黃世盛，唐衛(wèi)崗，王思鴻，羅良良，李江，常宏

摘要：針對氣門嘴新結(jié)構(gòu)的焊接難題，開發(fā)了一套用于精密薄壁件氣門嘴的焊接整體解決方案。方案內(nèi)容包括：針對螺桿和帽蓋焊件的釬焊連接工藝性及可靠性要求，研發(fā)復(fù)合型藥皮釬焊材料;針對母材熔點低、容易燒損等特點，設(shè)計并制造了自動高頻焊接設(shè)備及異形感應(yīng)線圈;對焊接電流、焊接時間、焊接位置等焊接參數(shù)進(jìn)行試驗，探索出一套成熟的自動高頻焊工藝。該焊接整體解決方案具有高效、低成本、綠色化等優(yōu)點，成功解決了氣門嘴組件的嘴體螺桿與傳感器底座的自動化焊接技術(shù)難題，并通過焊后的拉力測試及氣密性檢驗，滿足焊接質(zhì)量需求，提高了生產(chǎn)效率及成品合格率，目前該方案已應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：精密薄壁件;氣門嘴;高頻感應(yīng)焊;釬焊材料;釬焊工藝

中圖分類號：TG457.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0066-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.12

0? ? 前言

氣門嘴是汽車輪胎的重要組成部件，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，輪胎結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)及性能要求不斷提高和改進(jìn)，氣門嘴的結(jié)構(gòu)和種類也在不斷地變化和發(fā)展[1]。在實際應(yīng)用中，一款新型氣門嘴的焊接主要采用手工釬焊，需要焊工人數(shù)多、對焊工技術(shù)要求高、綜合成本較高，又因其母材熔點低、壁厚較薄的特點，焊接過程中母材容易燒傷，生產(chǎn)效率不高，成品合格率低下，難以滿足批量生產(chǎn)的需求。為此，通過技術(shù)革新開發(fā)出一套新的焊接整體解決方案來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接方法，實現(xiàn)綠色化焊接的同時提高生產(chǎn)效率。

文中主要從釬料選擇、焊接設(shè)備設(shè)計及工藝參數(shù)等影響因素出發(fā)，經(jīng)過工藝驗證總結(jié)出一套自動高頻焊的整體解決方案，用于替代新型氣門嘴的傳統(tǒng)手工釬焊，在降低勞動強度的同時，提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，打造我國工程車輪胎氣門嘴產(chǎn)業(yè)競爭新優(yōu)勢，推動自動化在焊接行業(yè)中的應(yīng)用。

1 釬料的選擇

一般情況下，釬料的液相線應(yīng)低于母材固相線30 ℃以上，且釬料形態(tài)應(yīng)與焊縫形狀相匹配[2]。氣門嘴焊件的材質(zhì)為H62黃銅，熔化溫度為899～906 ℃，同時焊件壁厚較薄，最薄處僅0.6 mm，在釬焊溫度超過800℃時容易變形，故釬料液相線應(yīng)低于770 ℃，常選擇銀釬料或銅基釬料并搭配活性溫度合適的助焊劑進(jìn)行釬焊。

銀釬料主要由Ag固溶體相、Cu固溶體相以及（Ag，Cu）Zn相組成，具有良好的塑韌性。銅基釬料主要由Cu固溶體相、Cu3P相以及Sn含量較高的金屬間化合物組成，塑韌性較差[2]?？紤]到該焊件為商用汽車零配件，要求具有高強度、高韌性、高抗震的釬焊接頭，故應(yīng)選用塑韌性更好、可靠性更高的銀釬料作為氣門嘴釬焊材料。同時，為提升釬焊工藝自動化水平，減少涂抹助焊劑工序，可采用復(fù)合型的藥皮片狀釬料或釬料膏。由于釬料膏中的有機物高溫燃燒或加熱時會產(chǎn)生氣泡較難消除，易產(chǎn)生氣孔，導(dǎo)致焊縫不致密，不能完全滿足商用汽車氣門嘴的質(zhì)量要求，最終釬料形態(tài)選擇復(fù)合型的藥皮片狀釬料。

綜合考慮釬焊工藝性、釬焊接頭性能要求以及材料成本，最終選用由杭州華光焊接新材料股份有限公司自主研發(fā)的BAg45CuZn復(fù)合藥皮焊片作為該焊件的釬焊材料。該釬料由BAg45CuZn合金焊片、助焊劑及少量粘結(jié)劑制成，能夠直接裝配在焊件上無需額外涂抹助焊劑進(jìn)行釬焊，焊后無炭黑殘留，焊縫飽滿，適合氣門嘴的自動化釬焊，圖1為BAg45CuZn復(fù)合藥皮焊片。

1.2 復(fù)合藥皮焊片的設(shè)計

BAg45CuZn復(fù)合藥皮焊片的設(shè)計指標(biāo)主要有藥皮層厚度、藥皮層粘結(jié)劑含量、助焊劑成分以及藥皮層均勻性。

藥皮層厚度決定了助焊劑添加量，直接影響母材表面氧化膜的去除效果，是進(jìn)行有效釬焊的關(guān)鍵指標(biāo);藥皮層粘結(jié)劑為有機化合物，能夠幫助藥皮涂層的成型，一般粘結(jié)劑含量占藥皮涂層的5%以上才能起到粘結(jié)助焊劑和焊片的作用，但粘結(jié)劑比例上升意味著助焊劑比例下降，同時容易在釬焊時產(chǎn)生碳化，最終影響釬焊效果;助焊劑成分影響其釬焊時對母材表面氧化膜的去除效果和母材的保護(hù)效果，可以選用華光自制的助焊劑;藥皮層均勻性指藥皮涂層在焊片不同位置的厚度均勻程度，極端情況表現(xiàn)為焊片部分位置無焊劑覆蓋，可能對釬焊產(chǎn)生一定影響，需要結(jié)合藥皮加熱熔化后的流動情況分析。

綜上分析，設(shè)計了三因素三水平的正交試驗，驗證藥皮厚度、粘結(jié)劑占比以及藥皮均勻性對釬焊的影響，驗證方案如表1所示。

2 焊接設(shè)備設(shè)計

2.1 焊接熱電源選擇

高頻感應(yīng)焊是利用電磁感應(yīng)原理，將工件的焊接區(qū)域處于交變磁場中，利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流效應(yīng)對焊件進(jìn)行加熱，使熔化的釬料在毛細(xì)作用下填充縫隙，從而達(dá)到快速焊接的目的[3]。感應(yīng)釬焊具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點，與其他焊接方式相比，其優(yōu)勢在于可以進(jìn)行局部快速加熱，污染排放少。其一，可對焊件局部加熱，熱影響區(qū)小，有利于減少母材氧化，降低清理要求及焊后翹曲;其二，加熱時間較短，能大幅提升焊接效率，減少助焊劑的使用量;其三，加熱時不產(chǎn)生明火，不使用易燃易爆等危險氣體作為加熱源或保護(hù)氣體。綜上，感應(yīng)釬焊應(yīng)用于氣門嘴等小型組合焊件的批量生產(chǎn)中，不僅能提高生產(chǎn)效率及焊接質(zhì)量，而且可以降低生產(chǎn)成本，改善勞動環(huán)境。

高頻電源頻率決定感應(yīng)加熱深度，工程上規(guī)定：當(dāng)零件截面中渦流電流的強度為最大表面電流的0.368倍時，該處到表面的距離電流滲透深度Δ可表示為

根據(jù)集膚效應(yīng)，當(dāng)交流電流通過金屬零件時，零件截面上的電流分布是不均勻的，最大的電流密度在零件表面，而且頻率越高，產(chǎn)生的電流就越大。焊件為薄壁類焊件，需要的電流滲透深度較小，因此在線圈、焊件材料不變的前提下，較高的電流頻率能使電流集中在焊件表面以提高釬焊效率。

但是該焊件存在多處尖角及螺紋，根據(jù)尖角效應(yīng)，在感應(yīng)加熱時零件尖角處的渦流強度最大，加熱最快，易導(dǎo)致邊角熔化而損傷焊件，實際輸出不易控制，因此電流頻率也不宜過大。

綜上分析，要保證具有較高的釬焊效率并且避免零件局部過熱，最終電源頻率確定為20～40 kHz。

2.2 自動化設(shè)計

考慮現(xiàn)場物流、生產(chǎn)數(shù)量及綜合成本等因素，焊接整體解決方案里設(shè)計了人工上下料的自動焊接設(shè)備，自動變頻焊接設(shè)備3D示意如圖2所示。整套系統(tǒng)是對氣門嘴進(jìn)行感應(yīng)釬焊，全系統(tǒng)包括：感應(yīng)加熱系統(tǒng)、感應(yīng)釬焊控制系統(tǒng)、機械動作系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及紅外測溫系統(tǒng)。

感應(yīng)加熱系統(tǒng)主要是對氣門嘴進(jìn)行加熱，使釬料熔化以完成焊接;感應(yīng)釬焊控制系統(tǒng)對整體動作進(jìn)行控制;機械動作系統(tǒng)對產(chǎn)品進(jìn)行固定、壓緊及升降、感應(yīng)器升降、X、Y軸調(diào)節(jié)等;冷卻系統(tǒng)對釬焊設(shè)備進(jìn)行冷卻;紅外測溫系統(tǒng)對產(chǎn)品進(jìn)行溫度監(jiān)測。紅外測溫數(shù)據(jù)采用RS485數(shù)字通訊模式傳輸，利用DB9接頭與高頻加熱電源直接連接，具有連接簡單、響應(yīng)時間快、抗干擾能力強等特點。

焊接過程為：將釬料放置在待焊氣門嘴上→產(chǎn)品放置定位工裝上，準(zhǔn)備焊接→壓緊機構(gòu)下降壓緊氣門嘴→感應(yīng)器前進(jìn)至焊接位置→感應(yīng)釬焊設(shè)備焊接產(chǎn)品→感應(yīng)器后退至初始位置→壓機機構(gòu)上升至初始位置→將產(chǎn)品從定位工裝內(nèi)取出，并分類成品與不合格品。

根據(jù)產(chǎn)品節(jié)拍要求，感應(yīng)釬焊設(shè)備采用全數(shù)字式設(shè)備，設(shè)備有手動、自動、紅外三種模式。感應(yīng)加熱電源采用ARM作為主控芯片，具有控制精度高、通訊豐富、保護(hù)及時等特點，并可實時記錄運行參數(shù)及工藝分析。

紅外測溫系統(tǒng)在焊接過程中有兩種控制模式：一種是上限溫度保護(hù)模式，即采用時間加熱參數(shù)進(jìn)行加熱，當(dāng)出現(xiàn)溫度超高時，立刻停機報警，最大程度上保護(hù)工件;第二種模式是溫度焊接模式，可以采用溫度作為負(fù)反饋信號，進(jìn)行溫度工藝參數(shù)設(shè)定和加熱。紅外焊接加工模式如圖3所示。

3 焊接工藝探究

3.1 線圈設(shè)計

氣門嘴焊接材質(zhì)為H62黃銅，母材熔點較低，且焊件壁厚較薄，僅0.6 mm，主體焊接處直徑分別為8 mm和20 mm，長度方向尺寸最長為52 mm，相差32 mm，尺寸相差較大，而且在遠(yuǎn)端存在螺紋等尖角設(shè)計，故焊接時選用常用的圓形線圈會導(dǎo)致溫度不均，焊件局部熔化、燒傷等缺陷;另外，考慮到加熱效率及黃銅薄壁件的特點，需要合理設(shè)計線圈與焊件之間的耦合間隙，使其既能保證焊接區(qū)域的焊接質(zhì)量，又能保證焊件其他部分避免燒傷。

文中采用仿真輔助軟件設(shè)計了異形線圈，開發(fā)了較為合理的線圈結(jié)構(gòu)。普通線圈設(shè)計仿真結(jié)果如圖4所示，焊接的最高溫度點出現(xiàn)在螺桿兩端，且工件的焊接溫度相差較大，無法獲得滿意的焊接效果。異形線圈設(shè)計仿真結(jié)果如圖5所示，異形線圈可以將磁感線均勻地分布在焊縫周圍，焊接的最高溫度點出現(xiàn)在焊縫處，有效防止因磁場密集分布在螺桿兩端產(chǎn)生局部過熱引起的損傷，并且整個工件的溫度相差較小，可以較好地防止工件的焊接變形，加熱效果較為理想。異形線圈的三維模型如圖6所示。

3.2 工藝參數(shù)

3.2.1 藥皮焊片參數(shù)驗證

不同藥皮焊片參數(shù)對焊接效果的影響結(jié)果如表2所示。

藥皮厚度是焊縫飽滿程度的關(guān)鍵影響因素。藥皮厚度過薄時，助焊劑不足，導(dǎo)致焊件最后加熱的中間部位的母材表面氧化膜去除不充分，產(chǎn)生缺陷;隨著藥皮厚度增加至0.15 mm以上時，焊縫飽滿程度最佳且不再發(fā)生變化。粘結(jié)劑占比對焊后焊縫的飽滿程度有較小影響，為次要影響因素，具體表現(xiàn)為粘結(jié)劑占比提高時，助焊劑比例下降，產(chǎn)生同樣的保護(hù)不足問題。當(dāng)藥皮厚度足夠時，粘結(jié)劑占比的提升對焊縫飽滿程度不產(chǎn)生負(fù)面影響，可以認(rèn)為粘結(jié)劑含量增加是通過降低助焊劑比例影響焊接效果的，其本身不會對焊接產(chǎn)生不利影響。藥皮均勻性對焊接效果基本不產(chǎn)生影響，在加熱時熔化后的藥皮充分均勻流動至母材表面起到助熔作用。

綜上分析，焊片參數(shù)對焊接效果的影響主要取決于助焊劑含量高低。

3.2.2 焊接工藝參數(shù)驗證

焊接工藝參數(shù)直接影響焊接的質(zhì)量及穩(wěn)定性，對焊件的好壞起決定性作用。焊接治具在焊接過程中對焊件起到定位及熱量傳導(dǎo)作用，不同熱傳導(dǎo)系數(shù)材料組合形成的焊接治具如圖7所示，在焊接過程中可以控制焊件的熱量分布及傳熱速度。依據(jù)組件結(jié)構(gòu)及銀釬料特性，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[4-5]，制定了初步的試驗方案，試驗方案及結(jié)果如表3所示。在此焊接參數(shù)下進(jìn)行大量試驗，焊件表面無缺陷，表面平整，焊縫美觀，如圖8所示。

3.3 產(chǎn)品性能測試

依據(jù)應(yīng)用端實際需求，對氣門嘴焊后組件進(jìn)行拉力測試及氣密性測試，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，隨機挑選測試樣品。測試工裝如圖9所示，其參數(shù)及結(jié)果如表4所示。由表4可知，測試氣門嘴組件在拉伸載荷大于5 kN時，均未發(fā)生斷裂;且在充入規(guī)定壓力值為1.1 MPa的壓縮空氣后，仍無泄漏現(xiàn)象，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

（1）開發(fā)了一套自動高效、用于精密薄壁件——氣門嘴的高頻焊接整體解決方案;該方案具有高效、環(huán)保、成本低等優(yōu)勢，已在汽車零部件制造行業(yè)成熟應(yīng)用并獲得好評。該方案可推廣到其他工程氣門嘴及相關(guān)領(lǐng)域的自動焊接，具有較為良好的應(yīng)用前景。

（2）采用自主研發(fā)的復(fù)合藥皮焊片BAg45CuZn釬焊的氣門嘴，釬縫飽滿，釬焊接頭力學(xué)性能好，氣密性好，可滿足汽車輪胎應(yīng)用的特殊條件。

（3）探索出一套成熟的氣門嘴精密薄壁件自動高頻焊工藝，即選用高5 mm紫銅上墊塊和高40 mm石墨下墊塊，高頻感應(yīng)電流80 A，釬焊時間16 s，可實現(xiàn)銀基釬焊片BAg45CuZn與黃銅母材間的良好冶金結(jié)合，無夾渣、空洞等缺陷，可獲得最佳的焊接質(zhì)量。

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