技术 | 汽车CMT焊焊接质量分析与控制

宋洋sy 2019-09-02

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来源：期刊—机电技术

作者：谭立勇于洪辉

（上汽大众汽车有限公司仪征分公司）

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摘要：上汽大众仪征分公司车身车间车体结构钎焊部分，采用的是CMT焊接工艺。文章简要介绍了CMT焊接原理，重点分析了CMT焊的焊接工艺，并通过现场实践来验证焊接参数对焊接质量的影响，同时优化焊接参数，以满足焊接工艺要求。CMT焊接技术主要用在薄板焊接，可以减小焊接变形、提高焊接速度，还可以减少零件搭接的宽度、减轻零件的重量，且可以使零件获得更好的碰撞强度和整车刚性，符合汽车车身结构朝着减轻整车重量、降低制造成本的发展要求。

关键词：CMT焊接；焊接工艺；焊接质

为了保障车身结构防腐抗蚀和更好的车身强度，上汽大众汽车车身普遍使用镀锌板和高强度钢，其中高强度钢占比约76%，镀锌板材（含大部分高强度镀锌钢板）占比约95%。镀锌是一种常用的经济而有效的防锈方法。目前，镀锌钢板作为最具前景的材料而越来越被汽车厂家所重视，大量使用在车顶、侧围、底板、门盖等防腐要求高的区域。

为提高车身结构的稳定性和使车身具有更强的车身强度，焊接从业者开发了多种车身焊接工艺。目前车身采用的焊接方法主要有电阻点焊、钎焊、激光焊、铆接焊，其中镀锌钢板多采用钎焊电弧焊焊接。然而，因为锌的熔点约为420℃、沸点约为908℃，由于普通钎焊温度较高、电弧温度约为3100～4000℃，焊接时必然会使大量的锌蒸发，从而产生各种各样焊接缺陷，并破坏了镀锌层的抗腐蚀性能。针对这个问题，低热输出的CMT钎焊应运而生。

CMT钎焊是在普通钎焊的基础上，开发出的一种更先进的MIG/MAG焊焊接工艺。它采用低熔点（大约1000～1080℃）的铜基焊丝，焊接时发热量低，同时将板材镀锌的蒸发量也降至最低，因此可以有效的提高焊缝的抗腐蚀性能（铜基焊缝也耐腐蚀），从而确保了镀锌板更好的焊接，避免了多种焊接缺陷。

1 CMT焊接原理介绍

CMT是Cold Meatal Transfer（冷金属过渡）的缩写，CMT焊接与传统的MIG/MAG钎焊相比，热输入量更小。普通MIG/MAG焊，由于热输入量大，不可避免的会导致板材变形严重、焊接飞溅等缺陷，因此其在1mm以下板材的焊接场合无法应用。而CMT钎焊的焊接发热量比MIG/MAG钎焊降低约25%，焊接板材的变形大大减少；同时，均匀一致的焊缝、最小化的焊接飞溅，也降低了焊后返工的几率。

上汽大众汽车有限公司仪征分公司车身车间所有自动MIG/MAG焊焊接设备，采用的都是奥地利fronius 公司提供的CMT 焊机。产品示意图如图1所示。焊机的焊接参数，包括焊接电流、焊接电压、送丝速度等，以程序号的形式分组存储在CMT控制面板里面；机器人在自动焊接时，由机器人控制，按照机器人预设定的焊接轨迹，调用程序号焊接；CMT本体按照设定好的参数，通过控制送丝系统将焊丝输送到焊枪端，焊丝接触工件起弧焊接，来达到焊接车身的目的。其焊接优势如下：

1）送丝系统与熔滴过渡的数字化协调。当焊机主机监测到一个焊接短路信号，就会反馈给送丝机，送丝机作出回应，并迅速回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离。在全数字化焊机的控制下，这种熔滴过渡的焊接方式与传统的焊接方式完全不同。

2）低热输入量：CMT焊接技术实现了无电流状态下的熔滴过渡。当焊丝接触工件时，CMT焊接系统就会自动监控到短路过渡的过程，在熔滴过渡时，电源将电流降到几乎为零，因此热输入量也几乎为零，此时焊丝停止前进并自动地回抽。在这个过程中，电弧自身输入热量的时间很短。短路发生时，电弧即刻熄灭，热输入量也迅速地减少。整个焊接过程在冷热交替进行，如图2所示。

3）无飞溅过渡：在短路状态下焊丝的回抽运动帮助焊丝与熔滴分离。通过控制焊接短路状态，来保证短路电流最小，焊枪马达对焊丝的高速回抽运动保证了焊丝熔滴的正常脱落，同时避免了普通MIG/MAG焊极易引起的飞溅，从而使熔滴过渡焊实现焊接无飞溅。这是CMT焊接的关键技术。

上汽大众仪征分公司车身车间大量使用TPS3200 CMT焊接设备，应用于车身MIG和MAG焊接。MAG焊接用于底板区域，焊接中央通道和轮罩，MAG焊接使车身拥有更高的强度。MIG焊应用于底板部分区域、总拼和侧围工段，可以使焊接车身外表美观，车体焊接后不易变形，同时还具有更好的防腐蚀作用。

2 CMT焊接工艺分析与实验

CMT 焊具有更高的焊接速度。CMT过渡焊使电弧不停的燃烧、熄灭，每1s产生70多次的高频率运动，而电弧每重新引燃一次就修正一次电弧，保持电弧的稳定性，在干伸长或焊接速度改变的情况下，电弧长度也能保持一致。这样就保证了CMT电弧的稳定性，即使在焊接速度极快的前提下，也不会出现断弧的情况。

影响焊接质量的主要因素有：焊接电流；焊接电压；焊接速度；焊枪姿态；保护气体流量；其他参数。影响焊接效果的因素还有很多，如角型材料的焊接角度及焊接位置等。

2.1 焊接电流的变化对焊接质量的影响

其他焊接条件固定不变时，增大焊接电流将会产生如下影响：增加熔深深度和宽度、增加熔敷率、增加焊缝截面的尺寸。

由图3可见，增加焊接电流可以增加熔深。对于较厚的焊接板材，一定要适当增大焊接电流，才能得到更好的焊接质量；而薄板材如果使用大的焊接电流，则可能会烧穿。

2.2 焊接电压的变化对焊接质量的影响

其他焊接条件不变，与弧长相关的电弧电压在适当的电压范围内改变时：随着电压的增加，焊缝外观会变得平坦、宽度变宽；但是电压过高会造成焊接缺陷，如气孔、飞溅、咬边等。降低电压会使焊缝变窄、余高变高、熔深变宽；但电压过低会造成焊丝尖端进入熔池，使电弧熄灭而无法焊接。

2.3 焊接速度的变化对焊接质量的影响

随着焊接速度的增加，单位时间进入母材的热量减少焊缝截面形状变小。因此，焊接速度要与焊接电压和焊接电流相匹配，才能得到合格的焊接质量。

焊机的焊接速度由机器人焊接轨迹的运行速度来决定：机器人焊接轨迹运行的速度越快，焊接速度越快，则焊缝就越细。因此，经过多次的焊接实验，寻找焊接节拍和焊接质量的平衡点，最终仪征车身车间焊接速度设定在80 cm/min左右。

2.4 其他相关要素对焊接质量的影响

2.4.1 焊接角度及焊丝干伸长对焊接质量的影响

根据现场实践，焊枪角度一般设置为0～15°（见图6）。设置角度过大，直接表现为焊枪的喷嘴边缘与车身的距离变小，因此在车身尺寸的某个部位出现匹配偏差较大时，就会出现喷嘴与工件干涉的情况，从而导致焊接报故障、停止焊接。

焊丝的干伸长也要设置合理，大约为15 mm（见图6）。根据现场经验，干伸长设置为10～13 mm之间，为焊接最稳定干伸长。如果干伸长过长，焊接时就会发生引弧失败的情况。

2.4.2 保护气体对焊接质量的影响

保护气体量不宜过大，也不宜过小，需要根据现场实践来调节。如气体量过大，焊接熔池会被吹散，且焊缝会有气孔产生；保护气体量过小，无法起到最佳保护效果，也会容易产生气孔（见图7a）。

在车身车间，保护气体量是固定的，如果出现由保护气体导致的焊接缺陷，大多是由于气体保护管路出现问题。还有就是喷嘴焊渣过多（见图7b），致使保护气体量不足。由于在使用过程中，MAG焊会产生很大的飞溅，容易将喷嘴堵塞，减少保护气体流量，所以要定时使用清枪器清理焊枪喷嘴内的飞溅焊渣，并喷洒防溅液。

2.4.3 机器人焊接轨迹优化对焊接质量的影响

如果焊接节拍允许的话，还可以采用机器人摆动编程轨迹，可以更好的优化焊接质量。由于底板存在零件之间匹配偏差情况，会经常出现实际焊接位置与需要焊接位置有偏差。如果节拍允许，可以将直线轨迹改为摆动轨迹，这样，焊接时对板材匹配的容错能力就变大了，即使零件尺寸出现一些小的波动，也能保证焊接质量。机器人运行轨迹可以设置成三角形、梯形、不对称梯形、螺旋形等，如表1所示。