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浅谈汽车维修中的无电焊接技术及发展

作者:2016-11-22 17:20文章来源:未知
  1 引言
  焊接技术是汽车制造过程和汽车维修的一项关键技术,尤其是车身焊接被国内汽车制造企业视为车辆制造的四大工艺之一。整个汽车的白车身以及发动机变速箱等零部件的生产,都离不开焊接技术的应用。目前汽车制造和维修行业所用的焊接方法,主要有电阻焊(点焊、凸焊为主)电弧焊(MIG/MAG 焊TIG 焊、CO2 焊等)以及激光焊等其他一些焊接方式。
  随着焊接技术的发展,人们对特定条件下材料的加工和维修提出了更高要求,如野外条件下汽车的应急维修,汽车各结构件、箱体、管路等零部件使用中出现的故障,比如结构裂纹,连接裂缝,管路、箱体的跑、冒、滴、漏等,将严重影响汽车的使用性能。通常情况下,这些受损件采用焊接方法进行修复,传统的焊接方法离不开焊接电源和笨重的储气瓶,严重影响汽车的机动抢修和快速抢修,在高寒、高温、缺氧等恶劣条件下,这些传统的应急维修方法更无法施展。而无电焊接技术的应用,对特殊环境下材料和设备的焊接维修具有重要作用。相对于电弧焊、气焊等传统的焊接技术,便携式无电焊接不需要电源、储气装置或其他设备,携带非常方便;不需要特殊的技术培训,操作简单;在特殊环境甚至恶劣工作条件下,能够实现方便、高效、节能的原位快速加工和维修,是一种结合了焊接和自蔓延高温合成的新型技术,相对于常规的焊接方法和传统的自蔓延焊接更加简单便携。
  2 便携式无电焊接技术
  无电焊接又称为自蔓延焊接,它将专用焊接材料制成专用手持式焊笔,焊笔一经点燃,不需要电源,也不需要气源,仅依靠焊接材料燃烧放出的热量就能进行焊接。即以化学反应放出的热为高温热源,以反应产物为焊料,在焊接件间形成牢固连接,简称无电焊接。
  自上世纪由苏联科学家确立自蔓延技术以来,自蔓延技术与其他许多传统技术相结合形成了许多新型技术,自蔓延焊接技术属于其中一种。自蔓延焊接技术是在待焊接的两块材料之间填进合适的燃烧反应原料,以一定的压力夹紧待焊材料,待燃烧反应过程完成后,即可实现两块材料之间的焊接。这种焊接作为一种特殊焊接工艺,主要用于焊接:①同种或异种一般金属材料;②同种或异种难熔金属材料;③同种或异种陶瓷材料;④同种或异种金属间化合物;⑤金属或金属间化合物与陶瓷材料。其中,对于一般金属材料无电焊接的研究较多且得到了广泛的应用。无电焊接技术作为自蔓延焊接技术的一种,它克服了自蔓延焊接技术点火模式和真空压力等工艺参数对焊接过程的影响,焊接过程大大简化。
  国内近几年对无电焊接技术也进行了大量研究,主要集中在对焊接材料的配比、粒度、压坯密度等参数及焊接工艺稳定性进行试验,同时对被焊材料的厚度、种类及部位等也进行了一定的研究。2006 年研制出了可焊接6mm~10mm 钢结构件的无电焊接笔,对无电焊接中所使用的无电焊接笔的结构、焊笔的制备以及焊接工艺等方面进行了优化试验;对焊笔的引燃方式、燃烧机理、熔渣、焊缝组织、焊接缺陷(如气孔、裂纹)以及熔渣与焊缝组织的分离保护、焊缝组织与焊接母材界面的结合强度等方面也进行了深入的分析试验。目前,国内生产的可焊接6mm~10mm 钢结构件的无电焊接笔的技术指标已达到相当水平,能焊接低碳钢、低合金钢、中碳钢、合金钢、不锈钢等材料,其焊缝抗拉强度可达300MPa。
  2.1 无电焊接技术的主要特点
  (1)焊接简单方便,工作效率高。无电焊接技术焊接时不需要任何电源和其他设备,只要用明火点燃焊笔,仅仅依靠混合粉末燃烧反应放出的热量就能进行焊接,效率高,小巧轻便,操作简单,单人即可完成。在紧急条件下,可快速简便地对汽车零部件损伤进行焊接。
  (2)焊接效果好,焊缝性能优良。无电焊接是一种熔焊焊接,焊缝抗拉伸强度介于200MPa~300MPa,弯曲强度介于300MPa~700MPa,冲击韧性介于16J/cm2~55J/cm2,硬度介于120HRB~180HRB,抗腐蚀性要优于45# 钢,能有效满足汽车应急维修需要。
  (3)适用范围广。无电焊接技术可对汽车上的多种零部件进行焊接修理,已经在多个汽车零部件上(水箱、油箱、水管、油管、排尘管、电瓶连接线、拉杆等)进行了应用,焊接效果良好,能够满足使用要求。
  (4)有一定的局限性。无电焊接技术目前已可焊接10mm 之内的结构件,但焊接的金属材料尚不广泛,目前主要焊接钢、铜等结构件,还不能焊接铝、钛等结构件。
  2.2 无电焊接笔的结构与成分
  2.2.1 结构组成及作用
  无电焊接笔由焊药、包裹焊药的纸管、分别装于焊笔前端和末端的引火帽和堵头、外套管五部分组成。焊笔外径通常在Ф16mm~Ф30mm 之间,焊笔长度150mm~600mm,以满足使用要求为准。堵头是焊接夹持的部位,一般为长度15mm~25mm 的金属圆棒,其直径与外壳的内径相同,其作用是焊接时协助夹持焊笔并防止粉状焊药溢出。套管为类似笔帽的塑料管,平时起保护、封装焊笔的作用,焊接时将其摘下固定于焊笔尾部的夹持端,以夹持焊笔进行焊接。焊笔的外壳为圆柱筒形,可以为纸制的,也可由金属制成,主要用于焊笔的成型。引火帽用以引燃焊药发生自蔓延反应,一般由易点燃的药品通过黏结剂成型为直径与焊笔直径相同、长度大约10mm 的短圆柱状,自然风干后安装于焊笔引燃端。引线用来引燃引火帽,可直接由明火点燃。
  2.2.2 成分组成及作用
  焊药是无电焊接笔的核心部分,其化学成分直接影响焊缝金属的组织和性能、焊渣的形态及保护作用、焊接的工艺性等,是焊接质量的决定因素,因而焊药成分是无电焊接笔性能优劣的关键。焊药为多种粉料的混合物,按其在焊接中所起的作用,可以分为以下几种:
  (1)高热剂:能发生燃烧合成反应以提供焊接所需热量的材料,可选用燃烧热大、燃烧温度高的铝热剂,这类高热剂发生自蔓延反应放出大量热量的同时,还生成一定的金属,作为焊缝金属,充填于母材焊缝之中。
  (2)造渣剂:铝热反应放出大量热量生成金属产物的同时也生成大量的非金属成分,在熔池冷却时首先凝固,夹杂于焊缝金属当中,严重影响焊缝的强度和韧性。因此,需要在焊药中添加适当的造渣剂,使其与金属产物有效分离,并形成熔点低、密度低、黏度适宜的焊渣,覆盖在金属熔池上方,使焊缝金属免受空气和水分的侵蚀。
  (3)造气剂:用以造成一定量气体排除大气对熔池的有害作用,保护熔化金属,使焊接时金属焊缝中不出现气孔,同时有助于熔滴过渡。选取适当的造气剂,可实现自保护焊。
  (4)脱氧剂:用以降低熔渣的氧化性并脱除金属中的氧。空气中的氧同熔融金属进行反应生成金属氧化物(氧化铁等),而各种结构钢总是含有一定量的碳,碳同氧化铁进行反应,生成的一氧化碳在焊缝金属结晶时来不及逸出便产生了气孔。因此
  在焊药中需加入一定量的脱氧剂,阻止熔化金属同氧结合,同时防止气孔的产生。
  (5)合金剂:起渗合金的作用,用以向焊缝金属中添加适当的合金元素,以保证焊缝具有良好的力学性能或其他特殊的性能(如耐蚀、耐热、耐磨等),或补充母材在焊接过程中合金元素的烧损。
  (6)稀释剂:稀释剂是不参加燃烧合成反应的惰性添加剂,用来降低焊笔的燃烧速度,以使焊接具有较好的可控性,易于操作。同时防止反应温度过高,以减小对焊接母材的热损伤。
  2.3、无电焊接焊缝组织及性能
  被焊材料为10mm 厚的45# 钢、Q235 钢板,不开坡口,采用对焊形式进行焊接。焊接工艺参数如表1 所列。
  2.3.1 焊缝性能
  无电焊接焊缝及Q235 钢、45# 钢性能比较表。从表中可以看出,无电焊接焊缝的强度和Q235 钢接近,但是要低于45# 钢,这表明焊接焊缝的强度较高,这是由于该种焊接是熔焊焊接,焊缝与基体以冶金结合方式进行结合。这也说明该种无电焊接焊缝的强度比较高,在野外应急情况下的汽车维修中能够满足使用要求。无电焊接焊缝及Q235 钢、45# 钢性能比较表见表2:
  2.3.2 焊缝合金强化机理
  无电焊接的焊缝产物为铜,钢铁与铜的物理性能和化学性能相差极大,熔点、导热系数、线膨胀系数、冶金性能等都有很大的不同,这对焊接来说是不利的因素,容易产生焊缝热裂纹、热影响区铜的渗透裂纹以及焊缝力学性能下降等。为了克服这些不利的因素,需在焊缝中加入合金元素。通过研究,选择镍、硅、钛等作为合金元素,并通过合金元素添加前后焊缝的组织和性能来揭示合金元素的作用。
  2.4 焊接工艺
  无电焊接技术是一种新型技术,其焊接工艺不同于传统的焊接工艺。焊接时,焊接工艺对焊接效果影响很大。由于基材的熔化需要一定的热量以及热量的传递时间,如果焊接速度过快,将导致焊不上或焊接效果不好;如果焊接速度过慢,基材接受的热量太多,将导致基材熔化流失,焊缝中出现较大孔洞,焊接质量不好。
  无电焊接的焊接工艺如下。
  2.4.1 焊接前准备
  (1)准备防护手套、墨镜和打火机,不需任何其他设备和电源、气源。
  (2)焊接前,清理拟焊接部位的脏物、油脂或油漆。
  (3)对较厚焊接件,须在焊接部位进行坡口打磨处理,较薄焊接件则不需要此工序。
  (4)根据被焊零部件的厚度和属性,选取相应的无电焊接笔。
  2.4.2 焊接工艺
  (1)取出焊接笔,用打火机点燃引信,将燃烧的焊接笔头部对准待焊部位,经过2s~4s 后在被焊部位进行焊接,根据被焊材料的厚度沿焊道缓慢移动,确保金属液充分滴落和覆盖在焊缝处,经过20s~25s 即可获得100mm~150mm长的焊缝。
  (2)对于平面上的焊缝,焊接笔与平面垂直且呈不大的倾角。焊接厚度大于1.5mm 的金属板时,焊接笔基本接触焊接平面;厚度小于1.5mm时,视厚度大小,焊接笔高出15mm~30mm。
  (3)对于有一定倾角的焊接、立焊,则需使用一定的模具才能进行,该模具一般由石墨制成。
  (4)待焊接结束,金属冷却后,轻轻敲掉焊缝上的熔渣即可得到牢固的焊缝。
  2.4.3 注意事项
  (1)焊接工作结束,而焊接笔尚未燃尽时,切不可用水熄灭,让其自行燃尽。
  (2)工作场地上应强制通风,在室外焊接时应在背风处进行。
  (3)焊接笔有机械损坏时,不得使用。
  (4)焊接笔保存在干燥,并远离明火的地方。
  (5)焊接笔为一次性使用物。
  3 无电焊接技术在汽车维修中的应用
  国内轿车生产所采用焊接钢板有双面镀锌钢板, 普通冷轧钢板以及其他特种钢板等。钢板厚度从0.5mm 至1.2mm 不等。在现代汽车设计当中,车身钢板正在向薄的方向发展。
  另外, 在车身的不同地方, 根据作用的不同使用厚度和强度不同的钢板。例如前后翼子板、车顶盖、车头盖等一些不需要受力很大的部位使用薄钢板, 而一些承受力较大的部位则使用较厚的高强度钢板, 譬如前后防撞横梁、左右纵向边框等。另外, 在一些主要承力部位还采用了较厚的加强板。研究人员利用便携式无电焊接技术,进行了同种金属或异种金属的焊接研究。
  3.1 钢的无电焊接
  针对钢的无电焊接研究比较成熟,主要根据钢的厚度制备了不同的便携式无电焊接焊笔,目前已经成功研制出用于焊接5 mm 以下,6~10mm ,以及10~15 mm 厚度钢板这三大系列焊笔。实际应用时,根据受焊母材的材料、尺寸以及需要加工形式等进行有针对性的焊接,取得了良好的焊接效果,可以达到应用需求。3.2 Q235 钢的无电焊接武斌、张保元等利用CuO 、Fe2 O 3+Al 作为高热剂,对5 mm 厚的Q235 钢进行了无电焊接,发现焊缝冶金结合,存在明显过渡区,抗拉强度达到350 MPa ,抗弯强度达到1000 MPa,焊缝力学性能较好。焊接5 mm 厚的A3 钢,焊缝合金存在细晶强化和弥散强化作用,抗拉强度和抗弯强度分别为370 和1100 MPa。
  根据汽车零部件的特点、无电焊接技术的焊接工艺参数,无电焊接技术在汽车零部件上的应用范围如下:(1)汽车水箱、油箱、浮箱等箱体。(2)汽车水管、水道、油管、排尘管、排气管等管路、管道。(3)汽车电瓶连接线、导线等线路。(4)汽车传动杆、拉杆、操纵杆等杆件。(5)汽车发动机检查窗盖、加水口盖等车体防护零部件。(6)其他附件等。
  无电焊接技术使用范围广泛,在野外应急条件下,可应用于汽车金属零部件出现的断裂、缺损、裂纹、孔洞以及管路、箱体的跑、冒、滴、漏等的快速修理;还可使用于轮船和铁路运营中的修理和事故处理;也可使用于上下水管道、暖气管道的修理;地震、矿井、石油井架及消防工作的紧急救护;通讯、电网导线、输变电设备的焊接处理;农机、农具的田间修理等等。有公开的资料表明,在部分汽车、工程机械和装备上进行过实车焊接,焊接后,对所有焊接件的焊接效果进行了检测,焊接效果均为良好,达到了使用要求。
  4 无电焊接技术的发展趋势
  无电焊接技术尽管取得了较大的发展,但也存在着一定的缺陷,还需在以下方面进行研究改进。
  (1)焊接厚度。目前无电焊接技术能焊接小于10mm 厚的钢结构件,但汽车中有大量的中、大厚度(10mm~20mm)钢结构,这些零部件大都为低碳钢、低合金钢、中碳钢、合金钢等,而且这些汽车零部件在训练中经常会发生裂纹、断裂等损伤,对于这些钢结构件,在采用焊接厚度小于10mm的无电焊接笔焊接时,遇到了许多问题,例如易产生焊接裂纹、夹渣、气孔、不成型甚至焊接不上等。因此,研制可焊接10mm~20mm 厚钢结构件的无电焊接笔是必要的。
  (2)焊接工艺。目前在应用无电焊接技术进行焊接时,只能是平焊或小倾角的焊接,不能实现立焊或仰焊,这样就限制了无电焊接技术的应用。因此,实现无电焊接技术的立焊或仰焊也是将来的发展趋势。
  (3)焊接环境。目前无电焊接技术只能在常温的大气环境下进行应用,因此,将来实现无电焊接技术在水下、高温、低温等恶劣的环境下应用也是必须研究的。
  (4)原料的纳米化。随着纳米技术的迅速发展,纳米技术给人们带来了越来越多意想不到的效果,为了进一步提高无电焊接技术的焊接效果,选用纳米化的原材料进行无电焊接笔的研究也将是其发展趋势。
  结合了自蔓延高温合成技术的新型便携式无电焊接技术,以简单、高效和节能等优势已经广泛应用于材料的焊接研究,获得了良好的焊缝组织和力学性能,可以满足应急快速加工和汽车维修的实际需求。但是,焊接过程的快速温度变化可能造成焊缝应力集中甚至出现裂纹的现象,对无电焊接燃烧反应速率和温度的精确控制,进而优化焊接性能,是需要深入研究的课题。今后发展更加可控化和更加精细化的便携式无电焊接,获得更加优异的焊接接头组织和综合力学性能,将更大的拓展便携式无电焊接的应用。
 

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