镀锌板的焊接.doc

镀 锌 板 的 焊 接  1镀锌钢电弧焊锌层的存在给镀锌钢的焊接带来了一定困难，主要的问题有：焊接裂纹及气孔的敏感性增大、锌的蒸发及烟尘、氧化物夹渣及镀锌层熔化及破坏。其中焊接裂纹、气孔和夹渣是最主要的问题。11 焊接性（1）裂纹在焊接过程中，熔化的锌浮在熔池的表面或位于焊缝根部。由于锌的熔点远远低于铁，熔池中的铁首先结晶，液态锌会沿着钢的晶界渗入其中，导致晶间结合变弱。而且锌与铁之间易形成金属间脆性化合物Fe3Zn10和FeZn10，进一步降低了焊缝金属的塑性。因此在焊接残余应力的作用下易沿晶界裂开，形成裂纹。1) 影响裂纹敏感性的因素 锌层的厚度 镀锌钢的锌层较薄，裂纹敏感性小，而热镀锌钢的锌层较厚，裂纹敏感性较大。 工件厚度 厚度越大，焊接拘束应力越大，裂纹敏感性越大。 坡口间隙 间隙越大，裂纹敏感性越大。 焊接方法 用手工电弧焊焊接时裂纹敏感性小，而用CO2气体保护焊焊接时裂纹敏感性大一些。2) 防止裂纹的方法 焊前在镀锌板焊接处开坡口V、Y形或X型坡口，用氧乙炔或喷砂等方法去除坡口附近的镀锌层，同时控制间隙不宜过大，一般1.5mm左右。 选用含Si量低的焊接材料。气体保护焊时应采用含Si量低的焊丝，手工焊时采用钛型、钛钙型焊条。（2）气孔坡口附近的锌层在电弧热的作用下产生氧化（形成ZnO）及蒸发，并挥发出白色烟尘和蒸气，因此极易在焊缝中引起气孔。焊接电流越大，锌的蒸发越严重，气孔敏感性越大。用钛型、钛钙型焊条焊接时，在中等电流范围内不易产生气孔。而用纤维素型和低氢型焊条焊接时，小电流和大电流下均易产生气孔。另外焊条角度应尽量控制在30°70°范围内。（3）锌的蒸发及烟尘用电弧焊焊接镀锌钢板时，熔池附近的锌层在电弧热的作用下氧化成ZnO并蒸发，形成很大的烟尘。这种烟尘中主要成分为ZnO，对工人的呼吸器官具有很大的刺激作用，因此，焊接时必须采取良好的通风措施。在同样焊接规范下，用氧化钛型焊条焊接时所产生的烟尘量较低，而低氢型焊条焊接时产生的烟尘量较大。（4）氧化物夹渣焊接电流较小时，加热过程中形成的ZnO不易逸出，易造成ZnO夹渣。ZnO比较稳定，其熔点为1800。大块状的ZnO夹渣对焊缝塑性具有非常不利的影响。利用氧化钛型焊条时，ZnO呈细小均匀分布，对塑性及抗拉强度影响都不大。而用纤维素型或氢型焊条时，焊缝内的ZnO较大、较多，焊缝性能差。12 镀锌钢的焊接工艺镀锌钢可采用手工电弧焊、熔化极气体保护焊、氩弧焊、电阻焊等方法进行焊接。（1）手工电弧焊1) 焊前准备为了降低焊接烟尘，防止焊接裂纹及气孔的产生，焊前除了开适当的坡口外，还应将坡口附近的锌层去除。去除方法可采用火焰烘烤或喷砂。坡口间隙应尽量控制在1.52mm内，工件厚度较大时，可放宽到2.53mm。2) 焊条的选择焊条的选择原则是焊缝金属的力学性能尽量与母材相近，而且焊条熔敷金属中含硅量应控制在0.2以下。采用钛铁矿型焊条、氧化钛型焊条、纤维素型焊条、钛钙型焊条和低氢型焊条焊接时所得到的接头强度均可达到满意的指标，见表1。但用低氢型焊条和纤维素型焊条焊接的焊缝中易产生夹渣和气孔，因此一般不用。对于低碳钢镀锌钢板，应优先选用J421/J422或J423焊条。对于强度等级在500MPa以上的镀锌钢板，可选用E5001、E5003等型号的焊条。对于强度在600MPa以上的镀锌钢板，应选用E6013、E5503及E5513等型号的焊条。焊接时，尽量采用短弧，不要使电弧摆，以防止镀锌层熔化区域的扩大，保证工件的抗腐蚀性并降低烟尘量。（2）熔化极气体保护焊可采用CO2气体保护焊或者Ar+CO2、Ar+O2等混合气体保护焊进行焊接。保护气体对焊缝中Zn的含量有明显的影响，采用纯CO2或CO2+O2时，焊缝中Zn的含量较高，而采用Ar+CO2或Ar+O2时，焊缝中Zn的含量较低。电流对焊缝中Zn含量影响不大，随着焊接电流的增大，焊缝中的Zn含量稍有降低。采用气体保护焊焊接镀锌钢时，焊接烟尘要比手工电弧焊大得多，因此应特别注意排风。影响烟尘量大小及成分的因素主要是电流和保护气体。电流越大，或保护气体中CO2或O2含量越大，焊接烟尘越大，而且烟尘中ZnO含量也增大，最大时ZnO的含量可达到70左右。在同样的焊接规范下，镀锌钢的熔深要比不镀锌的钢板大。T形接头、搭接接头及向下立焊的焊接气孔敏感性较大，焊接速度越大越易产生气孔；对于镀锌合金钢，焊接速度的影响尤其明显。多道焊时，后续焊道的气孔敏感性大于前一道。采用不同保护气体焊接的镀锌钢接头的力学性能见表2。可见，保护气体成分对接头力学性能并没有很大的影响，一般采用纯CO2进行焊接。表3表5分别给出了镀锌钢板I形对接接头、搭接接头及T形接头的短路过渡CO2焊的焊接工艺参数。表3 镀锌钢板I形对接接头CO2焊接规范参数板厚/mm间隙/mm焊接位置送丝速度/mm·s-1电弧电压/V焊接电流/A焊接速度/mm·s-1备 注1.60平焊向下立焊横焊仰焊59.280.482.550.850.8551720171818197090901001001105.17.25.98.5焊丝ER705-3直径0.9mm 干伸长度6.4mm3.20.81.5平焊立焊横焊仰焊71.971.971.971.9202020201351351351355.57.66.85.5表4 镀锌钢板搭接接头CO2焊接规范参数板厚/mm焊接位置送丝速度/mm·s-1电弧电压/V焊接电流/A焊接速度/mm·s-1备 注1.6平焊横焊仰焊立焊50.850.850.850.81919201920181101001101001101005.16.85.56.84.25.15.56.8焊丝ER705-3直径0.9mm 干伸长度6.4mm3.2平焊横焊向下立焊仰焊67.267.267.759.2191919191351351351353.84.23.84.25.13.43.8表5 镀锌钢板T形接头（角接）CO2焊接规范参数板厚/mm焊接位置送丝速度/mm·s-1电弧电压/V焊接电流/A焊接速度/mm·s-1备 注1.6平焊立焊仰焊横焊50.8555565.65559.218191920201001101101201101205.95.1焊丝ER705-3直径0.9mm 干伸长度6.4mm3.2平焊立焊横焊仰焊71.971.971.971.9202020201351351351354.75.94.25.12电阻焊电阻焊是镀锌钢板最主要的焊接方法。薄板通常采用点焊、凸焊来焊接，而要求密封的工件用缝焊来焊接。21 点焊（1）焊接性由于锌与钢的物理性能相差很大，电阻焊焊接过程中会带来以下几个问题。 锌的熔点为419，沸点为907，均远远低于铁的熔点1500，因此，焊接过程中，与铜电极接触的镀锌层先于工件被连接部位的钢板而熔化。熔化的锌不但在电极压力的作用下易飞溅出来，而且还会与电极粘连，致使电极表面形成Cu-Zn合金层。由于Cu-Zn合金电阻率大，易于过热变形，这不但降低了电极寿命，而且改变了焊接规范，破坏了焊接过程的稳定性和焊接质量，严重时甚至不能形成熔核。 由于锌比较软，同样电极尺寸下，电极与镀锌钢板的接触面积以及镀锌板与镀锌板之间的接触面积均较大，使工件中的电流密度减小，易于产生未焊透缺陷。 焊接过程中，工件连接点（熔核）部位的锌层熔化后应充分挤出，否则会显著降低焊点的连接强度。因此，为了保证将这部分液态锌充分挤出，应使用较大的电极压力，一般比非镀锌钢高2025。 电极压力过大或电流过大时，与电极接触的锌层可能会因粘到电极上而剥落下来，使工件失去了耐蚀性，也影响了表面美观。为了避免这种现象，应采用较大尺寸的电极，并延长锻压时间，加强电极的冷却。 熔核处的液态锌总有一部分残留下来，参与熔核的结晶过程，在强大的电磁力的作用下，结晶过程中以条状分布在钢的枝晶晶界上。如果锻压阶段的电极压力不够大，则液态锌的原部位可能会形成结晶缩孔，而晶界上的锌造成裂纹。（2）点焊工艺镀锌钢板的点焊工艺程序与一般钢板点焊程序是相同的，即预压通电焊接锻压。为了克服上面所述的几个问题，一般采用硬规范，即大电流、短时间、高压力规范。所用电流比同样板厚的一般低碳钢要高2050，压力要高2025。表6给出了镀锌板点焊规范参数。表6 镀锌板点焊规范参数板厚/mm焊接电流/A焊接时间（周波数）电极压力/N电极直径/mm抗剪强度/kN上电极下电极1.0+1.02.0+2.01.0+2.01.0+3.0 1.0+0.75+1.0 0.75+2.0 1.0(镀锌)+3.0(非镀锌) 1.0(镀锌)+2.0(非镀锌) 0.5+0.51.5+1.5110001200013000140001300013500120001300013000135001000010000900013000150008888888881040004000400040004000350040004000350040006.06.06.06.06.05.05.05.25.06.06.06.06.58.06.06.55.55.25.06.05.95.66.76.65.64.77.05.82.511.2由于采用硬规范，因此电极一般选用高温硬度高、导电性好、再结晶温度高的电极，例如Cu-Cr电极、Cu-Zr电极。另外，还可采用加入钨或钼金属块的复合电极，以提高电极寿命。电极端面一般不能做成平面状，最好采用球形端面。22 凸焊（1）工艺特点凸焊实际上是一种特殊的点焊。在一个焊件的接合面上预先加工一个或多个凸点，使其与另一焊件连接面相接触，通过加压、通电加热将凸点压溃，凸点处的镀锌层首先产生熔化、氧化、飞溅，进一步加压，使凸点被压平，然后形成熔核，将工件焊接起来。这种焊接方法特别适合于镀锌钢板的焊接，其优点是： 由于凸点的存在，工件之间的接触面积变小，电流密度增大，因此可显著降低焊接电流和电压，这对于镀锌钢板来说是非常有效的； 由于焊接电流集中在凸点上，不存在通过相邻焊点分流的问题，所以可以采用较小的搭接量和较小的点距； 一个焊接热循环可焊接多个焊点，并且可焊接两个厚度相差很大的工件，最大厚度比可达6:1； 凸焊焊点的位置比点焊焊点更精确，而且，由于凸点大小均匀，所以凸焊焊点质量更为稳定，因此，凸焊焊点的尺寸可设计的比点焊焊点小； 由于可采用大的平面电极焊接多个凸点，这大大降低了各个焊点的压痕，有效地避免了对表面镀锌层的影响。（2）焊接工艺1) 焊前准备焊前准备包括表面清理、凸点形状及尺寸的设计、凸点加工等。焊前表面清理主要是清除镀锌层表面的ZnO，常用的方法是用细砂纸打磨并用丙酮清洗。凸点设计主要是确定凸点形状、凸点数量、凸点尺寸、凸点高度等。一般采用单凸点结构。凸点形状有三种：半球形、圆锥形及带环形溢出槽的半球形，如图1所示。圆锥形凸点可增大刚度，防止凸点过早压塌，避免因电流过大引起的飞溅；而带环形槽的凸点是为了防止凸点过早压塌时挤在工件之间而使电流密度下降。凸点的尺寸可按照如下经验公式确定，即 d2+0.7mmh0.4+0.25mm式中 d凸点直径；h凸点高度；板厚。镀锌钢板凸焊一般采用半球形或圆锥形凸点，表7给出了低碳钢镀锌板的凸点数据，表8给出了厚度不等时常用的凸点尺寸。 表7 低碳钢镀锌板的凸点数据板厚/mm凸点直径d/mm凸点高度h/mm最小熔核直径/mm最小搭接宽度/mm0.250.300.360.400.530.640.790.861.121.271.571.781.982.392.773.183.563.964.344.755.166.351.391.391.391.701.702.052.402.403.023.023.964.705.56.47.137.98.79.510.311.013.513.50.390.390.390.430.430.500.560.560.700.700.901.01.21.371.521.77.82.02.22.32.82.82.82.82.82.83.63.64.34.34.35.75.77.27.27.28.68.611.112.714.615.917.517.53.23.23.23.974.764.765.565.567.147.149.539.5311.112.715.917.519.120.622.323.825.431.75注：对于双凸点焊： （1）凸点间s的距离应不小于2d； （2）搭接宽度为+s。 表8 厚度不等时常用的凸点尺寸带凸点钢板厚度/mm不带凸点钢板厚度/mm凸点尺寸/mm带凸点钢板厚度/mm不带凸点钢板厚度/mm凸点尺寸/mm凸点直径凸点高度凸点直径凸点高度0.50.52.01.82.30.50.63.01.05.03.54.50.91.11.01.03.21.82.30.50.84.02.06.06.07.01.21.52.01.04.02.84.00.71.06.03.06.07.09.01.52.02) 焊接工艺参数 电极压力 凸焊电极压力必须能够保证在焊点达到焊接温度时将凸点压溃，并使两个工件紧密贴合，故电极压力必须根据被焊件的性能、凸点尺寸和一次焊成凸点的数量等确定。电极力过大会过早地压溃凸点，失去凸点的固有作用，并压坏表面镀锌层，同时会因电流密度减小而降低接头的强度；压力过小会引起严重飞溅。 焊接电流 电流大小对凸焊质量具有很大的影响，因为它直接影响焊点的加热程度及熔核尺寸。通常情况下，镀锌钢板的凸焊所需的上于点焊电流，但电流密度要比点焊大，以保证凸点能在很短时间内压溃、熔化而形成熔核。多凸点焊接时，焊接电流应等于单凸点时的电流乘以点数。 焊接时间 随着焊接时间增长，熔核尺寸和接头强度增大，但这种增大有限，因熔核增大会引起飞溅，使接头质量下降。镀锌钢板凸焊的焊接时间比点焊长一点，多点凸焊的焊接时间比单凸点焊稍长一些。镀锌钢凸焊的典型工艺参数见表9。表9 镀锌钢凸焊的典型工艺板厚(带凸点)/mm板厚(无凸点)/mm凸点尺寸/mm时 间(周波数)电 流/A电极压力/N抗剪强度/N熔核直径/mmdh0.70.41.64.04.01.21.277320042004906901.20.81.24.04.01.21.2106200072003405901.01.04.21.21510000113041203.81.61.65.01.22011500176091106.21.81.86.01.425160002450137206.22.32.36.01.430160003430186207.52.72.76.01.43322004210215007.5另外，利用凸焊还可焊接有塑料涂层的钢板，由于塑料涂层不导电，因此，焊接时两个电极只能放在工件的同一面，如图2所示。焊接时，为了不破坏塑料涂层，应严格控制焊接热输入。与镀锌钢板相比，所采用的焊接时间应更短，一般是选择半周波的通电时间。通常条件下是选用球形，如果对接头强度有较高要求时，可选用图3 (a)所示的环形凸点；有时也可利用冲孔毛边作为环形凸点，图3 (b)；因冲孔毛边高度过低，通电时其他部位易导电，使质量下降，因此可改进成图3 (c)所示的形状。表10及表11给出了有塑料涂层的钢板的凸焊焊接规范。表10 塑料涂层钢板球形凸点凸焊规范板厚/mm凸点尺寸/mm电极压力/N焊接时间（周波数）交流半波电流峰值/A抗剪强度/N涂层板凸点板Dh0.60.40.60.40.32.01.815015045320035007505000.80.40.80.40.41.81.8150200553200350065010001.00.41.00.40.52.02.0150250554000450075010001.20.61.20.60.52.63.0250850665000800010002000表11 塑料涂层钢板环形凸点的凸焊规范板厚/mm凸点尺寸/mm交流半周式电容储能式抗剪强度/N涂层板凸点板Ddh电极压力/N焊接时间（周波数）电流峰值/A电容量/F电压/V0.60.61.63.52.04.23.00.50.420020040056900095003000400034036090013000.80.61.64.42.85.53.50.60.4300600400800671150001200049004000360350140023001.00.61.64.33.55.54.00.80.430060040080077140001650050006000400400230028001.20.62.34.03.55.55.01.00.435010005001000771500018000550080004004302600300023 缝焊缝焊主要有连续缝焊、断续缝焊两种。连续缝焊时，滚轮电极易发热和磨损；滚轮加在焊接区的预压力与锻压力不足，易在滚轮前发生飞溅，焊缝易发生收缩性缺陷。而且，焊件表面散热条件差，工件表面的镀锌层容易熔化，破坏了锌层的均匀性；熔化的锌进入焊缝中，还会引起裂纹。另外，熔化的锌粘连在滚轮电极上形成Cu-Zn合金，降低了滚轮电极的寿命，因此镀锌钢板不采用连续缝焊，一般采用断续缝焊。镀锌钢进行缝焊时，不仅要获得强度足够的接头，还需要尽量保持完好的镀锌层。按强度要求，缝焊工艺与无镀层钢板是相似的。考虑到镀层要求，则需对焊接工艺参数作必要调整，需要考虑的因素有镀锌层对接触电阻的影响、镀层允许的电极压痕、镀层与电极发生粘连的倾向等。镀锌层的熔点低，在焊接过程中镀锌层首先熔化，在滚轮电极与焊件及焊件与焊件的接触面上流布，使接触面积增大，电流密度减小，而电极与焊件接触面的锌层熔化后，与电极工作面粘结，使铜电极合金化，其导电、导热性能变坏。锌的沸点为906，其温度超过此温度时，锌即蒸发，在熔核内形成气孔或裂纹。即使采用断续焊，熔化的锌也可能会粘连在滚轮电极上形成Cu-Zn合金，降低了滚轮电极的寿命。所以在保证熔核直径和接头强度条件下，应尽量选用小电流、低焊速和强烈的外部冷却。对滚轮电极宜采用压花钢轮驱动方式，以便随时修整该轮电极尺寸并清理其表面。表12给出了镀锌钢板断续缝焊的典型工艺参数。表12 镀锌钢板断续缝焊的典型工艺参数镀锌种类及厚度板 厚/mm电极滚盘宽度/mm电极压力/KN时间/周波数焊接电流/A焊接速度/cm·min-1焊 接休 止热镀锌钢板(1520m)0.60.81.01.21.64.55.05.05.56.53.74.04.34.55.033344222211600017000180001900021000250250250230230电镀锌钢板(23m)0.60.81.01.21.64.55.05.05.56.52.53.74.04.34.533344222211500016000170001800019000250250250230200磷酸盐处理防锈钢板0.60.81.01.21.64.55.05.05.56.53.74.04.55.05.533344222211400015000160001700018000250250250230200另外，可采取窄端面滚轮电极及高压力成形驱动滚轮配用的方法来解决锌的粘连问题。利用一个成形的驱动滚轮，只在滚轮电极端面一侧承受一定的压力，在滚轮端面之前，装上一个弹簧式刮削装置，焊接过程中将粘在滚轮端面上的锌层破碎掉，以保持滚轮清洁，保证缝焊焊缝的质量。这种方法得到了焊缝比一般缝焊焊缝窄，但其强度却很大，并且保证了镀锌层的均匀性。表13给出了窄端面缝焊的典型工艺参数。表13 窄端面电极缝焊的典型工艺参数板厚/mm电极压力/N焊接电流/kA备 注40ms20ms0.40.62225330410.211.113.014.1 （1）焊接速度为33.8mm/s，每25.4mm为9个焊点（2）焊接速度为67.7mm/s，每25.4mm为9个焊点0.60.83304544911.112.013.714.80.81.03226400511.812.814.215.41.01.24005445012.513.615.016.2