车身镀锌板点焊工艺

摘要：采用镀锌板可以有效地提高汽车车身的防腐性能，延长汽车使用寿命，文章针对镀锌板点焊过程中焊点粘铜、开焊、飞溅及电极磨损等问题进行了工艺分析。 主要通过进行二次脉冲分析试验、电极帽材质的更换、循环水系统的改进以及中频焊设备的引进等方法提升焊接质量。 试验证明，经过工艺改进可以减少焊点粘铜和飞溅、有效缓解主缆过热现象以及提高电极使用寿命等。 随着镀锌板在汽车业的广泛采用，新的点焊工艺也需不断研究和开发。

汽车车身作为所有零部件的载体， 它的性能直接关系到汽车的使用寿命和碰撞安全。 据有关调查，一辆国产汽车 1 年内就会出现腐蚀斑点，3～4 年就会出现腐蚀穿孔现象 [1] ，尤其是在严寒、湿热和盐雾等恶劣环境中，腐蚀现象更加明显。 在国外早已经开始大量使用镀锌板来提高车身的耐腐蚀性，延长汽车使用寿命。 盐雾试验表明， 镀锌板的耐腐蚀时间是普通冷轧钢板的2～3 倍 [2] 。 近十几年，自主品牌也逐步开始采用镀锌钢板，并且越来越广泛地应用在汽车制造业。

1 镀锌板焊接存在的问题

（1）焊点参数设定不合理，造成开焊和飞溅；

（2）外观质量不良，焊点粘铜，电极磨损加速；

（3）焊接设备不能满足参数设定。

2 镀锌板焊接工艺分析及改进举措

2.1 车身镀锌板种类分析

汽车车身用镀锌钢板主要使用热镀纯锌钢板（GI）、电镀纯锌钢板（EG）、热镀锌铁合金钢板（GA）和电镀锌镍合金钢板，在我国普遍采用的是 GI。表 1 示出4 种材质钢板的优缺点对比。

2.2 镀锌板焊接参数设定

2.2.1 焊接镀锌板电流提升分析

由于镀锌钢板在点焊时需要破坏掉表面的锌层，同时熔化的锌层增加了板与板的接触面积， 因此在设
定焊接参数时， 相对于普通的冷轧钢板需要提高焊接电流。

首先将 127 组不同板厚的冷轧钢板组合后， 进行试片撕裂试验，确定每组的焊接参数，经过试验得到焊接参数范围为 6?500～11?000?A。 然后再把每组中的冷轧钢板用相同厚度的 GI 板替换掉， 进行试片撕裂试验，确定每组的焊接参数，经过试验得到的焊接参数范围为 8?800～12?500?A。

经分析得出： 焊接同等厚度的镀锌板与冷轧钢板，镀锌板要比冷轧钢板电流高，电流提高范围约为10％～30％。

2.2.2 焊接参数二次脉冲

由于镀锌板增加了锌层，焊接时过高地提升电流，加大了电极帽磨损速度，增加了飞溅程度，因此传统的单脉冲方式已经不能满足镀锌板焊接， 现在普遍采用多脉冲的焊接方式。 多脉冲原理为第 1 次焊接时预先打破锌层，第 2 次为钢板的焊接，这种焊接方式可以减小焊点粘铜及飞溅产生的几率。

为了确定打破锌层所需参数， 文章进行了以下试验：采用相同厚度和材质的镀锌试片，将通电时间设定为 0.1?s（5 周波）， 初始电流设定为 3?500?A 并不断增加，每次电流增加 500?A，经过多次试验，发现电流在4?000～4?500?A 时锌层可以被打破，根据此数据可以设定多脉冲焊接参数。

2.3 焊点质量的改善

由于镀锌板焊接时需要提升焊接电流及采用二次脉冲的方式，产生了主缆冷却不良、电极臂过热及电极帽粘铜等现象。

2.3.1 焊钳电极帽材质的选用

目前汽车厂常用电极帽材质为锆铬铜（在铜里面加入 0.25％的锆和 0.1％的铬形成的合金）。 镀锌板焊接时， 由于焊接参数较大， 电极与镀锌板间产生的热量高，且铬锆铜电极帽耐软化温度较低，造成铬锆铜电极出现焊接端面软化。 镀锌板中熔化温度较低的锌和铬锆铜电极发生反应形成锌铜合金，出现焊点粘铜现象，降低了焊点质量，加速了电极帽的磨损。 由于反应产生的锌铜合金导热性及导电性较差，附着在电极帽上时，导致了电极帽导热性能降低，如果不及时修磨，存在焊点开焊的隐患。

为解决此问题， 目前汽车厂逐步开始采用弥散铝强化铜材质的电极帽， 这种电极帽是在铜里面加入0.5%或 1.1%的 Al 2 O 3 形成的合金。弥散铝强化铜因为颗粒结构紧密防止了锌的穿透，所以与锌层的反应较少，同时 Al 2 O 3 抗分解性质抵制了液体金属的侵蚀。在某款汽车的实际应用过程中， 发现采用这种材质的电极帽在一定程度上减轻了点焊时焊点粘铜现象， 但不能从根本上杜绝粘铜。

2.3.2 制定电极帽修磨规范

由于粘铜现象导致了电极帽的磨损加速， 因此需要各个工位根据焊钳的焊接参数， 分别制定电极帽的
修磨规范。 这样有助于减轻粘铜现象、电极帽的磨损及飞溅程度。

2.3.3 冷却不良的改善

悬挂点焊机循环水常用流量为 18?L/min，可以满足普通冷轧钢板点焊时焊接设备的冷却。 由于镀锌板焊接时焊接电流及通电时间提升， 此流量不能满足冷却需求，出现了主缆过热现象，不能进行连续生产。 为了改善对焊钳的冷却效果，需要对循环水系统进行改造。

改善前：电极臂、辅电缆和主电缆为串联，即从进水管出来的水依次对电极臂、 辅电缆和主电缆进行冷却，这种冷却方式称为弱水冷，如图 1a 所示。 从电极臂进入的冷却水在冷却过程中温度会逐步提升， 到主电缆时水温已经达到一定温度， 因此对主电缆的冷却效果较差，出现主电缆过热现象。

改善后：电极臂与辅电缆串联，再与主电缆并联。这样从进水管出来的水分为 2 路， 一路冷却电极臂和辅电缆，一路冷却主电缆，这种冷却方式称为强水冷，如图 1b 所示。 冷却主电缆与冷却电极臂的水温都是初始温度，有效地缓解了主缆过热现象。

2.4 焊接设备的选择

由于工频焊机具有价格便宜、 耐用和维修方便等优点，且以前汽车车身板材主要以普通冷轧钢板为主，对焊机性能要求不高，因此工频焊机被广泛应用。 目前在汽车厂逐步引入镀锌板后，焊接参数需要进行提升，工频焊机容量不能满足较大工艺参数的设置， 出现了超负荷运行现象，工频焊机逐渐显现出了存在的不足，主要体现在 3 个方面。

（1）焊机单相供电，电网不平衡，对电网冲击大；

（2）焊接电流波动与飞溅较大；

（3）对电力配置要求较高，且电能转化率低，耗能高。

在这种情况下， 汽车厂开始引入新的焊接设备——— 中频焊机。 工频焊机与中频焊机原理对比图，如图 2 所示。中频焊接的工作原理为：先将电网三相 50?Hz电整流为高电压直流，再通过功率逆变器将直流转换为1?000?Hz 高电压方波，然后经中频变压器将低电压送至电极。 逆变频率越高，焊接变压器尺寸及质量越小。

经分析，中频焊机相对于工频焊机具有以下优势：

（1）功率因数（接近于 1）和电能转化率高，减少了电源消耗，因此焊接同样厚度的板材，中频焊机设定的电流要比工频焊机设定的电流减少 15%～20%；

（2）三相同时供电，对电网冲击小，对电力配置要求低；

（3）焊接频率高（1?000?Hz 或更高），变压器体积只有工频变压器的 1/3，轻便快捷；

（4）与工频系统相比能更多与更准确地控制焊接参数；

（5）焊接直流输出，焊机平稳，飞溅小；

（6）焊接通电时间缩短，减少了焊接电流及焊接压力，提高了电极使用寿命。

3 结论

随着汽车工业的发展， 镀锌板从内覆盖件到外覆盖件的制造成为汽车业发展的方向， 会越来越多地被
汽车业所采用，因此需要投入更多的精力去试验、分析和探讨镀锌板点焊工艺，提高焊接质量，延长车身寿命。

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