林肯电气 焊接工艺在超薄板焊接中的应用

工艺应用背景

随着汽车焊接结构轻量化、结构减重的需求，材料的发展特别是高强度钢超薄板（厚度≤0.8mm）材料的应用、未来轻量化、薄板焊接是汽车焊接结构及骨架发展趋势。


目前高强度板厚已经做到0.8mm板厚，未来更向0.6mm、0.4mm板厚发展，研究适合薄板的焊接方法，确定最佳的薄板焊接工艺，提高焊接一次合格率，提升焊接产品质量，对焊接设备和焊接工艺提出了挑战。


超薄高强钢材料的广泛应用，其焊接特点：易烧穿，材料相变内应力大，焊接变形难控制，这对于电弧焊接工艺提出极大挑战。


工艺介绍

STT ®表面张力过渡

STT®表面张力过渡焊接工艺是林肯电气于1992年推出的有技术专利的薄板焊接工艺，是一种基于高速逆变技术的电流控制的全位置焊接工艺，区别于传统短路过渡，其在熔滴与熔池接触和熔滴脱离焊丝端部瞬间，通过对电流进行精确控制，利用表面张力进行熔滴过渡，从而消除飞溅。其波形如图1所示，即使在100%CO2气体保护情况下，也仅有极少量飞溅。具有低热输入、低飞溅、低烟尘和低成本的特点，在推出后在市场上得到广泛应用。

图1 STT®输出波形示意图

AC-STT®焊接工艺

AC-STT®焊接工艺是林肯电气在STT®波形的基础上，最新开发的应用于超薄板焊接的工艺，其主要是通过林肯先进工艺模块实现极性变换，焊接在DC+和DC-之间转换，通过Balance在0-100%之间设置，调节波形正负半周的比例来实现对热输入的精确控制，“0”代表焊接输出完全在DC-，“50%”表示输出波形在正负半周完全相等，“100%”表示焊机输出完全在DC+，如图2所示。从而使焊缝的热输入得到精确控制，确保在薄板焊接中不烧穿和控制变形。

图2 AC-STT®输入波形控制示意图

AC-STT®焊接模式

AC-STT®针对不同焊丝直径和不同保护气体有四种模式，分别对应于1.0/1.2mm实芯焊丝，100%CO2和氩气二氧化碳混合气，提供差异化的工艺解决方案。如表1所示。


AC-STT®焊接工艺的适用性

对于林肯电气为汽车行业薄板焊接推荐的STT®和AC-STT®焊接工艺而言，对于搭接焊缝，针对不同的板材厚度和不同的搭接间隙，推荐不同的焊接工艺，如表2所示。




AC-STT®焊接工艺在汽车座椅焊接中的应用


项目应用信息

在江森座椅有限公司工厂，座椅靠背骨架项目，靠背骨架两侧侧板采用0.8mm高强钢（980MPa）薄板，骨架上下横梁采用0.8mm高强钢（480MPa）薄板，搭接焊缝，焊缝长度分别在18-42mm之间，焊缝间隙在0.5-1.0mm之间，靠背骨架产品焊缝如图3所示。

图3 汽车座椅靠背骨架焊缝示意图


该汽车座椅骨架焊接工作站由林肯电气自动化部门集成，选用林肯PowerWave系列焊接电源、先进工艺模块、Autodrive S伺服送丝系统和焊接机器人，如图4所示（向左滑动有更多图片），其中先进工艺模块是实现AC-STT®焊接工艺的必备硬件条件，林肯电气根据客户不同需求提供组合式的焊接解决方案。

图4 AC-STT®焊接工艺主要焊接设备

项目主要问题及解决方案

通常汽车座椅骨架产品零件板材厚度在1.0-2.0mm之间，林肯电气成熟的STT®焊接工艺焊接此类焊接结构产品，取得良好的效果。因汽车行业的减重，及汽车轻量化的需求，骨架焊接产品也逐渐开始采用1.0mm甚至以下厚度的高强薄钢，在生产过程中，由于搭接间隙引起的烧穿和咬边等焊接缺陷比较严重，补焊率较高，成本上升。对此，林肯电气向客户推荐最新开发的AC-STT®焊接工艺，对现场进行焊接工艺优化，焊接质量明显提高，如图5所示，在解决大间隙超薄板焊接解决方案上，效果显著。

图5 超薄板大间隙焊缝图



在对骨架项目4个弧焊焊接工作站进行AC-STT®焊接工艺升级后，工厂班组统计的焊接质量结果，显示AC-STT®焊接工艺升级后，骨架焊接产品一次合格率有大幅提升。如表3所示。可以看出，AC STT®在改善焊缝质量及降低补焊率上成效明显。



结论：AC-STT®热输入可以精确控制的波形特性及其焊接热输入量，在超薄板焊接过程中对焊接间隙和焊缝位置的不敏感度，如此既保证焊缝的熔深，又使焊缝不易烧穿；同时因其电弧较冷的特性，使其在较大间隙焊接时避免咬边，在薄板焊接工艺及焊接质量上相比其他焊接工艺具备领先优势。

作者简介：

沈云飞，林肯电气（管理）有限公司自动化实验室经理，专注于林肯电气先进焊接工艺在汽车行业的应用。

臧杰，江森座椅有限公司高级焊接专家，有超过25年的各类焊接工艺开发应用经验，尤其在薄板焊接领域。

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