車架焊縫質量改進方法

張鵬

（長城汽車股份有限公司徐水哈弗分公司）

車架作為汽車的承載基體，一般用于商用車、皮卡和具有較強越野功能的SUV車型。由于車架使用的鋼板較厚，一般采用氣體保護焊焊接或鉚接。在使用CO2保護焊焊接過程中產生的氧化物會造成焊縫表面涂裝質量變差，防腐效果遠不及車架基材，因此必須通過技術方法制定合理的焊接工藝，消除表面氧化物，提高車架焊縫的防銹能力。

1 車架制造工藝及存在問題

SUV、皮卡車架的基材主要有汽車大梁用熱連軋鋼板、碳素結構鋼及汽車結構用熱連軋鋼板等。焊接工藝使用CO2保護焊，焊絲一般采用型號為ER50-6的焊絲，保護氣體為工業用CO2。涂裝工藝需符合“QC/T 484—1999汽車油漆涂層”的要求，涂裝工藝選用防腐能力較好的陰極電泳漆[1]。

但在實際生產過程中，焊接氧化物隨著焊接的過程產生，外觀為柿黃色、漆片松香狀，如圖1所示。經試驗室檢驗，主要成分為Si和Mn元素，用萬用表測量，氧化物為非導體，附著于焊縫表面，對焊縫能夠起到防銹保護作用。由于不導電，故在電泳時表面無電泳漆。但在汽車使用過程中，氧化物受顛簸振動脫落，露出焊縫基材從而造成焊縫銹蝕。焊接氧化物的增加是Si和Mn燒損增加的表現，不但影響車架的涂裝效果，而且會使焊縫金屬力學性能降低，造成焊縫強度降低。

2 焊接氧化物的產生原因

焊接氧化物的主要成分為MnO和SiO2，它的產生與焊絲、母材中Si和Mn的質量分數及保護氣體的氧化成分有關，而Si和Mn作為焊絲中的脫氧元素，是有益元素。當使用CO2氣體保護焊時，CO2氣體受熱分解，直接對Si和Mn進行氧化，生成SiO2及MnO熔渣浮于表面，CO從液體金屬中逸出。同時Si和Mn作為焊絲中的脫氧元素把Fe從FeO中置換出來而自身被氧化，其產物MnO及SiO2的混合物浮出熔池形成熔渣[2]。

3 問題的分析及解決

3.1 目標設定

通過與進口、合資的部分品牌的非承載式SUV車型進行對比，同樣存在焊接氧化物，但面積要小。為此，以進口品牌車型為標桿，根據產品定位，將目標確定為：單個焊接氧化物面積不超過0.15 cm2；長度為1 m的焊道，面積超過0.1 cm2的焊接氧化物數量不超過2個。因焊接氧化物對表面進行保護同樣可保證耐腐蝕性能，故增加平行目標，焊道處抗石擊性能不低于其他電泳部位（試板電泳膜厚為 20 μm）[1]。

3.2 問題產生原因分析

通過使用特性要因圖工具，如圖2所示，從“人機料法環”著手，對產生焊接氧化物問題的主要原因分析如下：焊接人員技能不熟練，造成焊接氧化物分布不均；焊接設備的工藝參數匹配問題；使用的焊絲含Si和Mn較高；使用的CO2保護氣易氧化Si和Mn；車間施工環境對焊接的影響；缺少去除氧化物的方法和設備。

3.3 問題的解決措施

分析出焊接氧化物產生的主要原因后，使用TRIZ理論，運用物-場模型一般解法來解決問題。

3.3.1 確定相關的元素（第1步）

根據沖突問題的分析，確定相關的元素為：S1（焊接形成的焊縫）；S2（焊接氧化物）；S3（焊接過程，包括人機料法）；F1（氧化物附著于焊縫上的機械力）；F2（硅、錳氧化產生焊接氧化物的化學能）。

3.3.2 聯系問題情形 確定并完成物-場模型的繪制（第2步）

本問題是一個串聯的物質-場，屬于在物-場模型類型中的“有害效應的完整模型”和“效應不足的完整模型”，對應模型，如圖3所示。

3.3.3 選擇物-場模型的解法（第3步）

1）對有害效應的完整模型的解法是：a.加入第3種物質S4，用來阻止有害作用，S4可以是通過S1或S2改變而來，或者是S1和S2共同改變而來，如圖4所示；b.增加另外一個場F3來抵消原來有害場F1的效應，如圖5所示。

根據對沖突問題的分析，將技術沖突問題一般化，使用39個通用工程參數中的第31項“物體產生的有害因素”，對應40項發明中的第18項“振動”、第37項“熱膨脹”及第40項“符合材料”。得出方案為：S4（焊縫涂布防銹產品）；F3（機械力，采用人工打磨的方法）；F3（機械力，采用拋丸、噴砂去除氧化物）；F3（熱能，局部高溫處理）；F3（化學能，酸洗）。

2）對效應不足的完整模型的解法是：a.增加另外一個場F4來強化有用的效應和，如圖6所示；b.用另一個物質S5代替原來的物質S3，如圖7所示。

根據對沖突問題的分析，使用39個工程參數中第29項“制造精度”，對應40項發明中的第35項“參數變化”、第36項“狀態變化”、第39項“惰性環境”及第40項“符合材料”。從“人機料法”改善方向得出方案為：S5（更換焊絲或控制焊絲中硅、錳的質量分數）；S5（將CO2保護焊改為MAG焊）；S5（提高操作人員的技能）；F4（電能，匹配合適的焊接參數）。

以上方法對去除焊接氧化物都是有效的，通過驗證獲得了各種改善方法的實施效果、施工條件、成本投入及優缺點，如表1所示。

表1 去除焊接氧化物改善方法驗證結果

經過綜合分析各方案得到的較優方案有：將CO2保護焊改為MAG焊；焊接參數匹配；提高人員技能。

將CO2保護焊改為MAG焊的方案是將保護氣體由 CO2改為“Ar+CO2”（Φ（Ar）=80%，Φ（CO2）=20%），使焊接氧化物的面積大幅減小，明顯改善焊道的防腐性能，且在此前提下單個車架成本增加較低。同時混合氣體為富氬混合氣體，可用低錳、低硅焊絲，來進一步降低氧化物的產生。由于車架屬于大批量生產，一般采用專用的氣體存儲罐。使用混合氣體焊接，需增加氬氣儲存罐和配氣柜等設備，配氣柜的流量通常按“0.6～0.8 m3/槍”配備。

使用DOE試驗設計方法，通過試驗找出較優的焊接匹配參數，優化焊接性能，如表2所示。同時通過培訓提高人員焊接技能，保證焊接穩定性。

表 2 Ar＋CO2混合氣體保護焊參數表（Φ（Ar）=80%，Φ（CO2）=20%）

4 實施效果

在對保護氣體切換后，焊接氧化物的面積大幅減小，在對產品市場跟蹤后，經檢測單點表面腐蝕的面積不超過0.1 cm2，深度不超過0.1 mm（與標準厚度的用于校準膜厚儀的膜片進行比較），實現了預期目標。焊接后效果，如圖8所示。

5 結論

文章將TRIZ理論應用在車架焊縫質量改進設計過程中，利用TRIZ理論中“沖突的分類”找到問題核心，并應用TRIZ理論物-場模型解決方法，快速高效地解決了問題。TRIZ理論的研究與廣泛應用，不僅為快速解決制造領域的工程技術問題提供了方向和思路，還消除了解決問題的知識局限性，確保進入市場的汽車品質穩定，具有廣闊的應用前景。