汽車平頭螺柱焊生產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構件形成可靠連接的焊接工藝。目前，螺柱焊已經廣泛應用到汽車、高速列車、鍋爐壓力容器、電站、鋼結構以及建筑橋梁等諸多行業[1]。在汽車的生產制造過程中，車身上的內飾件、外部的裝飾件也經常采用螺柱與車身連接，如車身高低壓線束、隔熱墊和內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、焊接時間短和生產效率高等優點，所以目前螺柱在轎車制造中的應用依然很大。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在汽車工藝中大量應用，但是在汽車生產過程中會出現滿足工藝參數要求條件下的虛焊問題。鑒于此，本文以汽車焊裝生產過程中常用平面螺柱焊為研究對象，綜合生產實際情況，從焊接過程中的多個影響方面入手，經過具體的實驗驗證，詳細闡述了非工藝因素對螺柱焊焊接質量的影響。

1試驗設備及方法

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生電弧。電弧所產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，同時會擊穿空氣產生電??；③產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。焊接參數的選擇是根據螺柱的直徑大小來確定，根據生產現場實際情況，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量。在相同的焊接參數規范下，實驗結果如下。

（1）當零件的表面存在油污，在焊接過程中會產生飛濺，焊縫處有氣孔[2]。這是因為絕大多數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生氣孔與裂紋，會降低了螺柱接頭的承載能力，容易導致螺柱發生脆斷，影響裝配（圖2）。

（2）當零件的表面無油污，焊接過程較穩定，焊縫質量滿足要求。故在實際生產過程中，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

已經有學者理論研究表明，螺柱在焊槍上的凸出長度也會影響焊接質量。因為螺柱凸出長度越短，導致產生的電弧越長，熱輸入會減少，母材熔化金屬量不夠，影響焊縫成形質量；伸出長度過長，電弧太短，不穩定，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定性，進而影響焊接熱輸入及焊接縫隙的成型狀態。

為了驗證螺柱在焊槍上的凸出長度的合理范圍，以下通過調節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個區間范圍，分別焊接5個螺柱驗證焊縫質量。其他條件保持不變，實驗結果如下。

（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，焊接電弧呈現傘狀，熱輸入密度下降，周圍沒有保護氣體的情況下導致外界氣體也相應增加，氣孔也會相應增加。同時，螺柱在壓入母材熔池時會出現浸入太短，使焊接質量變差。

（2）當凸出長度大于4.00mm時，螺柱均出現不同程度的燒穿、焊縫處螺紋過熱變形等缺陷。在焊槍提升高度一定時，焊接時產生的電弧就會太短，造成電弧的不穩定，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。若螺柱發生歪斜，就會導致焊接斷面處一側出現未熔合，而另一側熔液被擠出，導致端面焊縫質量不良（圖4）。

在車輛批量生產過程中，螺柱的垂直度一般是通過夾具上的螺柱導套來控制。如導套無法保證焊槍能垂直定位螺柱，會導致螺柱發生傾斜，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量有著重要影響。以下驗證相同的焊接參數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°以上焊接質量不滿足要求本文不做研究）樣本各有5個，使用數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，數據如表2所示。

實驗結果表明，當螺柱垂直方向的傾斜角在3°范圍內，螺柱強度全部能滿足15.00N·m要求，并且不影響零部件裝配。夾具上的導套長度設計一般為20.00mm，為了保證焊接螺柱垂直方向傾斜角在3°范圍內，根據計算得出，導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，均會導致電弧發生偏移。已經有學者理論研究表明，焊接磁場分布不均勻，會造成焊接電弧發生偏吹，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。以上結果會使焊接焊縫處的位置有焊接缺陷產生。

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

經以上實驗研究分析，造成偏弧是由于螺柱焊接時地線的電纜接到焊件一側，電流回路優先選擇通過，電弧發生偏移，導致焊接熱輸入增大，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，這種情況可規避偏弧情況的發生。但在實際現場，這種做法并不適用，無法實現。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，可有效避免偏弧現象。

3結束語

目前汽車生產線平均1～2min下線一臺車，而螺柱焊的焊接質量會直接影響后續裝配過程，如果焊接不良會造成停線影響生產效率，故在生產過程中保證焊接質量有著重要意義。通過以上論述可知，螺柱焊焊接質量受多方面的影響。為了保證螺柱焊焊接質量，除了標準焊接參數外，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，以及焊接地線電纜對稱連接，才能滿足焊接質量，消除焊瘤、飛濺和虛焊等質量問題。本研究對于提升裝配質量及減少裝配過程中的返修，為后續螺柱焊生產的質量問題處理提供實際指導作用。