車身電弧螺柱焊強度影響因素及優化探析

范春平 郭躍輝 賓可 向濤 章維

上汽大眾汽車有限公司 上海市 201805

1 引言

隨著汽車工業的發展，螺柱類緊固件的使用率越來越高，其中最具代表性的是螺柱焊。螺柱焊是將螺柱一端與鈑金件接觸，通過引弧，待接觸面熔化后，給螺柱一定壓力，完成焊接的方法。具有焊接時間短、材料適應性強、熱影響小、操作簡單和成本低等優點。可替代鉚接、鉆孔、手工電弧焊、電阻焊和釬焊等連接工藝。隨著汽車工業和螺柱焊技術的不斷發展，已在緊固件連接上逐步替代了電弧焊、電阻焊、鉆孔等傳統連接工藝，發展為制造業中一種基本的熱加工方法。螺柱焊80%以上是通過焊機完成的。螺柱焊機按原理分為電弧螺柱焊接和電容放電螺柱焊接兩大類，目前汽車白車身應用較多的是電弧螺柱焊。本文主要研究的也是電弧螺柱焊（以下簡稱螺柱焊）。

2 常見螺柱焊設備、缺陷及原因

2.1 設備及原理

常見的螺柱焊設備有自動和手動，設備部件及工作原理圖見圖1。

圖1 螺柱焊設備部件及方法原理圖

2.2 缺陷類型

常見的螺柱焊缺陷類型有飛濺、焊瘤、氣孔、開裂、焊穿、假焊、未熔合和螺柱不垂直等，圖2 是部分螺柱缺陷的微觀金相組織圖。

圖2 缺陷金相照片

2.3 影響原因

影響螺柱焊強度的主要因素可分為設備、焊接參數和焊接母材三類：

1）參數設定不合理：焊接電流過大或過小；焊接時間過長或過短；下落速度過快或過慢；提升高度過高或過低等。

2）設備維護不到位：夾持器，電弧罩不清潔；夾持器松動，夾持力不夠；焊槍垂直度不夠；手動焊接導向磨損；設備分流；接地不良和失效等。

3）焊接母材：參數未隨母板或螺柱端面直徑變化而變化；母板油污，未清理干凈；焊接面不平整等。

3 實驗驗證

實驗中，螺柱焊接強度以螺柱扭矩破壞性方式為判斷，螺柱破壞性扭矩要求如表1，同時結合螺柱金相微觀分析驗證。

表1 螺柱扭矩破環性檢驗最低扭矩要求表

3.1 設備參數

本文采用車間螺柱焊設備，調節焊接電流、焊接時間、螺柱提升高度三因素，進行三水平的L9 正交實驗見表2，以驗證焊接參數對螺柱強度影響的主次順序（螺柱選取M6）。

表2 焊接電流I、焊接時間t、提升高度h 因素表

正交實驗設計及強度破壞性扭矩檢測結果表如表3，表4。滿足表1 最低扭矩要求，破壞性扭矩越大，說明強度越高。微觀金相組織見圖3，金相均合格，且母材與螺柱界面金相越致密，說明溶合度越高，強度越大。

圖3 正交實驗螺柱微觀金相組織圖

表3 影響螺柱強度I、t、h、正交實驗表

表4 影響螺柱強度I、t、h、正交實驗表

結論：通過實驗可知螺柱焊參數設置最優組合為第組，從焊接電流、焊接時間及提升高度的實驗極差也可得出，對強度的影響主次順序 焊接電流＞焊接時間＞提升高度。

3.2 設備部件

對于螺柱焊夾持器，現場多采用斷后更換的方式。其實夾持器在斷裂前，加持力已變小，容易造成螺柱垂直度差，接觸面不完全等，從而影響焊接質量。同時車間也有少數手動螺柱焊工位，由于其焊槍與自動焊槍結構的差異性，導致夾持器內部，需要拆卸套筒才可查看，故容易發生夾持器未變形，但內部已發黑，導電不良而影響強度。故為確認更合理的夾持器更換頻次，選取兩個自動和一個手動工位進行跟蹤實驗，結果見表5。

表5 夾持器更換次數實驗表

實驗中發現焊接電流大于1.1KA 的大電流螺柱焊，夾持器在未形變時，就已導電不良報警，更換頻次為1～3 天，遠小于變形時對應的頻次。

結論：當焊接電流小于1.1KA 時，6500臺夾持器更換為最佳；電流大于1.1KA 的設備自動報警更換即可。

對于其他影響螺柱焊強度的設備因素，結合圖紙和現場分析跟蹤得出下結論：

研究結果顯示，以油棕基因組DNA為模板，PCR擴增獲得的條帶長度為1035 bp，與預期目的條帶長度相符且沒有非特異性擴增(圖1)。分析克隆得到的DGAT2基因啟動子序列，并對其所含的功能元件進行預測，結果表明該序列中含有基礎啟動子元件，包括52個TATA-Box和19個CAAT-Box，符合啟動子的基礎特征；包含大量的光反應元件ACE、G-Box和Sp1及部分光反應元件I-Box、GA-motif等；含有4種激素反應元件，主要包括水楊酸、茉莉酸、赤霉素和脫落酸反應元件，還包括轉錄因子MYB 結合位點和熱應激反應元件等(表2、圖2)。

1）螺柱焊槍與鈑金垂直度需在±3°，手動焊樣架套筒與槍頭單邊間隙公差±0.2mm。

2）保持焊槍清潔度，無飛濺殘留，主要是夾持器和電弧罩，需每班點檢。

3）避免設備分流，實施每周保養及日常點檢查看設備是否正常接觸。

4）接地塊與被加工零件須良好接觸，形成有效回路，為防止磁吹偏，導致螺柱單側熔接，建議在工裝設計時，盡量避免單一接地，并定期矯正焊槍頭。

3.3 母材因素

3.3.1 焊接母板厚度與螺柱端面直徑

通過對車間焊接參數的跟蹤，發現焊接電流與母板厚度及螺柱端面直徑呈正相關的關系。為驗證焊接母板厚度和螺柱端面直徑大小對焊接電流的影響優先級關系，采用單一變量實驗。當螺柱端面直徑不變時，焊接電流隨板厚增加只有微小變化，而當母板板厚不變，螺柱端面直徑變化時，焊接電流具有明顯變化，實驗數據見表6。

表6 螺柱端面直徑與母材板厚實驗表

結論：螺柱焊不同母材因素對焊接電流大小影響優先級為螺柱端面直徑＞母板板厚。

參考實驗1 和3，對部分參數進行優化，并對螺柱進行強度破化性扭矩檢驗，由實驗數據可得螺柱端面直徑和電流的分布圖（如圖4）。

圖4 螺柱端面直徑與電流大小分布圖

3.3.2 焊接母板油污

車身零件在沖壓生產成型時需噴涂多道油，在存放和運輸途中會產生油污堆積，這會引起螺柱焊接時，電弧不穩定，焊接狀態起伏大，焊接質量差。對這種情況現場進行了扭矩對比實驗如表7。

表7 油污破壞性扭矩檢測表

結論：焊接母板油污過多，對應的螺柱焊接強度明顯下降，引起扭矩不合格。

3.3.3 母板平整度

母板的平整度狀態也對螺柱焊接強度有較大影響，如螺柱焊接在R 角、焊點和鈑金過渡帶等。對這些情況也進行了破環性扭矩實驗，如表8。

表8 平整度破壞性扭矩檢測表

結論：焊接母板不平整，螺柱焊接強度明顯下降，引起扭矩不合格。

4 結語

通過上述研究，可以得出螺柱焊強度影響因素的結論如下：

1)焊接參數對螺柱強度影響主次順序 焊接電流＞焊接時間＞提升高度。

2)螺柱焊接電流小于1.1KA 時，焊槍夾持器的最佳更換頻次為6500 臺，電流大于1.1KA 時，設備自動報警更換即可。

3)焊接母材對焊接電流影響主次順序焊接端面直徑＞母板厚度。

4)焊接端面直徑D 和焊接電流I 的經驗公式為 I ＝D×（120～140）A。

5)焊槍最佳垂直度為±3°，設備應及時清理，點檢，無飛濺殘留，手動焊樣架套筒與槍頭單邊間隙公差±0.2mm，在工裝設計時，盡量避免單一接地，并定期矯正焊槍頭。

6)螺柱焊焊接母板表面清潔無明顯油污且焊接面平整。