镀锌钢板添加焊接工艺

　　为了改善镀锌钢板的焊接性和提高焊接接头的性能，研究了镀锌钢板表面涂覆Cu粉的U-MIG焊接工艺和焊缝成型机制。通过焊缝宏观形貌和横截面分析了Cu粉的添加对焊缝形貌的影响，采用光学显微镜分析了热影响区和焊缝中心区的微观组织。利用第一性原理计算的方法进一步分析了Cu与Fe的成键机制。研究结果表明:Cu粉的添加增加了焊缝熔深和减小了焊缝余高;同时，金相图表明铜粉有利于细化焊缝区的晶粒组织;差分电荷密度图则表明Cu的添加有利于提高结构的稳定性。

　　关键词:U-MIG焊接;镀锌钢板;Cu粉;焊缝成型;差分电荷密度

　　镀锌钢板较好的耐蚀性和高的经济效益，使其在工业生产和工程领域应用越来越广泛。各种类型的镀锌钢板被应用于建筑、车船和家具制造等多种行业，尤其在汽车实现轻量化和使用寿命方面有很大的应用前景[1-2]。镀锌钢板在汽车制造产业的使用既提高了其耐腐蚀能力，又增强了车身的结构强度，对降低汽车的破损和增加它的使用寿命有着积极的作用[3]。据统计，按照汽车通常使用年限10年来计算，镀锌钢板比非镀锌钢板生产的汽车出现故障率低约20%[4]。在工业生产和日常生活中的许多产品都是通过焊接工艺实现，镀锌钢板较差的焊接性阻碍了更广泛的应用前景，因此众多研究人员对镀锌钢板的焊接工艺进行研究和改善。Lin[5]等研究了镀锌层厚度对镀锌钢板焊接的影响，通过电阻点焊焊接不同锌层厚度的镀锌低碳钢板的实验研究，结果表明随着锌层厚度的增加，可焊性窗口由低电流区向高电流区移动，并且变的越来越窄。孟祥海等[6]探讨了汽车用镀锌钢板的焊接缺陷和解决措施，结果表明通过加强熔池搅拌，尽量减少飞溅和精确控制熔滴过渡可以改善焊缝成形。目前，镀锌钢板最常用的焊接方法是电阻点焊和激光焊接，对于MIG焊接的研究较少。超声辅助熔化极惰性气体保护(ultrasonicassis-tedmetalinertgas，U-MIG)焊接是一种利用超声能量促进熔滴过渡，以及将声学效应(声空化和声流效应)引入熔池来改善焊缝组织和提高焊接接头性能的焊接工艺。熔化极惰性气体保护(MIG)焊接是一种以焊丝作为熔化电极，不断被加热熔化后以熔滴的形式过渡到熔池中，惰性气体Ar或Ar+He作为电弧介质保护过渡熔滴、熔池以及焊接接头区的电弧焊方法。该焊接方法具有成本低、适应性强、易于实现自动化等优点，成为当今焊接领域研究热点之一[7-8]。袁鹤然等[9]通过TIG和U-TIG焊接5mm厚的2014铝合金对比实验研究超声对焊缝微观结构和气孔率的影响。研究结果表明超声的添加提高了焊缝的深宽比，另外超声有助于细化焊缝的晶粒改变组织形貌，将柱状晶向等轴晶转变。谢伟峰等[10]采用超声的作用方向和焊枪方向一致的焊接工艺，研究表明和普通MIG焊接相比，采用超声MIG焊接时明显改善了MIG焊接接头的宏观形貌，焊缝成形更均匀。为了进一步探索超声对MIG焊接的影响，本课题组采用了全新施加超声的方法，将超声振动垂直作用于焊枪来改变熔滴过渡和焊缝成型。马少龙[11]进行了MIG和U-MIG焊接Q235钢板的对比实验，实验表明阴极清理区的面积向两侧扩展，焊缝表面鱼鳞纹消失，变得圆滑。本文通过焊缝宏观形貌，微观组织分析了Cu粉的添加对镀锌钢板U-MIG焊接接头形貌、组织的影响，以及通过差分电荷密度图研究了添加Cu元素后的成键情况。

　　1实验材料及方法

　　本实验所用的焊接工艺是U-MIG复合焊接，在焊接过程中，所采取的是保持焊枪固定不动，焊件在水平方向做匀速直线运动的方式。焊接平台示意简图如图1所示。焊件的运动是由步进电机控制焊接平台来实现，通过步进电机的控制器来调节平台的运动速度，也就是以此来控制焊接速度。超声装置的变幅杆抵住焊枪保护嘴的底端，以此来实现超声对MIG焊接的辅助作用。本文实验焊机的型号是华远NB-350IGBT型，超声波设备的型号为ZJS-500N以及步进电机型号为HDB型。本实验所用的母材是SGCC型镀锌钢板，它是以Q235板为基板通过热浸镀锌工艺成型。镀锌钢板的尺寸为200mm×50mm×1mm，焊接填充材料用的是直径为0.8mm的普通低碳钢焊丝，母材和焊丝的主要成分如表1～表2所示。焊接实验保护气体采用的是质量分数为99.9%的高纯氩气。焊前利用丙酮和无水乙醇对镀锌钢板表面进行擦拭，以除去表面的油污和其他杂质。将定量的铜粉和定量的液态硅酸钠进行混合，搅拌均匀后涂覆于待焊母材的表面。铜粉与液态硅酸钠的混合是为了使铜粉可以牢固地粘附于镀锌钢板的表面，以防止焊接过程中保护气流吹走镀锌板表面的铜粉。本实验分别进行了未添加Cu粉的焊接，在等量的硅酸钠下添加12.5g和15g的Cu粉搅拌均匀后涂覆镀锌钢板表面，待涂覆表面完全干燥后的焊接。分别将无Cu粉，12.5g和15gCu粉与硅酸钠混合定义为实验组1、2和3。焊接参数如表3所示。焊后对焊接接头的宏观形貌进行观察分析，利用焊缝检测尺测量了焊缝的熔宽，余高等焊缝尺寸;对焊接接头的横截面进行取样，通过金相分析的标准程序进行镶样、磨样、抛光、腐蚀等操作过程，将腐蚀后的金相试样用光学显微镜对焊接接头的热影响区和中心区的微观组织进行观察分析;通过Materi-alsStudio(MS)软件计算了α-Fe(Cu)固溶体的差分电荷密度，分析了添加Cu对成键机制的影响。

　　2试验结果及分析

　　2.1宏观形貌

　　图2显示了焊缝的宏观形貌和横截面，从图2(a)、(b)和(c)可以看出焊缝均成型较好，图2(c)焊缝正面则出现微小的表面裂纹，同时根据焊缝检测尺分别测量了焊缝的余高和熔宽，测量结果如表4所示。可以明显的看出随着Cu粉的添加，熔宽明显增大，余高则逐渐减小。由于涂覆在镀锌钢板表面的Cu粉末受热熔化后向两侧铺展，增加了电弧能量沿焊缝宽度方向的传递，这有利于增加焊缝的熔宽和相应地减小了余高。另外，从焊缝横截面的光学显微镜图片可以清晰看出焊缝的熔深随着Cu粉添加明显增大。这是由于Cu的导热率在高温下是Fe的5倍，导热率的增加有利于焊接过程中能量的传递，在相同的焊接参数下Cu粉的添加增强了焊接过程中的熔透能力[12]。

　　2.2微观形貌

　　图3为焊接接头的形貌。焊接接头通常是由焊缝区、热影响区和母材区组成，从图中可以看出经过4%硝酸酒精溶液腐蚀后的焊接接头不同区域的晶粒有明显区别，因此可以清晰的区分3个区域。其中母材区的晶粒是均匀细小的晶粒，且分布均匀，热影响区的晶粒则大小不一，分布不均匀。另外，图3(a)、(b)和(c)的热影响区部分没有明显区别，这表明Cu粉的添加对热影响区的组织没有显著影响。为了进一步研究Cu粉的添加对焊缝中心区的影响，利用光学显微镜分析焊缝中心的微观组织。图4和图5分别为焊接母材和焊缝中心的显微组织图，从图4可以看出母材由大量的白色铁素体和少量珠光体组织组成，铁素体晶粒的晶界明显，形状比较规则，呈等轴晶粒[13-14]。焊接是一个经历加热、熔化、凝固以及伴随着一系列的冶金反应和固态相变的过程，所以焊接后的微观组织和母材有了很大的区别。从图5(a)可以发现虽然组织主要仍然是铁素体和珠光体，但是铁素体晶粒呈现出不规则的大块柱状晶形式，许多晶粒没有明显的晶界。图5(b)和(c)中铁素体组织明显得到了细化，晶粒分布更加的均匀和晶界清晰。其中更多Cu粉添加量的图5(c)中晶粒更小，而且大多数晶粒表面呈现更暗的颜色，这可能是部分Cu析出在晶粒表面。微观组织分析表明铜粉有利于细化焊缝组织和促进组织的均匀分布。通常细化晶粒的措施主要有增大过冷度，变质处理和振动、搅拌等。焊接过程中由于高温停留时间长、相变冷却速度慢会导致晶粒的急剧长大，而添加Cu粉则增大了热导率，从而加快了焊缝的冷却速度[15-16]。在液态金属结晶时，加快冷却速度则增大了过冷度，过冷度的增大可以促进自发形核和提高形核率与生长速率的比值，从而使晶粒数量增多，晶粒愈细小。另外，铜元素在镀锌钢板焊缝组织中形成铜基固溶体，这有利于起到固溶强化的作用。冷文秀等[17]研究也表明了Fe-Cu固溶体中的Cu起到了固溶强化的作用。因此，Cu粉的添加有利于焊缝区晶粒的细化。

　　2.3添加Cu的成型机制

　　为了进一步探索成型机制，通过采用第一性原理的方法计算差分电荷密度，从成键的角度研究了Cu元素的添加对成型的影响。镀锌钢板中主要成分是铁元素，通常情况下，Cu在高温下与铁一般不形成金属间化合物和间隙固溶体，只形成置换固溶体。通过MS软件构建了α-Fe和α-Fe(Cu)固溶体的2×2×1超晶胞结构。计算采用的MS软件中的CASTEP模块[18]，收敛标准设置为Fine精度，截断能和K点分别设为410eV和4×4×9。结构优化后计算了差分电荷密度，以此分析Cu和Fe之间的成键情况。几何优化后的晶体结构如图6所示，由于Cu原子和Fe原子的半径不同，用Cu替换Fe以后，键长发生了明显改变，晶体结构产生了畸变。图7是通过计算后得到的(001)面的差分电荷密度图，图7(a)显示Fe-Fe之间均存在部分电子云重叠，形成共用电子对，交界处电荷密度减小且没有电荷的转移。这表明Fe-Fe之间具有金属键和共价键，且金属键占主导地位。图7(b)中Cu原子与Fe原子则没有形成明显的共用电子对，但发生了电荷的转移。红色表示失电子，蓝色表示得电子，所以Cu是明显的失去电子。其中，临近Cu原子的2个铁原子既有得电子也有失电子，对于Cu来说是处于得电子。Cu-Fe之间的电荷密度高于Fe-Fe键，电子的得失在Cu-Fe之间形成了强于Fe-Fe的共价键。共价键越强则成型稳定性越好[19]。差分电荷密度分析表明Cu的添加提高了键合强度，对于成型具有积极作用。王海燕等[20]通过经验电子理论(empiricalelectrontheory，EET)研究了α-Fe和α-Fe-Cu价电子结构，研究结果表明含Cu晶胞中的最强键和次强键上的共价电子对数都高于基体Fe晶胞。这与本文差分电荷密度计算结果一致。

　　3结论

　　1)在相同的焊接工艺参数下，Cu粉的添加明显增加了焊缝的熔深，减小了焊缝的余高。添加Cu粉有利于焊缝的熔透，但当添加Cu粉过量时焊缝表面会产生裂纹。2)由焊接接头微观形貌可以清晰地看出焊缝区，热影响区及母材区，其中热影响区组织分布极不均匀，且晶粒尺寸大小不一。焊缝中心区的微观组织分析表明未添加Cu粉焊缝中心区的组织主要是柱状晶粒的铁素体和少量珠光体，添加铜粉后铁素体晶粒更细小，分布更均匀。3)第一性原理计算表明，Cu的添加使结构产生了微小的畸变。差分电荷密度图显示α-Fe晶体中没有电荷的转移，Cu的添加使得原子间产生了电荷的转移。增强了原子间的键合强度，对成型有着积极的作用。

　　参考文献:

　　[1]刘小风，曹晓燕.稀土在镀锌钢板防腐中的应用[J].广州化工，2018，46(6):16-17.

　　[2]谭娟，王俊，高海燕，等.高强钢合金化热镀锌研究进展[J].材料导报，2008，22(2):64-67.

　　[3]魏元生.镀锌板种类及其在车身上的应用[J].汽车工艺与材料，2011(9):51-62.

　　作者：俞小康 马国红 吴春祥 洪蕾 文华

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