淺談汽車維修中的無電焊接技術(shù)及發(fā)展論文
1 引言
焊接技術(shù)是汽車制造過程和汽車維修的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，尤其是車身焊接被國內(nèi)汽車制造企業(yè)視為車輛制造的四大工藝之一。整個(gè)汽車的白車身以及發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱等零部件的生產(chǎn)，都離不開焊接技術(shù)的應(yīng)用。目前汽車制造和維修行業(yè)所用的焊接方法，主要有電阻焊(點(diǎn)焊、凸焊為主)電弧焊(MIG/MAG 焊TIG 焊、CO2 焊等)以及激光焊等其他一些焊接方式。
隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)特定條件下材料的加工和維修提出了更高要求，如野外條件下汽車的應(yīng)急維修，汽車各結(jié)構(gòu)件、箱體、管路等零部件使用中出現(xiàn)的故障，比如結(jié)構(gòu)裂紋，連接裂縫，管路、箱體的跑、冒、滴、漏等，將嚴(yán)重影響汽車的使用性能。通常情況下，這些受損件采用焊接方法進(jìn)行修復(fù)，傳統(tǒng)的焊接方法離不開焊接電源和笨重的儲(chǔ)氣瓶，嚴(yán)重影響汽車的機(jī)動(dòng)搶修和快速搶修，在高寒、高溫、缺氧等惡劣條件下，這些傳統(tǒng)的應(yīng)急維修方法更無法施展。而無電焊接技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)特殊環(huán)境下材料和設(shè)備的焊接維修具有重要作用。相對(duì)于電弧焊、氣焊等傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，便攜式無電焊接不需要電源、儲(chǔ)氣裝置或其他設(shè)備，攜帶非常方便;不需要特殊的技術(shù)培訓(xùn)，操作簡單;在特殊環(huán)境甚至惡劣工作條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)方便、高效、節(jié)能的原位快速加工和維修，是一種結(jié)合了焊接和自蔓延高溫合成的新型技術(shù)，相對(duì)于常規(guī)的焊接方法和傳統(tǒng)的自蔓延焊接更加簡單便攜。
2 便攜式無電焊接技術(shù)
無電焊接又稱為自蔓延焊接，它將專用焊接材料制成專用手持式焊筆，焊筆一經(jīng)點(diǎn)燃，不需要電源，也不需要?dú)庠�，僅依靠焊接材料燃燒放出的熱量就能進(jìn)行焊接。即以化學(xué)反應(yīng)放出的熱為高溫?zé)嵩�，以反�?yīng)產(chǎn)物為焊料，在焊接件間形成牢固連接，簡稱無電焊接。
自上世紀(jì)由蘇聯(lián)科學(xué)家確立自蔓延技術(shù)以來，自蔓延技術(shù)與其他許多傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合形成了許多新型技術(shù)，自蔓延焊接技術(shù)屬于其中一種。自蔓延焊接技術(shù)是在待焊接的兩塊材料之間填進(jìn)合適的燃燒反應(yīng)原料，以一定的壓力夾緊待焊材料，待燃燒反應(yīng)過程完成后，即可實(shí)現(xiàn)兩塊材料之間的焊接。這種焊接作為一種特殊焊接工藝，主要用于焊接：①同種或異種一般金屬材料;②同種或異種難熔金屬材料;③同種或異種陶瓷材料;④同種或異種金屬間化合物;⑤金屬或金屬間化合物與陶瓷材料。其中，對(duì)于一般金屬材料無電焊接的研究較多且得到了廣泛的應(yīng)用。無電焊接技術(shù)作為自蔓延焊接技術(shù)的一種，它克服了自蔓延焊接技術(shù)點(diǎn)火模式和真空壓力等工藝參數(shù)對(duì)焊接過程的影響，焊接過程大大簡化。
國內(nèi)近幾年對(duì)無電焊接技術(shù)也進(jìn)行了大量研究，主要集中在對(duì)焊接材料的配比、粒度、壓坯密度等參數(shù)及焊接工藝穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)被焊材料的厚度、種類及部位等也進(jìn)行了一定的研究。2006 年研制出了可焊接6mm～10mm 鋼結(jié)構(gòu)件的無電焊接筆，對(duì)無電焊接中所使用的無電焊接筆的結(jié)構(gòu)、焊筆的制備以及焊接工藝等方面進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn);對(duì)焊筆的引燃方式、燃燒機(jī)理、熔渣、焊縫組織、焊接缺陷(如氣孔、裂紋)以及熔渣與焊縫組織的分離保護(hù)、焊縫組織與焊接母材界面的結(jié)合強(qiáng)度等方面也進(jìn)行了深入的分析試驗(yàn)。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的可焊接6mm～10mm 鋼結(jié)構(gòu)件的無電焊接筆的技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到相當(dāng)水平，能焊接低碳鋼、低合金鋼、中碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料，其焊縫抗拉強(qiáng)度可達(dá)300MPa。
2.1 無電焊接技術(shù)的主要特點(diǎn)
(1)焊接簡單方便，工作效率高。無電焊接技術(shù)焊接時(shí)不需要任何電源和其他設(shè)備，只要用明火點(diǎn)燃焊筆，僅僅依靠混合粉末燃燒反應(yīng)放出的熱量就能進(jìn)行焊接，效率高，小巧輕便，操作簡單，單人即可完成。在緊急條件下，可快速簡便地對(duì)汽車零部件損傷進(jìn)行焊接。
(2)焊接效果好，焊縫性能優(yōu)良。無電焊接是一種熔焊焊接，焊縫抗拉伸強(qiáng)度介于200MPa～300MPa，彎曲強(qiáng)度介于300MPa～700MPa，沖擊韌性介于16J/cm2～55J/cm2，硬度介于120HRB～180HRB，抗腐蝕性要優(yōu)于45# 鋼，能有效滿足汽車應(yīng)急維修需要。
(3)適用范圍廣。無電焊接技術(shù)可對(duì)汽車上的多種零部件進(jìn)行焊接修理，已經(jīng)在多個(gè)汽車零部件上(水箱、油箱、水管、油管、排塵管、電瓶連接線、拉桿等)進(jìn)行了應(yīng)用，焊接效果良好，能夠滿足使用要求。
(4)有一定的局限性。無電焊接技術(shù)目前已可焊接10mm 之內(nèi)的結(jié)構(gòu)件，但焊接的.金屬材料尚不廣泛，目前主要焊接鋼、銅等結(jié)構(gòu)件，還不能焊接鋁、鈦等結(jié)構(gòu)件。
2.2 無電焊接筆的結(jié)構(gòu)與成分
2.2.1 結(jié)構(gòu)組成及作用
無電焊接筆由焊藥、包裹焊藥的紙管、分別裝于焊筆前端和末端的引火帽和堵頭、外套管五部分組成。焊筆外徑通常在Ф16mm～Ф30mm 之間，焊筆長度150mm～600mm，以滿足使用要求為準(zhǔn)。堵頭是焊接夾持的部位，一般為長度15mm～25mm 的金屬圓棒，其直徑與外殼的內(nèi)徑相同，其作用是焊接時(shí)協(xié)助夾持焊筆并防止粉狀焊藥溢出。套管為類似筆帽的塑料管，平時(shí)起保護(hù)、封裝焊筆的作用，焊接時(shí)將其摘下固定于焊筆尾部的夾持端，以夾持焊筆進(jìn)行焊接。焊筆的外殼為圓柱筒形，可以為紙制的，也可由金屬制成，主要用于焊筆的成型。引火帽用以引燃焊藥發(fā)生自蔓延反應(yīng)，一般由易點(diǎn)燃的藥品通過黏結(jié)劑成型為直徑與焊筆直徑相同、長度大約10mm 的短圓柱狀，自然風(fēng)干后安裝于焊筆引燃端。引線用來引燃引火帽，可直接由明火點(diǎn)燃。
2.2.2 成分組成及作用
焊藥是無電焊接筆的核心部分，其化學(xué)成分直接影響焊縫金屬的組織和性能、焊渣的形態(tài)及保護(hù)作用、焊接的工藝性等，是焊接質(zhì)量的決定因素，因而焊藥成分是無電焊接筆性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。焊藥為多種粉料的混合物，按其在焊接中所起的作用，可以分為以下幾種：
(1)高熱劑：能發(fā)生燃燒合成反應(yīng)以提供焊接所需熱量的材料，可選用燃燒熱大、燃燒溫度高的鋁熱劑，這類高熱劑發(fā)生自蔓延反應(yīng)放出大量熱量的同時(shí)，還生成一定的金屬，作為焊縫金屬，充填于母材焊縫之中。
(2)造渣劑：鋁熱反應(yīng)放出大量熱量生成金屬產(chǎn)物的同時(shí)也生成大量的非金屬成分，在熔池冷卻時(shí)首先凝固，夾雜于焊縫金屬當(dāng)中，嚴(yán)重影響焊縫的強(qiáng)度和韌性。因此，需要在焊藥中添加適當(dāng)?shù)脑煸鼊�，使其與金屬產(chǎn)物有效分離，并形成熔點(diǎn)低、密度低、黏度適宜的焊渣，覆蓋在金屬熔池上方，使焊縫金屬免受空氣和水分的侵蝕。
(3)造氣劑：用以造成一定量氣體排除大氣對(duì)熔池的有害作用，保護(hù)熔化金屬，使焊接時(shí)金屬焊縫中不出現(xiàn)氣孔，同時(shí)有助于熔滴過渡。選取適當(dāng)?shù)脑鞖鈩�，可�?shí)現(xiàn)自保護(hù)焊。
(4)脫氧劑：用以降低熔渣的氧化性并脫除金屬中的氧�？諝庵械难跬廴诮饘龠M(jìn)行反應(yīng)生成金屬氧化物(氧化鐵等)，而各種結(jié)構(gòu)鋼總是含有一定量的碳，碳同氧化鐵進(jìn)行反應(yīng)，生成的一氧化碳在焊縫金屬結(jié)晶時(shí)來不及逸出便產(chǎn)生了氣孔。因此
在焊藥中需加入一定量的脫氧劑，阻止熔化金屬同氧結(jié)合，同時(shí)防止氣孔的產(chǎn)生。
(5)合金劑：起滲合金的作用，用以向焊縫金屬中添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪�，以保證焊縫具有良好的力學(xué)性能或其他特殊的性能(如耐蝕、耐熱、耐磨等)，或補(bǔ)充母材在焊接過程中合金元素的燒損。
(6)稀釋劑：稀釋劑是不參加燃燒合成反應(yīng)的惰性添加劑，用來降低焊筆的燃燒速度，以使焊接具有較好的可控性，易于操作。同時(shí)防止反應(yīng)溫度過高，以減小對(duì)焊接母材的熱損傷。
2.3、無電焊接焊縫組織及性能
被焊材料為10mm 厚的45# 鋼、Q235 鋼板，不開坡口，采用對(duì)焊形式進(jìn)行焊接。焊接工藝參數(shù)如表1 所列。
2.3.1 焊縫性能
無電焊接焊縫及Q235 鋼、45# 鋼性能比較表。從表中可以看出，無電焊接焊縫的強(qiáng)度和Q235 鋼接近，但是要低于45# 鋼，這表明焊接焊縫的強(qiáng)度較高，這是由于該種焊接是熔焊焊接，焊縫與基體以冶金結(jié)合方式進(jìn)行結(jié)合。這也說明該種無電焊接焊縫的強(qiáng)度比較高，在野外應(yīng)急情況下的汽車維修中能夠滿足使用要求。無電焊接焊縫及Q235 鋼、45# 鋼性能比較表見表2：
2.3.2 焊縫合金強(qiáng)化機(jī)理
無電焊接的焊縫產(chǎn)物為銅，鋼鐵與銅的物理性能和化學(xué)性能相差極大，熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、冶金性能等都有很大的不同，這對(duì)焊接來說是不利的因素，容易產(chǎn)生焊縫熱裂紋、熱影響區(qū)銅的滲透裂紋以及焊縫力學(xué)性能下降等。為了克服這些不利的因素，需在焊縫中加入合金元素。通過研究，選擇鎳、硅、鈦等作為合金元素，并通過合金元素添加前后焊縫的組織和性能來揭示合金元素的作用。
2.4 焊接工藝
無電焊接技術(shù)是一種新型技術(shù)，其焊接工藝不同于傳統(tǒng)的焊接工藝。焊接時(shí)，焊接工藝對(duì)焊接效果影響很大。由于基材的熔化需要一定的熱量以及熱量的傳遞時(shí)間，如果焊接速度過快，將導(dǎo)致焊不上或焊接效果不好;如果焊接速度過慢，基材接受的熱量太多，將導(dǎo)致基材熔化流失，焊縫中出現(xiàn)較大孔洞，焊接質(zhì)量不好。
無電焊接的焊接工藝如下。
2.4.1 焊接前準(zhǔn)備
(1)準(zhǔn)備防護(hù)手套、墨鏡和打火機(jī)，不需任何其他設(shè)備和電源、氣源。
(2)焊接前，清理擬焊接部位的臟物、油脂或油漆。
(3)對(duì)較厚焊接件，須在焊接部位進(jìn)行坡口打磨處理，較薄焊接件則不需要此工序。
(4)根據(jù)被焊零部件的厚度和屬性，選取相應(yīng)的無電焊接筆。
2.4.2 焊接工藝
(1)取出焊接筆，用打火機(jī)點(diǎn)燃引信，將燃燒的焊接筆頭部對(duì)準(zhǔn)待焊部位，經(jīng)過2s～4s 后在被焊部位進(jìn)行焊接，根據(jù)被焊材料的厚度沿焊道緩慢移動(dòng)，確保金屬液充分滴落和覆蓋在焊縫處，經(jīng)過20s～25s 即可獲得100mm～150mm長的焊縫。
(2)對(duì)于平面上的焊縫，焊接筆與平面垂直且呈不大的傾角。焊接厚度大于1.5mm 的金屬板時(shí)，焊接筆基本接觸焊接平面;厚度小于1.5mm時(shí)，視厚度大小，焊接筆高出15mm～30mm。
(3)對(duì)于有一定傾角的焊接、立焊，則需使用一定的模具才能進(jìn)行，該模具一般由石墨制成。
(4)待焊接結(jié)束，金屬冷卻后，輕輕敲掉焊縫上的熔渣即可得到牢固的焊縫。
2.4.3 注意事項(xiàng)
(1)焊接工作結(jié)束，而焊接筆尚未燃盡時(shí)，切不可用水熄滅，讓其自行燃盡。
(2)工作場地上應(yīng)強(qiáng)制通風(fēng)，在室外焊接時(shí)應(yīng)在背風(fēng)處進(jìn)行。
(3)焊接筆有機(jī)械損壞時(shí)，不得使用。
(4)焊接筆保存在干燥，并遠(yuǎn)離明火的地方。
(5)焊接筆為一次性使用物。
3 無電焊接技術(shù)在汽車維修中的應(yīng)用
國內(nèi)轎車生產(chǎn)所采用焊接鋼板有雙面鍍鋅鋼板, 普通冷軋鋼板以及其他特種鋼板等。鋼板厚度從0.5mm 至1.2mm 不等。在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)當(dāng)中,車身鋼板正在向薄的方向發(fā)展。
另外, 在車身的不同地方, 根據(jù)作用的不同使用厚度和強(qiáng)度不同的鋼板。例如前后翼子板、車頂蓋、車頭蓋等一些不需要受力很大的部位使用薄鋼板, 而一些承受力較大的部位則使用較厚的高強(qiáng)度鋼板, 譬如前后防撞橫梁、左右縱向邊框等。另外, 在一些主要承力部位還采用了較厚的加強(qiáng)板。研究人員利用便攜式無電焊接技術(shù)，進(jìn)行了同種金屬或異種金屬的焊接研究。
3.1 鋼的無電焊接
針對(duì)鋼的無電焊接研究比較成熟，主要根據(jù)鋼的厚度制備了不同的便攜式無電焊接焊筆，目前已經(jīng)成功研制出用于焊接5 mm 以下，6~10mm ，以及10~15 mm 厚度鋼板這三大系列焊筆。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)受焊母材的材料、尺寸以及需要加工形式等進(jìn)行有針對(duì)性的焊接，取得了良好的焊接效果，可以達(dá)到應(yīng)用需求。3.2 Q235 鋼的無電焊接武斌、張保元等利用CuO 、Fe2 O 3+Al 作為高熱劑，對(duì)5 mm 厚的Q235 鋼進(jìn)行了無電焊接，發(fā)現(xiàn)焊縫冶金結(jié)合，存在明顯過渡區(qū)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到350 MPa ，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1000 MPa，焊縫力學(xué)性能較好。焊接5 mm 厚的A3 鋼，焊縫合金存在細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別為370 和1100 MPa。
根據(jù)汽車零部件的特點(diǎn)、無電焊接技術(shù)的焊接工藝參數(shù)，無電焊接技術(shù)在汽車零部件上的應(yīng)用范圍如下：(1)汽車水箱、油箱、浮箱等箱體。(2)汽車水管、水道、油管、排塵管、排氣管等管路、管道。(3)汽車電瓶連接線、導(dǎo)線等線路。(4)汽車傳動(dòng)桿、拉桿、操縱桿等桿件。(5)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢查窗蓋、加水口蓋等車體防護(hù)零部件。(6)其他附件等。
無電焊接技術(shù)使用范圍廣泛，在野外應(yīng)急條件下，可應(yīng)用于汽車金屬零部件出現(xiàn)的斷裂、缺損、裂紋、孔洞以及管路、箱體的跑、冒、滴、漏等的快速修理;還可使用于輪船和鐵路運(yùn)營中的修理和事故處理;也可使用于上下水管道、暖氣管道的修理;地震、礦井、石油井架及消防工作的緊急救護(hù);通訊、電網(wǎng)導(dǎo)線、輸變電設(shè)備的焊接處理;農(nóng)機(jī)、農(nóng)具的田間修理等等。有公開的資料表明，在部分汽車、工程機(jī)械和裝備上進(jìn)行過實(shí)車焊接，焊接后，對(duì)所有焊接件的焊接效果進(jìn)行了檢測，焊接效果均為良好，達(dá)到了使用要求。
4 無電焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢
無電焊接技術(shù)盡管取得了較大的發(fā)展，但也存在著一定的缺陷，還需在以下方面進(jìn)行研究改進(jìn)。
(1)焊接厚度。目前無電焊接技術(shù)能焊接小于10mm 厚的鋼結(jié)構(gòu)件，但汽車中有大量的中、大厚度(10mm～20mm)鋼結(jié)構(gòu)，這些零部件大都為低碳鋼、低合金鋼、中碳鋼、合金鋼等，而且這些汽車零部件在訓(xùn)練中經(jīng)常會(huì)發(fā)生裂紋、斷裂等損傷，對(duì)于這些鋼結(jié)構(gòu)件，在采用焊接厚度小于10mm的無電焊接筆焊接時(shí)，遇到了許多問題，例如易產(chǎn)生焊接裂紋、夾渣、氣孔、不成型甚至焊接不上等。因此，研制可焊接10mm～20mm 厚鋼結(jié)構(gòu)件的無電焊接筆是必要的。
(2)焊接工藝。目前在應(yīng)用無電焊接技術(shù)進(jìn)行焊接時(shí)，只能是平焊或小傾角的焊接，不能實(shí)現(xiàn)立焊或仰焊，這樣就限制了無電焊接技術(shù)的應(yīng)用。因此，實(shí)現(xiàn)無電焊接技術(shù)的立焊或仰焊也是將來的發(fā)展趨勢。
(3)焊接環(huán)境。目前無電焊接技術(shù)只能在常溫的大氣環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用，因此，將來實(shí)現(xiàn)無電焊接技術(shù)在水下、高溫、低溫等惡劣的環(huán)境下應(yīng)用也是必須研究的。
(4)原料的納米化。隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，納米技術(shù)給人們帶來了越來越多意想不到的效果，為了進(jìn)一步提高無電焊接技術(shù)的焊接效果，選用納米化的原材料進(jìn)行無電焊接筆的研究也將是其發(fā)展趨勢。
結(jié)合了自蔓延高溫合成技術(shù)的新型便攜式無電焊接技術(shù)，以簡單、高效和節(jié)能等優(yōu)勢已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料的焊接研究，獲得了良好的焊縫組織和力學(xué)性能，可以滿足應(yīng)急快速加工和汽車維修的實(shí)際需求。但是，焊接過程的快速溫度變化可能造成焊縫應(yīng)力集中甚至出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，對(duì)無電焊接燃燒反應(yīng)速率和溫度的精確控制，進(jìn)而優(yōu)化焊接性能，是需要深入研究的課題。今后發(fā)展更加可控化和更加精細(xì)化的便攜式無電焊接，獲得更加優(yōu)異的焊接接頭組織和綜合力學(xué)性能，將更大的拓展便攜式無電焊接的應(yīng)用。
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