汽車平頭螺柱焊生產(chǎn)過程虛焊的非工藝因素研究分析

劉兵 崔曉峰 曹偉國 孟海麟

關(guān)鍵詞：螺柱焊；清潔度；凸出長度；垂直度；地線對稱

0引言

螺柱焊是指通過電弧熱將金屬螺柱與金屬結(jié)構(gòu)件形成可靠連接的焊接工藝。目前，螺柱焊已經(jīng)廣泛應(yīng)用到汽車、高速列車、鍋爐壓力容器、電站、鋼結(jié)構(gòu)以及建筑橋梁等諸多行業(yè)[1]。在汽車的生產(chǎn)制造過程中，車身上的內(nèi)飾件、外部的裝飾件也經(jīng)常采用螺柱與車身連接，如車身高低壓線束、隔熱墊和內(nèi)外飾等受力較小零部件的固定。由于平頭螺柱焊只需單面焊接無需開孔，且具有焊接變形小、焊接時間短和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，所以目前螺柱在轎車制造中的應(yīng)用依然很大。以吉利汽車的幾何車型為例，幾何A的螺柱使用量是72個，EVpro車型的螺柱使用量為64個，幾何C的螺柱使用量為85個。

螺柱焊焊接工藝雖然已經(jīng)在汽車工藝中大量應(yīng)用，但是在汽車生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)滿足工藝參數(shù)要求條件下的虛焊問題。鑒于此，本文以汽車焊裝生產(chǎn)過程中常用平面螺柱焊為研究對象，綜合生產(chǎn)實際情況，從焊接過程中的多個影響方面入手，經(jīng)過具體的實驗驗證，詳細闡述了非工藝因素對螺柱焊焊接質(zhì)量的影響。

1試驗設(shè)備及方法

平頭螺柱焊是一種加壓熔焊，具備壓焊和熔焊的特征，是在金屬螺柱或類似的工作端面與另一金屬表面之間產(chǎn)生電弧。電弧所產(chǎn)生的熱量即為螺柱焊的焊接熱源，當接合面開始熔化時，迅速施加壓力完成焊接。在焊接完成后，要求螺柱無歪斜、穿孔和熔合不良等問題；螺紋無明顯損傷、裂紋和焊接飛濺等缺陷；螺母能順利擰入，達到使用要求標準。

平頭螺柱焊焊接具體操作流程為：①先將螺柱放入焊槍的夾頭里并套上套圈，使螺柱端與工件（母材）接觸，然后按下開關(guān)接通電源；②焊槍中的電磁線圈會有電流通過，將螺柱從工件拉起，同時會擊穿空氣產(chǎn)生電??；③產(chǎn)生的電弧熱量會使兩者接觸的位置熔化形成熔池，電弧的燃燒時間由螺柱焊機自動控制；④在斷弧的同時，線圈也會斷電，靠壓緊彈簧把螺柱壓入母材熔池即完成焊接，最后形成焊接接頭（圖1）。

焊接時的電壓、電流及時間3個參數(shù)共同決定了螺柱焊焊接時能量的大小，其中影響最大的為焊接時間和焊接電流，此二者共同決定了焊接時的工件熔化量。焊接參數(shù)的選擇是根據(jù)螺柱的直徑大小來確定，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，實驗使用相同的M6×20螺柱，母材選用汽車前圍下主板（厚度為1.20mm）進行驗證。定義焊接參數(shù)如表1所示。

2研究分析與討論

2.1焊材表面油污對可焊性的影響

車身所用材料主要為低碳鋼，零部件經(jīng)過沖壓加工后，表面會存在防銹油、清洗油等。采用上述同樣的焊接參數(shù)進行驗證，選取2塊母材，一塊擦拭干凈無油污，另一塊涂防銹油。分別在2塊母材上焊接10個螺柱觀察焊接過程及焊縫質(zhì)量。在相同的焊接參數(shù)規(guī)范下，實驗結(jié)果如下。

（1）當零件的表面存在油污，在焊接過程中會產(chǎn)生飛濺，焊縫處有氣孔[2]。這是因為絕大多數(shù)油污都是有機化合物，在高溫下會分解出水和氫等。水和氫易使焊縫間產(chǎn)生氣孔與裂紋，會降低了螺柱接頭的承載能力，容易導(dǎo)致螺柱發(fā)生脆斷，影響裝配（圖2）。

（2）當零件的表面無油污，焊接過程較穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量滿足要求。故在實際生產(chǎn)過程中，焊接時零部件的表面油污需要擦除。

2.2螺柱凸出長度的影響

已經(jīng)有學(xué)者理論研究表明，螺柱在焊槍上的凸出長度也會影響焊接質(zhì)量。因為螺柱凸出長度越短，導(dǎo)致產(chǎn)生的電弧越長，熱輸入會減少，母材熔化金屬量不夠，影響焊縫成形質(zhì)量；伸出長度過長，電弧太短，不穩(wěn)定，會造成飛濺、夾雜等焊接缺陷[3]。螺柱的凸出長度會直接影響螺柱的提升高度，而螺柱的提升高度決定了焊接過程的電弧長度[4]，也就決定了焊接電弧的穩(wěn)定性，進而影響焊接熱輸入及焊接縫隙的成型狀態(tài)。

為了驗證螺柱在焊槍上的凸出長度的合理范圍，以下通過調(diào)節(jié)焊槍使得凸出長度分別在小于1.00mm、1.00～2.00mm、2.00～3.00mm、3.00～4.00mm和4.00～5.00mm這5個區(qū)間范圍，分別焊接5個螺柱驗證焊縫質(zhì)量。其他條件保持不變，實驗結(jié)果如下。

（1）當凸出長度小于2.00mm時，螺柱的扭矩值均小于12.00N·m，無法達到15.00N·m的標準。原因為螺柱上升高，焊接電弧呈現(xiàn)傘狀，熱輸入密度下降，周圍沒有保護氣體的情況下導(dǎo)致外界氣體也相應(yīng)增加，氣孔也會相應(yīng)增加。同時，螺柱在壓入母材熔池時會出現(xiàn)浸入太短，使焊接質(zhì)量變差。

（2）當凸出長度大于4.00mm時，螺柱均出現(xiàn)不同程度的燒穿、焊縫處螺紋過熱變形等缺陷。在焊槍提升高度一定時，焊接時產(chǎn)生的電弧就會太短，造成電弧的不穩(wěn)定，電弧的熱輸入密度也會集中，很容易把工件燒穿，造成虛焊，影響焊接質(zhì)量（圖3）。

（3）當凸出長度在2.00～4.00mm時，焊縫滿足要求，無焊接缺陷。

2.3螺柱垂直度影響

當螺柱與工件焊接熔化時，焊接螺柱需與工件保持垂直。若螺柱發(fā)生歪斜，就會導(dǎo)致焊接斷面處一側(cè)出現(xiàn)未熔合，而另一側(cè)熔液被擠出，導(dǎo)致端面焊縫質(zhì)量不良（圖4）。

在車輛批量生產(chǎn)過程中，螺柱的垂直度一般是通過夾具上的螺柱導(dǎo)套來控制。如導(dǎo)套無法保證焊槍能垂直定位螺柱，會導(dǎo)致螺柱發(fā)生傾斜，焊接電弧熱分布不均勻，部分熔化母材被擠出。所以焊接過程中，螺柱的垂直度對于焊接質(zhì)量有著重要影響。以下驗證相同的焊接參數(shù)下不同的垂直度對焊接強度的影響，試驗過程如下。

使用螺柱焊槍不使用螺柱導(dǎo)套直接在工件上進行焊接，使得螺柱的垂直度0-9°的（由于9°以上焊接質(zhì)量不滿足要求本文不做研究）樣本各有5個，使用數(shù)顯扭力扳手對不同的傾斜角度焊接的螺柱進行破壞扭力的驗證，數(shù)據(jù)如表2所示。

實驗結(jié)果表明，當螺柱垂直方向的傾斜角在3°范圍內(nèi)，螺柱強度全部能滿足15.00N·m要求，并且不影響零部件裝配。夾具上的導(dǎo)套長度設(shè)計一般為20.00mm，為了保證焊接螺柱垂直方向傾斜角在3°范圍內(nèi)，根據(jù)計算得出，導(dǎo)套半徑磨損量不得大于1.04mm（圖5）。

2.4焊接地線連接影響

螺栓焊接電弧是通過擊穿空氣電離，釋放電子攜帶熱量形成電弧熱。由于焊接環(huán)境因素的變化，例如零部件周圍存在強磁場（金屬鈑金帶電磁場、磁鐵物質(zhì)磁場和焊鉗電纜磁場）等干擾因素，當在拉弧螺柱焊接時，由于在螺柱前端平面電弧相對尺寸比較小，均會導(dǎo)致電弧發(fā)生偏移。已經(jīng)有學(xué)者理論研究表明，焊接磁場分布不均勻，會造成焊接電弧發(fā)生偏吹，無法很好保護焊接熔池，造成偏焊，形成焊瘤、氣孔等缺陷（圖6）[5]。同時在焊接過程中，焊接電弧電流分布不均勻，焊接回路不對稱，電弧的偏移導(dǎo)致焊接熱輸入分布不均勻。焊縫處的受熱不均，螺柱端面的單側(cè)會提前熔化，使得焊縫處的部分熔化母材被擠出，焊縫成型變差。以上結(jié)果會使焊接焊縫處的位置有焊接缺陷產(chǎn)生。

地線電纜的連接方式對于螺柱的焊接質(zhì)量有著重要影響，以下對不同的連接方式進行驗證（分別焊接15個螺柱觀察焊縫質(zhì)量）。結(jié)果顯示：①當?shù)鼐€電纜連接到零件右側(cè)時（圖7a），其中有5個焊縫的右側(cè)明顯出現(xiàn)了焊瘤現(xiàn)象；②當?shù)鼐€電纜連接到零件左側(cè)時（圖7b），其中有4個焊縫處的左側(cè)明顯出現(xiàn)了焊瘤現(xiàn)象；③當?shù)鼐€電纜對稱連接到零件兩側(cè)時，如圖8所示，所有焊縫均勻，無明顯焊瘤等缺陷產(chǎn)生。

經(jīng)以上實驗研究分析，造成偏弧是由于螺柱焊接時地線的電纜接到焊件一側(cè)，電流回路優(yōu)先選擇通過，電弧發(fā)生偏移，導(dǎo)致焊接熱輸入增大，生成焊瘤。理論上分析，焊接地線電纜接到焊接電弧的正下方，會使周圍磁場分布均勻，這種情況可規(guī)避偏弧情況的發(fā)生。但在實際現(xiàn)場，這種做法并不適用，無法實現(xiàn)。所以在實際焊接過程中，為保證焊接電流回路密度均勻分布，常采用對稱電纜回路方式，即在焊縫的兩端都連接上地線，可有效避免偏弧現(xiàn)象。

3結(jié)束語

目前汽車生產(chǎn)線平均1～2min下線一臺車，而螺柱焊的焊接質(zhì)量會直接影響后續(xù)裝配過程，如果焊接不良會造成停線影響生產(chǎn)效率，故在生產(chǎn)過程中保證焊接質(zhì)量有著重要意義。通過以上論述可知，螺柱焊焊接質(zhì)量受多方面的影響。為了保證螺柱焊焊接質(zhì)量，除了標準焊接參數(shù)外，還需要保證焊接零件表面無油污，平面螺柱在焊槍的凸出長度為2.00～4.00mm，焊接時的傾斜角度保持在3°內(nèi)，以及焊接地線電纜對稱連接，才能滿足焊接質(zhì)量，消除焊瘤、飛濺和虛焊等質(zhì)量問題。本研究對于提升裝配質(zhì)量及減少裝配過程中的返修，為后續(xù)螺柱焊生產(chǎn)的質(zhì)量問題處理提供實際指導(dǎo)作用。