油箱的方形結(jié)構(gòu)，油箱主體由方形筒體和兩個(gè)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(zhì)為5052鋁鎂合金板。方形筒體又鋁合金通過(guò)輥壓成型，然后焊接而成。筒體的對(duì)接焊縫，目前在自動(dòng)化專機(jī)采用MIG雙脈沖工藝焊接，能夠保證焊接質(zhì)量。但是采用相同的工藝，焊接油桶的方形端蓋時(shí)，容易出現(xiàn)未熔合氣孔及焊樓工件等問(wèn)題。如圖一；油箱端蓋及筒體環(huán)縫的一次合格率為75%，不合格率25%，不僅需要大量的氬弧補(bǔ)焊而且焊縫的成型及二次滲漏風(fēng)險(xiǎn)也非常高。
圖 1 油箱端蓋與筒體焊縫上的焊接質(zhì)量問(wèn)題
油箱端蓋采用輥壓縮口工藝，成型完畢與油箱桶對(duì)接，縮口部分插入筒體內(nèi)，形成環(huán)形的搭接接頭。環(huán)形焊縫采用雙脈沖自動(dòng)MIG專機(jī)焊接，單層單道焊縫，兩側(cè)環(huán)縫同時(shí)同向施焊，具體焊接參數(shù)見表1。焊接過(guò)程中焊槍固定，油箱隨變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于油箱為圓角方形結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，焊槍的傾角和電弧長(zhǎng)度隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，因此在焊接過(guò)程中。需要焊接操作人員及時(shí)熟練的人為調(diào)整焊槍角度及高度，以保證焊槍傾角和電弧長(zhǎng)度在合適的范圍內(nèi)。
表 1 鋁合金油箱環(huán)形焊縫的 MIG 脈沖焊接參數(shù)
| 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(zhǎng) |
占空比% |
頻率
HZ
|
| 搭接 |
80 |
17.5 |
60 |
40% |
0 |
50% |
1.5 |
備注；采用1.2㎜焊絲，材質(zhì)ER5356 鋁鎂，保護(hù)氣體99.99%Ar
三、鋁合金油箱的工藝分析
1、在油箱筒體與端蓋焊接前，端蓋經(jīng)過(guò)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(duì)接裝配后，圓角附近的裝配間隙最大。但經(jīng)過(guò)生產(chǎn)跟蹤，成型褶皺一般出現(xiàn)在內(nèi)縮口部分，對(duì)裝配間隙影響有限，且最大裝配間隙不超過(guò)2㎜經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證， 2 mm 以下的間隙量對(duì)焊接質(zhì)量影響不大。 即端蓋與筒體的裝配間隙控制在 2 mm以內(nèi)時(shí)， 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(dòng)焊專機(jī)的變位器上。 開始焊接前， 操作人員一般用紗布蘸無(wú)水乙醇將待焊區(qū)擦拭一遍， 目的是去除待焊區(qū)的油污。 但焊接開始時(shí)并不能保證無(wú)水乙醇已完全揮發(fā)， 特別是流進(jìn)裝配間隙中的乙醇， 一旦有殘留， 很容易使焊縫產(chǎn)生氣孔。因此焊接前用無(wú)水乙醇待焊區(qū)能否改善焊接質(zhì)量值得質(zhì)疑。雖然制造燃油箱的鋁合金板材表面有一層塑料保護(hù)膜保護(hù)， 但在制造過(guò)程中保護(hù)膜已破損，油箱焊接裝配前會(huì)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(huán)形焊縫施焊前， 并沒(méi)有對(duì)環(huán)縫待焊區(qū)及環(huán)縫與筒體直縫交疊處進(jìn)行機(jī)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(huì)影響環(huán)縫的焊接質(zhì)量。油箱的自動(dòng)焊過(guò)程中，由于焊接專機(jī)的焊槍機(jī)構(gòu)和變位器分立， 二者的運(yùn)動(dòng)不相關(guān)， 加上油箱的方形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 使油箱隨變位器作勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)， 油箱與焊槍接觸處的線速度、 周半徑和法線在時(shí)刻變動(dòng)， 即實(shí)際的焊接速度、 焊絲伸出長(zhǎng)度 （干伸長(zhǎng)） 及焊槍傾角 （焊絲與工件接觸處切線的夾角） 在時(shí)刻變動(dòng)中。 這些不確定的工藝參數(shù)必將影響焊接質(zhì)量。 為了降低這些不確定工藝參數(shù)的影響， 焊接過(guò)程中由操作人員手工實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍高度和傾角， 這就會(huì)失去自動(dòng)焊的優(yōu)勢(shì)。
2、焊接參數(shù)分析
主要焊接參數(shù)中，除表 1 給出的參數(shù)外，還有焊槍傾角、 焊絲干伸長(zhǎng)等參數(shù)值沒(méi)有確定。 根據(jù)目前生產(chǎn)燃油箱所使用的自動(dòng) MIG 焊專機(jī)構(gòu)造來(lái)看， 焊槍是固定的， 其姿態(tài)事先已設(shè)置好， 與工件的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)， 可推斷出焊槍傾角 α、 焊絲干伸長(zhǎng) l 和焊接線速度 v 隨工件 （燃油箱） 的運(yùn)動(dòng)會(huì)呈周期性變化， 簡(jiǎn)化后的示意圖如圖 2 所示。當(dāng)焊接變位器帶著裝夾好的待焊油箱， 從位置 P經(jīng) P′轉(zhuǎn)動(dòng)至 P" 的過(guò)程中， 焊絲與油箱的接觸點(diǎn)會(huì)由點(diǎn) A 經(jīng)點(diǎn) B 再移動(dòng)至點(diǎn) C。 這個(gè)過(guò)程中 ，焊絲干伸長(zhǎng) l 會(huì)先變短后變長(zhǎng)，而焊槍傾角 α 相應(yīng)地先變大后變小 （α→α′→α"）， 焊接線速度 v也會(huì)變化。 考慮到實(shí)際油箱截面形狀并非嚴(yán)格的方形， 而是四個(gè)直邊稍有突出的 “鼓形”，所以截面邊線上各點(diǎn)到中心的距離差沒(méi)有示意圖中那么大， 即焊接速度 v 的變化有限。 焊接過(guò)程中，焊槍傾角 α 和干伸長(zhǎng) l 的變化較大，保護(hù)氣就難以達(dá)到保護(hù)效果，對(duì)焊接質(zhì)量的影響也就大.
為了驗(yàn)證鋁合金燃油箱焊接過(guò)程 中各項(xiàng)不確定工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響， 進(jìn)行了一系列工藝試驗(yàn)， 結(jié)果證明， 當(dāng)焊絲與油箱的接觸點(diǎn)位于方形油箱直邊中心位置附近時(shí) （見圖 2 中 P" 位置）， 焊槍傾角 α 將小于 30°， 焊絲干伸長(zhǎng) l 超過(guò)20 mm， 出現(xiàn)未熔合或氣孔的概率超過(guò) 50%。 而鋁 合 金 MIG 焊 合 適 的 工 藝 參 數(shù) 中 ， α 是 75°～80°， l 是 12～18 mm[8-11]。 所以， 未熔合與氣孔往往出現(xiàn)在焊槍越過(guò)油箱圓角行至直邊中心的過(guò)程中， 該處也是焊接操作人員人為干涉焊槍姿態(tài)的位置。
三、設(shè)備改進(jìn)與工藝調(diào)整
根據(jù)以上分析， 該鋁合金油箱的整個(gè)焊接生產(chǎn)過(guò)程中， 工藝上存在諸多不合理之處， 因此對(duì)工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整， 對(duì)自動(dòng)焊設(shè)備進(jìn)行合理的改進(jìn)。
（1） 要排除不確定工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響， 就要改造目前的焊接設(shè)備。 最好的辦法是引進(jìn)焊接機(jī)器人工作站， 但考慮到經(jīng)濟(jì)性和企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模， 可針對(duì)目前設(shè)備的焊槍機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。將原來(lái)固定的焊槍， 固定在一個(gè)能上下移動(dòng)的從動(dòng)桿上， 從動(dòng)桿的下端裝有一對(duì)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的仿形輪子， 輪子跨坐在環(huán)形待焊區(qū)邊線上， 隨油箱的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)， 同時(shí)推動(dòng)從動(dòng)桿上下移動(dòng)。 改進(jìn)后焊槍與油箱運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)示意如圖 3 所示， 焊槍機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)改進(jìn)后， 待焊油箱自位置 P 轉(zhuǎn)動(dòng)至位置 P′的過(guò)程中， 固定焊槍的從動(dòng)桿在油箱外廓的推動(dòng)下能自由上下伸縮， 焊槍機(jī)構(gòu)整體跟著移動(dòng)， 整個(gè)過(guò)程中焊絲干伸長(zhǎng) l 和焊槍傾角 α 均不會(huì)發(fā)生變化。 即焊槍機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)改進(jìn)后， 焊槍傾角 α 和干伸長(zhǎng) l 兩個(gè)焊接參數(shù)可以確定了。
（2） 除了加強(qiáng)焊材庫(kù)存管控和防潮外， 還需調(diào)整工序。 成形完畢的油箱端蓋在裝配到筒體前， 就用無(wú)水乙醇將端蓋的待焊區(qū)及縮口邊一并擦拭， 除去油污。 待無(wú)水乙醇徹底揮發(fā)后再進(jìn)行裝配。 施焊前對(duì)待焊區(qū)進(jìn)行機(jī)械清理。 需用砂紙打磨筒體直縫的兩端部， 保證環(huán)縫與直縫交疊處的焊縫余高不至過(guò)大， 減小其對(duì)焊絲干伸長(zhǎng)和保護(hù)氣流的影響， 然后整體打磨一遍環(huán)形焊縫的待焊區(qū)，最后用毛刷掃除磨屑和灰塵。然后再執(zhí)行焊接
四、結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)工藝和設(shè)備改進(jìn)， 該鋁合金油箱焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率均得到了大幅提高。 解決了批量出現(xiàn)未熔合和氣孔的焊接質(zhì)量問(wèn)題， 一次焊接合格率從 75%以上提高到98%以上。 生產(chǎn)效率得到大幅度提高， 原來(lái)一臺(tái)自動(dòng)焊專機(jī)由的兩名焊接人員操作， 改進(jìn)后一名焊接人員可以操作兩臺(tái)自動(dòng)焊專機(jī)。
