車身鋁螺柱焊質(zhì)量研究與應(yīng)用

張曉樂(lè)，李 峰，陳 英

（1.北京奔馳汽車有限公司，北京 100176；2.廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065200）

在螺柱的端面與另一板狀工件之間利用電弧熱，使之熔化并施加壓力完成連接的焊接方法稱為螺柱焊。它是汽車工業(yè)中一種重要的焊接工藝，將焊釘焊接在車身上，以滿足總裝車間對(duì)零件安裝的需求。螺柱焊接具有速度快、可靠、操作簡(jiǎn)便以及無(wú)孔連接等優(yōu)點(diǎn)，逐漸替代了汽車制造中的鉚接、攻螺紋、鉆孔等連接技術(shù)，廣泛地應(yīng)用在汽車車身的焊接工藝中。

隨著汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，車身輕量化已成為未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)，鋁制零件已越來(lái)越多地應(yīng)用到車身中來(lái)。越來(lái)越多的焊釘需要焊接在鋁制零件上。相對(duì)于鋼，鋁的化學(xué)性能更加活潑，更易被氧化。并且鋁的強(qiáng)度更低，即使焊接良好的焊釘，其連接強(qiáng)度也與同尺寸鋼焊釘相差較大。所以對(duì)于鋁螺柱焊，需要更嚴(yán)苛的質(zhì)量控制，才能保證焊接強(qiáng)度要求。螺柱焊的焊接強(qiáng)度對(duì)總裝的裝配具有重要的影響，如果強(qiáng)度不足或者缺失，將直接導(dǎo)致總裝零件無(wú)法正常裝配。選擇合適的焊接參數(shù)，是保證焊釘強(qiáng)度合格的重要因素，而確保焊接設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，決定了焊釘質(zhì)量的穩(wěn)定性。

在生產(chǎn)過(guò)程中，前輪腔鋁釘焊接質(zhì)量長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)記錄抽檢和總裝裝配時(shí)焊釘?shù)袈涞臄?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題的焊釘和掉釘數(shù)量。對(duì)掉釘頻次高的焊釘進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)過(guò)幾輪調(diào)整之后，大部分焊釘處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。前輪腔焊釘仍然處于掉釘頻次較高的水平。為了減少前輪腔掉釘，降低返修所造成的工時(shí)和人力損失，對(duì)問(wèn)題焊釘進(jìn)行了全面調(diào)查研究。

1 鋁螺柱焊原理

鋁螺柱焊采用TUCKER公司生產(chǎn)的TE15AC焊接控柜和TH510焊槍。由于鋁的易氧化性，為防止焊接過(guò)程中熔池氧化，在焊接開(kāi)始前2 000 ms，直至焊接結(jié)束1 000 ms通氬氣保護(hù)。鋁螺柱焊槍用滅弧罩代替支撐桿，起到確定焊接起始位置的作用，同時(shí)又可以將保護(hù)氣體聚攏到熔池區(qū)域。焊接時(shí)，使用交變電流，取代鋼螺柱焊的直流電源。交變電流可以起到打破熔池表面氧化層，減少熔池中雜質(zhì)的作用，如圖1所示。

圖1 鋁螺柱焊槍頭示意圖

焊接主要分為接觸、垂直、提升引弧、熔化、下落熔合、凝結(jié)拔槍六個(gè)步驟。（1）接觸，焊釘接觸板材后，發(fā)出SOW（Stud On Workpiece）信號(hào)，焊接開(kāi)始；（2）垂直，滅弧罩接觸板材，使焊釘垂直板材，確定焊釘初始焊接位置；（3）提升引弧，焊槍發(fā)出引弧電流，焊釘向上提升，產(chǎn)生電??；（4）熔化，焊槍發(fā)出焊接電流，使焊釘和板材表面金屬熔化；（5）下落熔合，焊釘下落至板材，施加壓力，使焊釘和板材熔合；（6）凝結(jié)拔槍，熔池在壓力作用下凝固，焊槍離開(kāi)焊接位置，整個(gè)焊接過(guò)程結(jié)束，如圖2所示。

圖2 鋁螺柱焊焊接過(guò)程

2 問(wèn)題描述

對(duì)掉釘?shù)木唧w信息進(jìn)行分析，查找掉釘數(shù)最多的焊釘，針對(duì)該焊釘進(jìn)行研究，查找并優(yōu)化影響焊接的因素，降低掉釘數(shù)量。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，前輪腔弧面鋁板焊釘?shù)翎敂?shù)量明顯高于其他焊釘，占總掉釘數(shù)的50%左右，該焊點(diǎn)掉釘數(shù)量如圖3所示。該位置的焊釘發(fā)生掉釘后，需要下線返修。將安裝好的輪腔護(hù)板拆除，拉鉚補(bǔ)漆后，重新安裝輪腔護(hù)板。

圖3 月度掉釘統(tǒng)計(jì)

3 問(wèn)題分析

3.1 鋁螺柱焊焊接質(zhì)量影響因素

焊釘?shù)挠猛臼茄b配總裝零件，裝配時(shí)有特定的扭矩要求，所以對(duì)焊釘?shù)目己酥饕獮榕ぞ刂禍y(cè)試，焊釘?shù)暮附訌?qiáng)度不足是出現(xiàn)的主要質(zhì)量問(wèn)題。影響鋁螺柱焊焊接質(zhì)量的因素主要包括以下三個(gè)方面。

3.1.1 焊接參數(shù)

螺柱焊的焊接參數(shù)主要有提升高度，焊接電流，焊接時(shí)間。焊接參數(shù)的設(shè)置，對(duì)焊接質(zhì)量有最直接的影響。提升高度決定了焊接時(shí)電弧的長(zhǎng)度和穩(wěn)定性。電弧越長(zhǎng)，越易發(fā)生磁偏吹、電弧不穩(wěn)定或焊接氣孔等問(wèn)題；電弧越短，越容易發(fā)生短路，電弧能量不足。焊接電流越大，熔深越大，同時(shí)也越容易發(fā)生熔池飛濺。焊接時(shí)間越長(zhǎng)，熔深也越大，對(duì)于薄板來(lái)說(shuō)，也越易發(fā)生板材熔穿。

3.1.2 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備的穩(wěn)定性和精確度對(duì)焊接質(zhì)量穩(wěn)定有重要作用。焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，一般為焊接設(shè)備不穩(wěn)定或不能按照參數(shù)的設(shè)置執(zhí)行造成的。焊槍的清潔、良好的導(dǎo)電性、穩(wěn)定可靠的提升馬達(dá)、位置控制精確地夾頭和頂針、充足穩(wěn)定的保護(hù)氣體是保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定的主要因素。

3.1.3 零件狀態(tài)

零件的狀態(tài)是指焊接位置零件的潔凈度和尺寸穩(wěn)定性。焊接位置油污、表面氧化或膠等都會(huì)直接影響焊接輸出能量。螺柱焊的焊接電流在設(shè)定后就會(huì)穩(wěn)定輸出，當(dāng)板材表面由于油污等導(dǎo)致電阻增大時(shí)，焊接電壓明顯增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致過(guò)燒。零件尺寸的穩(wěn)定性影響著焊釘垂直度的穩(wěn)定性，對(duì)焊接質(zhì)量也有明顯的影響。

3.2 根本原因分析

觀察扭矩不足焊釘?shù)臄嗝?，如圖4、圖5所示。焊釘有明顯虛焊的特征，熔化深度不足，熔池未包覆焊釘?shù)鬃?，?dǎo)致扭矩值不足。

圖4 焊釘斷面

圖5 焊釘熔池未包覆底座

從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面歸納可能影響焊接質(zhì)量的因素，進(jìn)行逐一檢查，如圖6所示。在實(shí)際生產(chǎn)中，焊接過(guò)程為全自動(dòng)化生產(chǎn)，人和環(huán)境對(duì)焊接質(zhì)量影響很小。這五個(gè)方面中，機(jī)、料、法三方面對(duì)焊接質(zhì)量影響比較大，以下針對(duì)這三方面進(jìn)行分析。

圖6 焊接質(zhì)量影響因素魚(yú)骨刺圖分析

3.2.1 焊接設(shè)備分析

焊接設(shè)備問(wèn)題需要從兩方面檢查。一方面是從監(jiān)控參數(shù)來(lái)看，提升高度、焊接電流、電壓時(shí)間等是否超差。提升馬達(dá)不穩(wěn)定、焊槍污損、連接不良等導(dǎo)致的電流、電壓不足和焊接時(shí)間不足。經(jīng)過(guò)檢查焊接記錄發(fā)現(xiàn)，提升高度、焊接電流、時(shí)間、電壓等均未超差。表明焊槍的提升馬達(dá)和電路正常運(yùn)行。

另一方面，檢查焊槍組件的狀態(tài)，如夾頭、滅弧罩、氣體保護(hù)罩是否潔凈、完整，地線與板材接觸等。檢查發(fā)現(xiàn)滅弧罩里積存了大量焊渣，易堵塞保護(hù)氣出口，導(dǎo)致熔池氧化；焊渣接觸夾頭后，也可能導(dǎo)致焊接分流。對(duì)焊槍滅弧罩進(jìn)行清理，并列入每天的設(shè)備檢查中，如圖7、圖8所示。

圖7 滅弧罩焊渣

圖8 熔池氧化

對(duì)地線進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)地線接頭處發(fā)生斷裂，如圖9所示。由于每輛車焊接時(shí)，都需要地線開(kāi)合一次，長(zhǎng)此以往，地線接頭處發(fā)生了折斷。焊釘附近的地線折斷后，只能靠其他位置的地線導(dǎo)通，增加了回路長(zhǎng)度，影響焊接的穩(wěn)定性。將地線更換為更長(zhǎng)線束，減緩了開(kāi)合時(shí)的拉拽，同時(shí)明確了定期檢查時(shí)，進(jìn)行地線檢查。

圖9 地線斷裂

3.2.2 物料分析

涉及螺柱焊的物料包括焊釘和板材。對(duì)焊釘?shù)牡鬃砻鏅z查未發(fā)現(xiàn)異常。板材為鑄鋁件，經(jīng)過(guò)鋁清洗，去除氧化層。鋁清洗后表面無(wú)清洗液，氧化層或油污殘留。如表面有油污或氧化，會(huì)對(duì)焊接電壓有明顯的影響，焊接記錄中，電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)超差現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 焊接記錄

除了表面清潔度會(huì)對(duì)焊接造成影響外，板材尺寸對(duì)焊接也會(huì)有較大影響。由于焊槍搭載在機(jī)器人上，焊槍每次焊接的空間位置是固定的，當(dāng)板材位置發(fā)生變化時(shí)，會(huì)直接影響焊釘與板材的相對(duì)位置，焊釘與板材的垂直度發(fā)生變化，直接影響焊接質(zhì)量，如圖11所示。

圖11 滅弧罩焊渣

4 設(shè)備參數(shù)分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊釘狀態(tài)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)焊釘?shù)鬃幸话敫叨缺蝗鄢匕?，且四周均勻分布。從外觀來(lái)看，焊接狀態(tài)良好，熔池包覆均勻，無(wú)飛濺，無(wú)熔池氧化，無(wú)氣孔等缺陷，如圖12所示。對(duì)于這種狀態(tài)的焊釘，在總裝依然有掉釘反饋。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)焊釘狀態(tài)

檢查焊釘斷面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)焊釘?shù)鬃闹苡忻黠@熔化金屬包覆，而中心區(qū)域焊釘熔化金屬不足，如圖13所示。由于焊釘位置在前輪腔，板材為圓弧狀，當(dāng)焊釘垂直于板材時(shí)，會(huì)出現(xiàn)四周接觸，中心懸空的現(xiàn)象，如圖14所示。

圖13 焊釘斷面

圖14 焊釘與板材接觸示意圖

焊接時(shí)，焊釘向上提升，焊槍施加焊接電流，焊釘?shù)鬃桶宀慕饘偻瑫r(shí)熔化，電弧穩(wěn)定一段時(shí)間后，焊釘下落與板材接觸，焊釘向下擠壓板材至80 N，用于凝固熔池，如圖15所示。此時(shí)，由于板材呈弧形，焊釘邊緣與板材接觸，承受壓力，而焊釘中心位置與板材之間幾乎沒(méi)有壓力，焊釘與板材的熔化金屬不能很好地熔合，導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度不足。

圖15 焊釘與板材焊接后示意圖

根據(jù)斷面可以推斷，如果能使焊釘熔化更多，使焊釘中心也能與板材接觸，在凝固過(guò)程中，承受一定的壓力，則能夠提升焊釘?shù)倪B接強(qiáng)度。于是進(jìn)行以下參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試不同焊接電流和時(shí)間，對(duì)比其熔池狀態(tài)，以及總裝和抽查質(zhì)量問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)，確定焊接質(zhì)量最優(yōu)的參數(shù)，如表1所示。

表1 參數(shù)調(diào)整方案

表1中五種焊接參數(shù)對(duì)應(yīng)的熔池。方案1、2、3采用了相同的焊接電流，焊接時(shí)間逐漸增加。增加焊接時(shí)間，熔深增加，方案3中，少量焊釘出現(xiàn)小氣孔；增大電流之后，熔池發(fā)生了明顯的飛濺，如圖16所示。

圖16 不同焊接參數(shù)下熔池狀態(tài)

5 結(jié)果分析

采用不同的方案進(jìn)行批量生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，每種焊接參數(shù)各使用6天，共12個(gè)班次生產(chǎn)。掉釘次數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 焊接方案掉釘次數(shù)統(tǒng)計(jì)

在一周的生產(chǎn)中，方案2和方案3均無(wú)掉釘。但是，方案2的焊接時(shí)間更短，熔池沒(méi)有氣孔。于是將設(shè)備參數(shù)設(shè)置為方案2，在實(shí)際生產(chǎn)中使用。經(jīng)過(guò)之后一個(gè)月的統(tǒng)計(jì)，未發(fā)現(xiàn)該焊釘?shù)袈?，如圖17所示。

圖17 月度掉釘統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)焊槍部件的檢查，將關(guān)鍵部件清潔和維護(hù)，列入現(xiàn)場(chǎng)工人的日常檢查中，減少了焊接時(shí)的不穩(wěn)定因素。焊釘?shù)拇怪倍纫彩怯绊懞羔斮|(zhì)量的重要因素，由于車身焊釘數(shù)量有400多個(gè)，很難逐個(gè)檢查，所以有掉釘反饋時(shí)，應(yīng)檢查該焊釘與板材的垂直度。

從焊接熔池可以憑經(jīng)驗(yàn)預(yù)估焊接質(zhì)量，在平面板材上，該焊釘熔池包覆焊釘?shù)鬃话肷疃?，焊接?qiáng)度完全滿足考核要求。但是對(duì)于板材為弧面的焊釘，由于在凝固階段，焊釘中心沒(méi)有受到足夠的壓力，導(dǎo)致熔合不足。對(duì)于這種板材，需要更多的熔深，來(lái)保證焊釘與板材熔池的熔合。 增加焊接時(shí)間可以獲得更大的熔深，增加焊接電流同樣可以獲得更大的熔深，但是易發(fā)生熔池飛濺。適當(dāng)?shù)暮附与娏骱蜁r(shí)間是獲得良好焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)前輪腔鋁制焊釘焊接質(zhì)量問(wèn)題的分析，歸納了影響焊接質(zhì)量的主要因素為焊接設(shè)備、垂直度和焊接參數(shù)。本文涉及的焊釘，焊接在非平面板材。按照經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，熔深足以保證焊接強(qiáng)度。但是，由于焊釘中心在熔合時(shí)未承受足夠的壓力，而出現(xiàn)焊釘中心熔合不足的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得到焊接熔池和強(qiáng)度最合適的焊接參數(shù)，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，掉釘率明顯降低，得到了良好的效果。這種參數(shù)設(shè)置方法，也可應(yīng)用于其他非平面螺柱焊接中，具有一定的指導(dǎo)意義。