淺談汽車維修中的無電焊接技術及發展論文
1 引言
焊接技術是汽車制造過程和汽車維修的一項關鍵技術，尤其是車身焊接被國內汽車制造企業視為車輛制造的四大工藝之一。整個汽車的白車身以及發動機變速箱等零部件的生產，都離不開焊接技術的應用。目前汽車制造和維修行業所用的焊接方法，主要有電阻焊(點焊、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。
隨著焊接技術的發展，人們對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急維修，汽車各結構件、箱體、管路等零部件使用中出現的故障，比如結構裂紋，連接裂縫，管路、箱體的跑、冒、滴、漏等，將嚴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行修復，傳統的焊接方法離不開焊接電源和笨重的儲氣瓶，嚴重影響汽車的機動搶修和快速搶修，在高寒、高溫、缺氧等惡劣條件下，這些傳統的應急維修方法更無法施展。而無電焊接技術的應用，對特殊環境下材料和設備的焊接維修具有重要作用。相對于電弧焊、氣焊等傳統的焊接技術，便攜式無電焊接不需要電源、儲氣裝置或其他設備，攜帶非常方便;不需要特殊的技術培訓，操作簡單;在特殊環境甚至惡劣工作條件下，能夠實現方便、高效、節能的原位快速加工和維修，是一種結合了焊接和自蔓延高溫合成的新型技術，相對于常規的焊接方法和傳統的自蔓延焊接更加簡單便攜。
2 便攜式無電焊接技術
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，焊筆一經點燃，不需要電源，也不需要氣源，僅依靠焊接材料燃燒放出的熱量就能進行焊接。即以化學反應放出的熱為高溫熱源，以反應產物為焊料，在焊接件間形成牢固連接，簡稱無電焊接。
自上世紀由蘇聯科學家確立自蔓延技術以來，自蔓延技術與其他許多傳統技術相結合形成了許多新型技術，自蔓延焊接技術屬于其中一種。自蔓延焊接技術是在待焊接的兩塊材料之間填進合適的燃燒反應原料，以一定的壓力夾緊待焊材料，待燃燒反應過程完成后，即可實現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，對于一般金屬材料無電焊接的研究較多且得到了廣泛的應用。無電焊接技術作為自蔓延焊接技術的一種，它克服了自蔓延焊接技術點火模式和真空壓力等工藝參數對焊接過程的影響，焊接過程大大簡化。
國內近幾年對無電焊接技術也進行了大量研究，主要集中在對焊接材料的配比、粒度、壓坯密度等參數及焊接工藝穩定性進行試驗，同時對被焊材料的厚度、種類及部位等也進行了一定的研究。2006 年研制出了可焊接6mm～10mm 鋼結構件的無電焊接筆，對無電焊接中所使用的無電焊接筆的結構、焊筆的制備以及焊接工藝等方面進行了優化試驗;對焊筆的引燃方式、燃燒機理、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、焊縫組織與焊接母材界面的結合強度等方面也進行了深入的分析試驗。目前，國內生產的可焊接6mm～10mm 鋼結構件的無電焊接筆的技術指標已達到相當水平，能焊接低碳鋼、低合金鋼、中碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料，其焊縫抗拉強度可達300MPa。
2.1 無電焊接技術的主要特點
(1)焊接簡單方便，工作效率高。無電焊接技術焊接時不需要任何電源和其他設備，只要用明火點燃焊筆，僅僅依靠混合粉末燃燒反應放出的熱量就能進行焊接，效率高，小巧輕便，操作簡單，單人即可完成。在緊急條件下，可快速簡便地對汽車零部件損傷進行焊接。
(2)焊接效果好，焊縫性能優良。無電焊接是一種熔焊焊接，焊縫抗拉伸強度介于200MPa～300MPa，彎曲強度介于300MPa～700MPa，沖擊韌性介于16J/cm2～55J/cm2，硬度介于120HRB～180HRB，抗腐蝕性要優于45# 鋼，能有效滿足汽車應急維修需要。
(3)適用范圍廣。無電焊接技術可對汽車上的多種零部件進行焊接修理，已經在多個汽車零部件上(水箱、油箱、水管、油管、排塵管、電瓶連接線、拉桿等)進行了應用，焊接效果良好，能夠滿足使用要求。
(4)有一定的局限性。無電焊接技術目前已可焊接10mm 之內的結構件，但焊接的.金屬材料尚不廣泛，目前主要焊接鋼、銅等結構件，還不能焊接鋁、鈦等結構件。
2.2 無電焊接筆的結構與成分
2.2.1 結構組成及作用
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。堵頭是焊接夾持的部位，一般為長度15mm～25mm 的金屬圓棒，其直徑與外殼的內徑相同，其作用是焊接時協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，平時起保護、封裝焊筆的作用，焊接時將其摘下固定于焊筆尾部的夾持端，以夾持焊筆進行焊接。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生自蔓延反應，一般由易點燃的藥品通過黏結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，其化學成分直接影響焊縫金屬的組織和性能、焊渣的形態及保護作用、焊接的工藝性等，是焊接質量的決定因素，因而焊藥成分是無電焊接筆性能優劣的關鍵。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：能發生燃燒合成反應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，這類高熱劑發生自蔓延反應放出大量熱量的同時，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：鋁熱反應放出大量熱量生成金屬產物的同時也生成大量的非金屬成分，在熔池冷卻時首先凝固，夾雜于焊縫金屬當中，嚴重影響焊縫的強度和韌性。因此，需要在焊藥中添加適當的造渣劑，使其與金屬產物有效分離，并形成熔點低、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熔池的有害作用，保護熔化金屬，使焊接時金屬焊縫中不出現氣孔，同時有助于熔滴過渡。選取適當的造氣劑，可實現自保護焊。
(4)脫氧劑：用以降低熔渣的氧化性并脫除金屬中的氧。空氣中的氧同熔融金屬進行反應生成金屬氧化物(氧化鐵等)，而各種結構鋼總是含有一定量的碳，碳同氧化鐵進行反應，生成的一氧化碳在焊縫金屬結晶時來不及逸出便產生了氣孔。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合，同時防止氣孔的產生。
(5)合金劑：起滲合金的作用，用以向焊縫金屬中添加適當的合金元素，以保證焊縫具有良好的力學性能或其他特殊的性能(如耐蝕、耐熱、耐磨等)，或補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。同時防止反應溫度過高，以減小對焊接母材的熱損傷。
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，采用對焊形式進行焊接。焊接工藝參數如表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，無電焊接焊縫的強度和Q235 鋼接近，但是要低于45# 鋼，這表明焊接焊縫的強度較高，這是由于該種焊接是熔焊焊接，焊縫與基體以冶金結合方式進行結合。這也說明該種無電焊接焊縫的強度比較高，在野外應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 焊縫合金強化機理
無電焊接的焊縫產物為銅，鋼鐵與銅的物理性能和化學性能相差極大，熔點、導熱系數、線膨脹系數、冶金性能等都有很大的不同，這對焊接來說是不利的因素，容易產生焊縫熱裂紋、熱影響區銅的滲透裂紋以及焊縫力學性能下降等。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
無電焊接技術是一種新型技術，其焊接工藝不同于傳統的焊接工藝。焊接時，焊接工藝對焊接效果影響很大。由于基材的熔化需要一定的熱量以及熱量的傳遞時間，如果焊接速度過快，將導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，將導致基材熔化流失，焊縫中出現較大孔洞，焊接質量不好。
無電焊接的焊接工藝如下。
2.4.1 焊接前準備
(1)準備防護手套、墨鏡和打火機，不需任何其他設備和電源、氣源。
(2)焊接前，清理擬焊接部位的臟物、油脂或油漆。
(3)對較厚焊接件，須在焊接部位進行坡口打磨處理，較薄焊接件則不需要此工序。
(4)根據被焊零部件的厚度和屬性，選取相應的無電焊接筆。
2.4.2 焊接工藝
(1)取出焊接筆，用打火機點燃引信，將燃燒的焊接筆頭部對準待焊部位，經過2s～4s 后在被焊部位進行焊接，根據被焊材料的厚度沿焊道緩慢移動，確保金屬液充分滴落和覆蓋在焊縫處，經過20s～25s 即可獲得100mm～150mm長的焊縫。
(2)對于平面上的焊縫，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，焊接筆基本接觸焊接平面;厚度小于1.5mm時，視厚度大小，焊接筆高出15mm～30mm。
(3)對于有一定傾角的焊接、立焊，則需使用一定的模具才能進行，該模具一般由石墨制成。
(4)待焊接結束，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
(1)焊接工作結束，而焊接筆尚未燃盡時，切不可用水熄滅，讓其自行燃盡。
(2)工作場地上應強制通風，在室外焊接時應在背風處進行。
(3)焊接筆有機械損壞時，不得使用。
(4)焊接筆保存在干燥，并遠離明火的地方。
(5)焊接筆為一次性使用物。
3 無電焊接技術在汽車維修中的應用
國內轎車生產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。在現代汽車設計當中,車身鋼板正在向薄的方向發展。
另外, 在車身的不同地方, 根據作用的不同使用厚度和強度不同的鋼板。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板。研究人員利用便攜式無電焊接技術，進行了同種金屬或異種金屬的焊接研究。
3.1 鋼的無電焊接
針對鋼的無電焊接研究比較成熟，主要根據鋼的厚度制備了不同的便攜式無電焊接焊筆，目前已經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。實際應用時，根據受焊母材的材料、尺寸以及需要加工形式等進行有針對性的焊接，取得了良好的焊接效果，可以達到應用需求。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5 mm 厚的Q235 鋼進行了無電焊接，發現焊縫冶金結合，存在明顯過渡區，抗拉強度達到350 MPa ，抗彎強度達到1000 MPa，焊縫力學性能較好。焊接5 mm 厚的A3 鋼，焊縫合金存在細晶強化和彌散強化作用，抗拉強度和抗彎強度分別為370 和1100 MPa。
根據汽車零部件的特點、無電焊接技術的焊接工藝參數，無電焊接技術在汽車零部件上的應用范圍如下：(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、導線等線路。(4)汽車傳動桿、拉桿、操縱桿等桿件。(5)汽車發動機檢查窗蓋、加水口蓋等車體防護零部件。(6)其他附件等。
無電焊接技術使用范圍廣泛，在野外應急條件下，可應用于汽車金屬零部件出現的斷裂、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;通訊、電網導線、輸變電設備的焊接處理;農機、農具的田間修理等等。有公開的資料表明，在部分汽車、工程機械和裝備上進行過實車焊接，焊接后，對所有焊接件的焊接效果進行了檢測，焊接效果均為良好，達到了使用要求。
4 無電焊接技術的發展趨勢
無電焊接技術盡管取得了較大的發展，但也存在著一定的缺陷，還需在以下方面進行研究改進。
(1)焊接厚度。目前無電焊接技術能焊接小于10mm 厚的鋼結構件，但汽車中有大量的中、大厚度(10mm～20mm)鋼結構，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練中經常會發生裂紋、斷裂等損傷，對于這些鋼結構件，在采用焊接厚度小于10mm的無電焊接筆焊接時，遇到了許多問題，例如易產生焊接裂紋、夾渣、氣孔、不成型甚至焊接不上等。因此，研制可焊接10mm～20mm 厚鋼結構件的無電焊接筆是必要的。
(2)焊接工藝。目前在應用無電焊接技術進行焊接時，只能是平焊或小傾角的焊接，不能實現立焊或仰焊，這樣就限制了無電焊接技術的應用。因此，實現無電焊接技術的立焊或仰焊也是將來的發展趨勢。
(3)焊接環境。目前無電焊接技術只能在常溫的大氣環境下進行應用，因此，將來實現無電焊接技術在水下、高溫、低溫等惡劣的環境下應用也是必須研究的。
(4)原料的納米化。隨著納米技術的迅速發展，納米技術給人們帶來了越來越多意想不到的效果，為了進一步提高無電焊接技術的焊接效果，選用納米化的原材料進行無電焊接筆的研究也將是其發展趨勢。
結合了自蔓延高溫合成技術的新型便攜式無電焊接技術，以簡單、高效和節能等優勢已經廣泛應用于材料的焊接研究，獲得了良好的焊縫組織和力學性能，可以滿足應急快速加工和汽車維修的實際需求。但是，焊接過程的快速溫度變化可能造成焊縫應力集中甚至出現裂紋的現象，對無電焊接燃燒反應速率和溫度的精確控制，進而優化焊接性能，是需要深入研究的課題。今后發展更加可控化和更加精細化的便攜式無電焊接，獲得更加優異的焊接接頭組織和綜合力學性能，將更大的拓展便攜式無電焊接的應用。
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