車身電弧螺柱焊強(qiáng)度影響因素及優(yōu)化探析

范春平 郭躍輝 賓可 向濤 章維

上汽大眾汽車有限公司 上海市 201805

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，螺柱類緊固件的使用率越來越高，其中最具代表性的是螺柱焊。螺柱焊是將螺柱一端與鈑金件接觸，通過引弧，待接觸面熔化后，給螺柱一定壓力，完成焊接的方法。具有焊接時(shí)間短、材料適應(yīng)性強(qiáng)、熱影響小、操作簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn)?？商娲T接、鉆孔、手工電弧焊、電阻焊和釬焊等連接工藝。隨著汽車工業(yè)和螺柱焊技術(shù)的不斷發(fā)展，已在緊固件連接上逐步替代了電弧焊、電阻焊、鉆孔等傳統(tǒng)連接工藝，發(fā)展為制造業(yè)中一種基本的熱加工方法。螺柱焊80%以上是通過焊機(jī)完成的。螺柱焊機(jī)按原理分為電弧螺柱焊接和電容放電螺柱焊接兩大類，目前汽車白車身應(yīng)用較多的是電弧螺柱焊。本文主要研究的也是電弧螺柱焊（以下簡(jiǎn)稱螺柱焊）。

2 常見螺柱焊設(shè)備、缺陷及原因

2.1 設(shè)備及原理

常見的螺柱焊設(shè)備有自動(dòng)和手動(dòng)，設(shè)備部件及工作原理圖見圖1。

圖1 螺柱焊設(shè)備部件及方法原理圖

2.2 缺陷類型

常見的螺柱焊缺陷類型有飛濺、焊瘤、氣孔、開裂、焊穿、假焊、未熔合和螺柱不垂直等，圖2 是部分螺柱缺陷的微觀金相組織圖。

圖2 缺陷金相照片

2.3 影響原因

影響螺柱焊強(qiáng)度的主要因素可分為設(shè)備、焊接參數(shù)和焊接母材三類：

1）參數(shù)設(shè)定不合理：焊接電流過大或過?。缓附訒r(shí)間過長(zhǎng)或過短；下落速度過快或過慢；提升高度過高或過低等。

2）設(shè)備維護(hù)不到位：夾持器，電弧罩不清潔；夾持器松動(dòng)，夾持力不夠；焊槍垂直度不夠；手動(dòng)焊接導(dǎo)向磨損；設(shè)備分流；接地不良和失效等。

3）焊接母材：參數(shù)未隨母板或螺柱端面直徑變化而變化；母板油污，未清理干凈；焊接面不平整等。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中，螺柱焊接強(qiáng)度以螺柱扭矩破壞性方式為判斷，螺柱破壞性扭矩要求如表1，同時(shí)結(jié)合螺柱金相微觀分析驗(yàn)證。

表1 螺柱扭矩破環(huán)性檢驗(yàn)最低扭矩要求表

3.1 設(shè)備參數(shù)

本文采用車間螺柱焊設(shè)備，調(diào)節(jié)焊接電流、焊接時(shí)間、螺柱提升高度三因素，進(jìn)行三水平的L9 正交實(shí)驗(yàn)見表2，以驗(yàn)證焊接參數(shù)對(duì)螺柱強(qiáng)度影響的主次順序（螺柱選取M6）。

表2 焊接電流I、焊接時(shí)間t、提升高度h 因素表

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度破壞性扭矩檢測(cè)結(jié)果表如表3，表4。滿足表1 最低扭矩要求，破壞性扭矩越大，說明強(qiáng)度越高。微觀金相組織見圖3，金相均合格，且母材與螺柱界面金相越致密，說明溶合度越高，強(qiáng)度越大。

圖3 正交實(shí)驗(yàn)螺柱微觀金相組織圖

表3 影響螺柱強(qiáng)度I、t、h、正交實(shí)驗(yàn)表

表4 影響螺柱強(qiáng)度I、t、h、正交實(shí)驗(yàn)表

結(jié)論：通過實(shí)驗(yàn)可知螺柱焊參數(shù)設(shè)置最優(yōu)組合為第組，從焊接電流、焊接時(shí)間及提升高度的實(shí)驗(yàn)極差也可得出，對(duì)強(qiáng)度的影響主次順序 焊接電流＞焊接時(shí)間＞提升高度。

3.2 設(shè)備部件

對(duì)于螺柱焊夾持器，現(xiàn)場(chǎng)多采用斷后更換的方式。其實(shí)夾持器在斷裂前，加持力已變小，容易造成螺柱垂直度差，接觸面不完全等，從而影響焊接質(zhì)量。同時(shí)車間也有少數(shù)手動(dòng)螺柱焊工位，由于其焊槍與自動(dòng)焊槍結(jié)構(gòu)的差異性，導(dǎo)致夾持器內(nèi)部，需要拆卸套筒才可查看，故容易發(fā)生夾持器未變形，但內(nèi)部已發(fā)黑，導(dǎo)電不良而影響強(qiáng)度。故為確認(rèn)更合理的夾持器更換頻次，選取兩個(gè)自動(dòng)和一個(gè)手動(dòng)工位進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 夾持器更換次數(shù)實(shí)驗(yàn)表

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)焊接電流大于1.1KA 的大電流螺柱焊，夾持器在未形變時(shí)，就已導(dǎo)電不良報(bào)警，更換頻次為1～3 天，遠(yuǎn)小于變形時(shí)對(duì)應(yīng)的頻次。

結(jié)論：當(dāng)焊接電流小于1.1KA 時(shí)，6500臺(tái)夾持器更換為最佳；電流大于1.1KA 的設(shè)備自動(dòng)報(bào)警更換即可。

對(duì)于其他影響螺柱焊強(qiáng)度的設(shè)備因素，結(jié)合圖紙和現(xiàn)場(chǎng)分析跟蹤得出下結(jié)論：

研究結(jié)果顯示，以油棕基因組DNA為模板，PCR擴(kuò)增獲得的條帶長(zhǎng)度為1035 bp，與預(yù)期目的條帶長(zhǎng)度相符且沒有非特異性擴(kuò)增(圖1)。分析克隆得到的DGAT2基因啟動(dòng)子序列，并對(duì)其所含的功能元件進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明該序列中含有基礎(chǔ)啟動(dòng)子元件，包括52個(gè)TATA-Box和19個(gè)CAAT-Box，符合啟動(dòng)子的基礎(chǔ)特征；包含大量的光反應(yīng)元件ACE、G-Box和Sp1及部分光反應(yīng)元件I-Box、GA-motif等；含有4種激素反應(yīng)元件，主要包括水楊酸、茉莉酸、赤霉素和脫落酸反應(yīng)元件，還包括轉(zhuǎn)錄因子MYB 結(jié)合位點(diǎn)和熱應(yīng)激反應(yīng)元件等(表2、圖2)。

1）螺柱焊槍與鈑金垂直度需在±3°，手動(dòng)焊樣架套筒與槍頭單邊間隙公差±0.2mm。

2）保持焊槍清潔度，無飛濺殘留，主要是夾持器和電弧罩，需每班點(diǎn)檢。

3）避免設(shè)備分流，實(shí)施每周保養(yǎng)及日常點(diǎn)檢查看設(shè)備是否正常接觸。

4）接地塊與被加工零件須良好接觸，形成有效回路，為防止磁吹偏，導(dǎo)致螺柱單側(cè)熔接，建議在工裝設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免單一接地，并定期矯正焊槍頭。

3.3 母材因素

3.3.1 焊接母板厚度與螺柱端面直徑

通過對(duì)車間焊接參數(shù)的跟蹤，發(fā)現(xiàn)焊接電流與母板厚度及螺柱端面直徑呈正相關(guān)的關(guān)系。為驗(yàn)證焊接母板厚度和螺柱端面直徑大小對(duì)焊接電流的影響優(yōu)先級(jí)關(guān)系，采用單一變量實(shí)驗(yàn)。當(dāng)螺柱端面直徑不變時(shí)，焊接電流隨板厚增加只有微小變化，而當(dāng)母板板厚不變，螺柱端面直徑變化時(shí)，焊接電流具有明顯變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 螺柱端面直徑與母材板厚實(shí)驗(yàn)表

結(jié)論：螺柱焊不同母材因素對(duì)焊接電流大小影響優(yōu)先級(jí)為螺柱端面直徑＞母板板厚。

參考實(shí)驗(yàn)1 和3，對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)螺柱進(jìn)行強(qiáng)度破化性扭矩檢驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得螺柱端面直徑和電流的分布圖（如圖4）。

圖4 螺柱端面直徑與電流大小分布圖

3.3.2 焊接母板油污

車身零件在沖壓生產(chǎn)成型時(shí)需噴涂多道油，在存放和運(yùn)輸途中會(huì)產(chǎn)生油污堆積，這會(huì)引起螺柱焊接時(shí)，電弧不穩(wěn)定，焊接狀態(tài)起伏大，焊接質(zhì)量差。對(duì)這種情況現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了扭矩對(duì)比實(shí)驗(yàn)如表7。

表7 油污破壞性扭矩檢測(cè)表

結(jié)論：焊接母板油污過多，對(duì)應(yīng)的螺柱焊接強(qiáng)度明顯下降，引起扭矩不合格。

3.3.3 母板平整度

母板的平整度狀態(tài)也對(duì)螺柱焊接強(qiáng)度有較大影響，如螺柱焊接在R 角、焊點(diǎn)和鈑金過渡帶等。對(duì)這些情況也進(jìn)行了破環(huán)性扭矩實(shí)驗(yàn)，如表8。

表8 平整度破壞性扭矩檢測(cè)表

結(jié)論：焊接母板不平整，螺柱焊接強(qiáng)度明顯下降，引起扭矩不合格。

4 結(jié)語

通過上述研究，可以得出螺柱焊強(qiáng)度影響因素的結(jié)論如下：

1)焊接參數(shù)對(duì)螺柱強(qiáng)度影響主次順序 焊接電流＞焊接時(shí)間＞提升高度。

2)螺柱焊接電流小于1.1KA 時(shí)，焊槍夾持器的最佳更換頻次為6500 臺(tái)，電流大于1.1KA 時(shí)，設(shè)備自動(dòng)報(bào)警更換即可。

3)焊接母材對(duì)焊接電流影響主次順序焊接端面直徑＞母板厚度。

4)焊接端面直徑D 和焊接電流I 的經(jīng)驗(yàn)公式為 I ＝D×（120～140）A。

5)焊槍最佳垂直度為±3°，設(shè)備應(yīng)及時(shí)清理，點(diǎn)檢，無飛濺殘留，手動(dòng)焊樣架套筒與槍頭單邊間隙公差±0.2mm，在工裝設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免單一接地，并定期矯正焊槍頭。

6)螺柱焊焊接母板表面清潔無明顯油污且焊接面平整。