螺柱焊缺陷分析

張彭 陳國強 魏普 張涵

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

螺柱焊是將螺柱一端與板件（或管件）表面接觸，通電引弧，待接觸面融化后給螺柱一定的壓力形成牢固連接的工藝方法，螺柱焊分為儲能式螺柱焊和拉弧式螺柱焊，汽車行業應用最多的是拉弧式螺柱焊。螺柱焊焊接缺陷的原因是多方面的，需要對各影響因素熟悉了解，從而更好地找到問題真因，快速解決問題。

1 螺柱焊焊接質量影響因素分析

1.1 焊接工藝參數

螺柱焊的焊接參數主要為焊接電流I和通電時間T，一般螺柱焊接端面直徑與焊接電流的管線為I=（φ+1）×100 A，與焊接時間的關系為T=φ×4 ms，螺柱焊接端面直徑以mm計算，如果是鍍鋅板，在此基礎上焊接電流和通電時間各增加10%，過大的工藝參數導致焊接熔池過大，形成焊瘤或焊穿，螺柱焊接強度反而下降，若工藝參數較小，焊接熔池小，易導致虛焊。

以M5，M6螺柱為例，M5的螺柱端面直徑尺寸一般為 6 mm，焊接電流 I=（6+1）×100 A=700 A，通電時間T=6×4 ms=24 ms。M6的螺柱端面直徑尺寸一般為7.5 mm，焊接電流 I=（7.5+1）×100 A=850 A，通電時間T=7.5×4 ms=30 ms。

螺柱焊焊接電流與通電時間互相補充，通常選用大的焊接電流，小的通電時間，俗稱強規范進行焊接，強規范能夠快速形成熔池，減少熱量損失，焊縫成型好，一般不建議使用弱規范進行焊接。

1.2 螺柱焊工裝夾具的影響

1）螺柱焊夾具的影響只針對人工螺柱焊，人工螺柱焊依靠螺柱焊夾具導套進行定位焊接，在焊接過程中夾具導套的直徑直接影響焊接質量。合理的夾具導套直徑能夠保證焊槍焊接時與制件的法向垂直，如圖1所示。如果螺柱焊導套直徑過大，會導致在螺柱焊操作時焊槍與制件不垂直，造成引弧不良或偏弧焊接，螺柱焊接質量差，易掉落，同時也會導致螺柱位置精度發生變化，如圖2所示，所以對螺柱導套的直徑需嚴格控制。通常導套的磨損量大于0.5 mm時需要更換，以保證螺柱位置精度及焊接質量。

為保證螺柱焊接時與制件的法向垂直，夾具設計過程中可采取夾具導套上端面與焊槍端面基本平齊的方法，夾具導套上端面與焊槍端面存在間隙時，不能保證焊槍焊接時與制件垂直，如圖3所示。反之，夾具導套上端面與焊槍端面貼合，可保證焊接過程焊槍與制件垂直，得到好的焊接質量，如圖4所示。

2）夾具結構及材料的影響。在工件上的一側聚集鐵磁材料時，由于鐵磁材料的導磁性能比空氣要好，電弧的方向會朝向鐵磁性物質的方向，通常夾具制造以鐵為主，如果夾具設計螺柱排布緊密，鐵磁性物質比較集中，極易導致偏弧現象的發生，使焊接熔核不均，如圖5所示。解決方法為：a.更改夾具結構，分布鐵磁性物質，減少鐵磁性物質集中，如圖6所示；b.更改夾具材質，使用沒有鐵磁性物質材料，如銅或者鋁，如圖7所示。

3）夾具導套結構的影響。夾具設計過程中為保證制件能夠順利取出及夾具的功能性，夾具螺柱焊導向套設計不為圓形，而是存在一定的缺口設計，較小的缺口對螺柱焊定位無影響，通常夾具導套缺口尺寸不得大于整圓的1/4，如圖8所示。但是缺口過大時（缺口尺寸大于1/4），如圖9所示。螺柱焊槍作業時也保證不了操作的垂直度，會導致偏弧、焊接不良及螺柱位置偏差。

4）螺柱焊焊接方向的影響。對于板材較厚的車身件，需要的焊接參數較大，形成的熔池大，在重力作用下熔池會發生偏移，導致焊縫不均，在夾具設計時要考慮螺柱的焊接方向。當焊接方向與重力方向成90°時，易使熔池在重力作用下發生偏移，導致焊縫不均，焊接強度降低，如圖10所示。當焊接方向與重力方向一致時，會形成均勻的焊縫，如圖11所示。

1.3 螺柱及制件表面質量的影響

螺柱焊表面處理方式通常分為2種，一種為表面涂防銹油，減少螺柱銹蝕，如圖12所示。實驗證明油污對螺柱焊引弧過程影響很大，制件及螺柱表面過多的油污會導致焊接引弧困難，造成焊接不良，所以對于制件及螺柱表面要求是比較嚴格的。另一種為螺柱表面采用鍍銅或鍍鉻處理，如圖13所示。鍍銅或鍍鉻處理不僅提高其焊接導電性，而且起到防銹蝕的作用，使螺柱焊接過程更穩定，提高焊接質量。

1.4 螺柱焊設備的影響

螺柱焊機輸出電流的穩定性，直接影響焊接質量。相對而言，逆變整流焊機有更穩定的電流輸出，螺柱焊提升高度設定不合理會導致引弧不良，提升高度標準為1.5～2 mm，一般要求下可以滿足焊接要求。

1.5 地線布置的影響

地線布置符合對稱的原則，且地線接觸良好，對稱的布置能夠減少電弧因電磁場的影響而導致的偏弧現象，一般的螺柱焊機地線至少有2根，根據實際需要可以增加，地線與制件連接的部位最好使用銅塊接觸，以保持良好的導電性。

2 應用案例分析

前圍下橫梁總成制件在焊接過程中出現較大焊瘤，導致總裝無法進行裝配，如圖14所示。影響因素分析，如圖15所示。

2.1 原因分析

1）焊接工藝參數偏大，導致焊接熔池過大；

2）柱焊提升高度大，范圍為1.5～2 mm，螺柱提升高度越大，電弧引弧過程越不穩定，易產生偏弧；

3）鐵磁性物質及地線的連接導致焊接磁偏吹；

4）螺柱焊機輸出電流不穩定，影響焊接質量；

5）焊接角度不垂直，導致焊接熔池不均，產生較大焊瘤。

2.2 整改措施及效果

1）現場使用焊機為可控硅焊機，由于板材較厚，需更換為逆變整流螺柱焊機，提高焊接質量穩定性；

2）使用螺柱焊槍，螺柱提升高度為2 mm，考慮鐵磁性物質及焊接位置的影響，必須壓低電弧來減少焊瘤，螺柱提升高度降低為1.5 mm；

3）更改夾具結構，焊槍焊接時使焊槍拖面與夾具導套上平面貼合，提高工人操作穩定性，減少不垂直操作；

4）將鐵磁性物質密集區域更改為鋁型材，減少鐵磁性物質的影響。

經過以上整改，螺柱焊焊接質量滿足工藝要求，螺柱焊熔池均勻，螺柱焊焊瘤缺陷消除。

3 結論

綜上，螺柱焊焊接缺陷的產生是多種影響因素共同作用的結果，從產品設計到焊接工裝設計、焊接參數設計、螺柱的表面處理方式及焊接設備的選型等各個環節進行控制，才能得到良好的焊接質量，從現場調試過程中需要注意總結設計中的不足，及時改正并橫展至后續車型開發中，在前期設計對產生螺柱焊缺陷的因素進行規避，縮短白車身開發調試周期，降低車型的開發成本。