简介：近年来，汽车产业为提高长期质量和以轻量化为目的推广薄板，钢板的镀锌化率持续提高。但是和普通钢板相比，镀锌钢板的焊接性很差：一是焊接时由于锌蒸发造成的气孔缺陷（包括出现在焊道表面的凹坑和残留在焊道内的内部气孔）；二是锌蒸汽吹动熔滴和熔池，造成飞溅过多（图1）。对这些问题，以前进行了很多焊接材料或电源方面的改进，但是，还远谈不上同时解决抗气孔性和飞溅问题。特别是气孔缺陷，虽然推测是钢板重叠部分电镀层产生的锌蒸汽侵入熔池造成的，但是其发生机理还不明确。
图1焊接镀锌钢板的课题
本文对镀锌钢板搭接角焊缝气孔缺陷进行了动态观察，根据观察结果总结了降低气孔缺陷的方针。进一步，根据研究结果开发了能同时降低气孔缺陷和飞溅量的镀锌钢板新焊接方法J-Solution Zn，下面介绍J-Solution Zn的特征和使用效果。
01 气孔缺陷产生机理
1.1 实验方法
母材为板厚2.3mm合金化热镀锌钢板（镀锌量45 g / m2），用点焊保证钢板重叠部分紧密接触（图2），避免锌蒸气从钢板间隙排出。采用表1所示规范进行MAG焊接，分析焊接位置对凹坑及气孔的影响。使用帧速率6000fps高速摄影机观察熔池表面，同时使用帧速率500 fps高亮度X射线成像仪（大阪大学接合科学研究所设备）动态观察熔池内部气孔形成现象（图3）。
表1焊接规范
母材
镀锌钢板（镀锌量45 g / m2）
接头类型
搭接接头（间隙0mm）
焊丝
JIS Z 3312 YGW 15 Ф1.2mm
保护气
80%Ar+20%CO2(20L/min)
焊接方法
脉冲MAG焊
干伸长
15mm
焊接速度
100cm/min
送丝速度
7.3m/min
电弧电压
18～30V
焊接位置
平焊、下坡焊30°
图2搭接角焊示意图
图3 X射线成像系统概要图
1.2气孔缺陷的观察
从经验可知，气孔缺陷受焊接位置影响很大。平焊及下坡焊时凹坑和内部气孔的数量分别如图4和图5所示。可以看出，下坡焊时凹坑和内部气孔明显增多。高速摄影机观察熔池表面状态结果如图6所示。图6（b）为下坡焊，镀锌层蒸发产生的锌蒸汽通过电弧后方的熔池内部逸出时，凹坑和内部气孔会大量容易；而图6（a）为平焊，锌蒸汽在电弧正下方逸出，不但很难出现凹坑，而且内部气孔数目也会减少，且这种倾向不受焊接电流电压变化影响。下坡焊的特征是熔池会领先电弧位置，本实验结果表明，电弧正下方的下陷现象和气孔缺陷形成有很大关系。
图4焊接位置对凹坑的影响
图5焊接位置对内部气孔的影响
图6用高速摄像观察熔池表面
根据上述理论，为确认电弧正下方的气孔缺陷形成现象，使用高亮度X射线成像仪动态观察熔池内部气孔形成行为，结果如图7和图8所示。使用该装置得到鲜明的透射影像，帧速率500 fps可以清晰观察气泡的形成和长大现象。气泡均以钢板重叠部分为起点开始长大，其起点全部在电弧正下方非常薄的熔融金属层下形成，即没有电弧稍后方突然出现气泡起点的现象。
另外，大量的锌蒸汽通过电弧正下方及稍后方的下陷部分逸出。如图7（a）箭头指示位置形成的气泡经过4ms后逸出熔池而消失（如图7（b）），还有8ms之后再次形成的气泡（如图7（c））在12ms后消失（图7（d））。对应观察熔池表面的影像如图7（e）、（f）所示。如此电弧正下方气泡反复形成和消失，如果气泡起点被保留到后面，则气泡不可能完全消失。如图8（a）箭头指示位置长大的气泡在4ms后开始逸出，但起点处保留了部分气泡（图8（b）），8ms之后又开始继续长大（图8（c）），即起点被保留到后方，这时几乎都会出现内部气孔或凹坑。此外，图9给出了下陷深度和内部气孔数的关系，X射线得到动态影像表明电弧正下方的下陷深度变大，气孔数减少。
图7气泡通过电弧正下方熔池逸出
图8气泡未通过电弧正下方熔池逸出形成内部气孔
图9电弧正下方的熔池下陷深度和气孔缺陷的关系
如此，接头间隙为零时最终的气孔缺陷量，由电弧和熔池的相对位置决定。为控制气孔缺陷，应保持电弧正下方的熔融金属层非常薄，锌蒸汽可以通过熔池逸出，从而大幅减少气孔缺陷。
02 减少气孔缺陷的研究
观察结果表明，要减少气孔缺陷，关键是让锌蒸汽在电弧正下方逸出。为此，应采取措施限制电弧正下方熔融金属流入，露出母材表面。电弧正下方的熔池形状，受电弧力和熔融金属的旋流平衡影响（如图10）。所以从两点出发：（a）抑制熔池金属流动，对熔池受力进行平衡控制，以及（b）增大电弧力，增加电弧正下方的下陷深度。其具体措施，从构成MAG焊基础的焊丝、保护气以及焊接电源电流波形控制等方面进行了研究。
图10减少气孔缺陷的新方针
2.1焊丝的研究
电弧正下方的熔融金属的流动受重力影响，可以用增加表面张力的方法进行控制。熔融金属的表面张力受焊丝化学成分影响，这其中硫族元素O和S的影响特别突出。因此，重点选择便于控制的S进行实验研究。
另外，增加电弧力必须采用高电流。而降低焊丝电阻，减少焊丝伸出部分产生的电阻热效果更加理想。焊丝电阻也受化学成分影响，控制影响最大的Mn元素量进行实验研究。
2.1.1实验方法
改变S元素及Mn元素含量试制焊丝如表2所示。一般S含量少表面张力大，所以焊丝3的表面张力最大；此外，Mn含量少焊丝小，所以焊丝4电阻最小。使用以上焊丝，研究电弧正下方的母材露出部分。
表2试制焊丝的化学成分（mass%）
C
Si
Mn
P
S
焊丝1
0.03
0.92
1.36
0.008
0.057
焊丝2
0.05
0.56
1.12
0.003
0.014
焊丝3
0.05
0.76
1.25
0.008
0.004
焊丝4
0.05
0.72
0.60
0.009
0.005
采用容易出现气孔缺陷的下坡焊30°进行3次焊接，目测凹坑数，射线检测（RT）内部气孔数。
2.1.2控制焊丝成分降低气孔缺陷
各试制焊丝的内部气孔数（3次平均值）如图11所示。S含量越低（表面张力越高），气孔越少，特别是直径1.5mm以上的粗焊丝效果最明显。此结果表明，应尽量少添加表面活性元素S，可以有效提高表面张力。焊丝4Mn含量低，气孔数比相同S含量的焊丝3更低。由于焊丝电阻下降，为保持焊丝熔化速度必须增加电流，所以电弧力变大了。使用高速摄影机拍摄了同样下坡焊30°焊丝 1（低表面张力）及焊丝4（高表面张力、低电阻）的熔池形状（图12）。焊丝1表面张力小，所以受重力影响熔池前端距离大；表面张力大的焊丝4熔池前端距离小，下陷深度也大。熔融金属受电弧力作用被推向后方和重力抗衡保持其形状，不会流入电弧正下方。这表明样，抗气孔性有效的焊丝成分为低S -低Mn系。
图11各试制焊丝的内部气孔数
图12不同焊丝电弧距熔池前端距离比较
2.2保护气的研究
保护气对电弧形状影响很大。保护气为Ar和CO2混合时，CO2越多由CO2分解反应的冷却效果导致电弧越紧缩。由此电弧范围变窄电弧力集中，即电弧的电流密度变高，增加了电弧正下方的下陷效果。
2.2.1实验方法
为验证上述理论，即CO2气体比率的效果，采用脉冲MAG焊，使用YGW 15焊丝（φ1.2mm），分析80% Ar + 20% CO2和70% Ar + 30% CO2两种混合气体的气孔缺陷量。缺陷测量方法和2.1节相同。
2.2.2控制保护气构成降低气孔缺陷
图13给出了保护气构成和气孔数的关系。一般使用80% Ar + 20% CO2 时气孔达40个以上，而增加CO2气体比率为70% Ar + 30% CO2时气孔约14个。此外，高速摄影机拍摄了不同保护气的熔池形状如图14所示，可以看出保护气70% Ar + 30% CO2比80% Ar + 20% CO2熔池下陷深度大。由此确认增加CO2气体比率可以增加电弧力，能保持合适的下陷深度，提高抗气孔性。不过，当CO2气体超过30%时飞溅增多，工艺焊接性显著恶化。因此，实际施工时CO2气体比率上限就是30%。
图13保护气构成对气孔缺陷的影响
图14保护气构成和电弧造成熔池下陷深度的关系
2.3焊接电流波形的研究
使用低频重叠脉冲波形，调节频率及峰值电流，使电弧力大小变化，研究对气孔数的影响，如图15所示。
图15低频重叠脉冲造成熔池振荡
2.3.1实验方法
使用YGW 15（φ1.2mm）焊丝，保护气构成采用具备降低气孔效果的70% Ar + 30% CO2。低频重叠脉冲的频率为0～30 Hz范围。
2.3.2控制电流波形减少气孔
图16给出了气孔数和频率的关系。使用低频重叠脉冲焊接，观察到频率为10 Hz和20 Hz时熔池产生较大的振动。这种振动促使电弧正下方母材露出促进锌蒸汽逸出，可以认为10 Hz及20 Hz比普通脉冲，气孔变少了。
图16频率和气孔的关系
03 减少飞溅的方法
如图1所示，焊接镀锌钢板很容易发生飞溅。进而，为提高抗气孔性使用更高比例CO2，更增加了飞溅倾向。这是由于锌蒸汽产生及增加CO2气体比例，使熔滴滞留在焊丝前端长大为大滴，难于脱离。因此，研究了让熔滴顺利脱离的方法，通过提高第一峰值电流降低第2峰值电流增加脱离力的2段脉冲波形（图17）及采用细径焊丝提高熔滴脱离性。
图17 2级脉冲波形的形状和参数
3.1试验方法
采用70% Ar + 30% CO2保护气，比较普通矩形脉冲和2级脉冲波形的熔滴过渡。此外，还比较了焊丝直径φ1.2毫米和焊丝φ1.0毫米。
3.2 2级脉冲波形和细径焊丝的降低飞溅效果
图18 给出了采用70% Ar + 30% CO2保护气，普通矩形脉冲和2级脉冲波形的电弧形状。普通矩形脉冲的峰值电流固定，电弧发生位置低，电磁收缩力对焊丝熔融部分作用不明显，熔滴过渡不稳定。熔滴受锌蒸汽吹动飞散到熔池外面，或者熔滴不能脱离形成短路过渡造成飞溅。而2级脉冲波形电弧发生位置高，熔滴长大、脱离都很稳定，所以很少发生飞溅。
图18普通脉冲和2级脉冲波形的电弧形状比较
此外，焊丝直径细，熔滴细化趋势高，而且电流密度增加电磁收缩力提高了溶滴脱离性。由此使熔滴更快脱离成为可能，特别是脉冲焊接峰值电流时电磁收缩力强，比普通焊接CO2比例更高的70% Ar+30% CO2保护气也能顺利实现熔滴过渡。
保护气构成和焊丝直径对飞溅量的影响如图19所示。使用普通矩形脉冲、焊丝直径φ1.2mm、普通保护气（80% Ar + 20% CO2），飞溅量约1.1 g / min。使用70% Ar + 30% CO2保护气，飞溅量增加到约1.4 g / min。而使用2级脉冲波形和φ1.0mm焊丝，即使保护气使用70%Ar + 30% CO2，飞溅量也仅为0.4 g / min，和传统方法相比飞溅量大幅减少。
图19保护气和焊丝直径对飞溅量的影响
04 开发的新焊接方法“J - Solution Zn”
新开发的镀锌钢板焊接方法“J - Solution Zn”如图20所示，具备抗气孔性和低飞溅效果：
① 保护气使用70% Ar + 30% CO2；
② 使用新开发的低S -低Mnφ1.0mm焊丝“FAMILIARC MIX- Zn”；
③ 搭载DAIHEN公司脉冲MAG·MIG焊接电源“DIGITAL PULSE DP 400 R”具备低频重叠脉冲和2级脉冲波形控制。
对比了“J - Solution Zn”方法和按照表1传统方法的气孔数和飞溅量，结果如图21、22所示。可以看出J - Solution Zn方法在提高抗气孔性的同时实现了低飞溅。
图20 J - Solution Zn的构成
图21 J - Solution Zn的抗气孔性
图22 J - Solution Zn降低飞溅效果
05 结论
观察了镀锌钢板焊接时的气孔形成现象，据此开发了“J - Solution Zn”焊接方法，可以同时减少气孔缺陷和降低恶化工艺焊接性的飞溅量。
来源：焊接技术
