螺母凸焊的焊接工藝參數探究

姜朝輝 林敏

摘要：當前，螺母凸焊已很廣泛應用在設備制造上，對比傳統方法焊接螺母有很多優點，最突出的是生產效率快，保護螺母，減少對螺母螺紋的燒損，簡化焊前生產準備步驟，降低勞動強度。試驗使用表面處理的板材按不同的焊接參數分組進行焊接工藝研究，從焊接外觀、斷裂扭矩等方面對比焊接結果，分析焊接結果，優化焊接工藝，為實際焊接生產提供參考。

關鍵詞：凸焊；焊接；工藝；試驗

DOI：10.12433/zgkjtz.20240717

螺母凸焊是電阻點焊的形式之一，螺母帶有凸點，主要通過螺母凸點提高焊接面電流密度，增大凸焊點位置壓強。凸焊工藝和點焊工藝很相似，設備上可以通過電極更換做到生產通用，優點包括：

第一，生產率高，焊接凸點比點焊電極細，電流密度大，螺母其余部位不接觸母材，沒有分流現象，不受點距限制。

第二，螺母凸點的數量、型式、尺寸更加容易制造和控制，保證凸點的位置尺寸，焊接后各點的熔核大小也較均勻。

第三，凸焊后螺母外觀質量好，相對于點焊板材，螺母凸焊壓痕更加輕微，螺母散熱比板材更快，焊接參數容易調整和搭配。

第四，對于電網條件和設備一般的情況下，可用較小的電流進行焊接，降低生產條件的要求。

第五，螺母更容易去油、去銹和氧化物，按批次、按需求靈活切換，減少因生產任務變更而造成的返工。

凸焊的不足之處是：需要特制凸焊使用的螺母；當同時焊接多個螺母，需要更大的焊機功率；電極壓力和垂直運動精度較高；電極設計較點焊電極復雜。由于螺母凸焊焊接質量由多個參數共同決定，在工廠實際的生產過程中，螺母凸焊存在虛焊、過燒、螺紋變形等質量缺陷，嚴重時，螺母脫落、螺紋無法使用。因此，有效預防和消除焊接缺陷對提高生產效率、提升產品品質具有重要意義。

一、實驗條件和方法

（一）試驗設備

本文采用的設備為ZKDM－160固定式凸焊機。焊機主要由機身、變壓器、上、下凸焊平臺、氣路（加壓）系統、水路（冷卻）系統、控制器及腳踏開關等組成。焊機的使用過程中應有足夠的水量，并保持水路暢通。檢查水路、氣體軟管接頭，水路、氣路系統，不能有滲漏現象；緊固部位不允許有松動現象。電極直徑超出固定范圍時，應及時維修或更換，上電極與下電極安裝時要保持同軸，咬合無間隙。

在焊接工作前，焊機都需機械調整。通過面板“加壓”開關進行：“加壓”開關閉合時，調整主氣閥；設置一個規范的各控制參數，啟動腳踏開關，控制器只有動作輸出，沒有焊接電流輸出，調整增壓閥和輔助氣閥。

（二）試驗方法和步驟

第一，調試設備，保證焊接設備狀態正常、穩定。螺母焊接時內部提前進行絕緣處理、螺母及鋼板除油除銹。

第二，按照預先設定的工藝參數焊接，不能對試件進行除工藝要求外的其他焊接行為。

第三，焊接后分別在焊接試樣上標記，確保試樣與參數一一對應。焊后應平穩放置物料框內，禁止摔碰。

第四，焊接后進行外觀檢測、螺紋檢測。使用可讀取示數的扭矩扳手進行扭矩試驗，對比螺母焊接扭矩標準進行判定。

二、試驗準備工作

（一）試驗物料

本文準備兩種螺母形式，分別是焊接四方型螺母和焊接圓形螺母，進行試樣的制備。焊前應避免螺母及鋼板表面附著含絕緣的雜質（除油、除銹）。凸焊螺母及板材相關參數如表１所示。

（二）焊接裝配

控制焊接單件對于焊接工件的焊接質量有著很大影響。凸點的尺寸和形狀會影響焊接電流的密度和焊接的熱量，螺母的凸點形狀如圖1所示。如果凸點過早被壓潰，通過凸點達到高電流密度的作用就沒有意義，但過小則無法包裹住融化的金屬液。

（三）試驗的焊接工藝

涉及螺母凸焊的焊接工藝參數主要有焊接電流、電極壓力和焊接時間。

第一，焊接電流。根據以往經驗，凸焊焊點焊接電流比點焊的小，但所需電流通過螺母和母材，產生的熱量可以將螺母凸點均勻熔化。隨著焊接電流的增大，螺母分離拉力呈現先增大后減小又增大的趨勢，如果電流過大，電阻熱過多，熱輸入過大，則易出現螺紋牙燒毀的情況。

第二，電極壓力。根據被焊金屬的性能、凸點的尺寸確定螺母凸焊的電極壓力，電極壓力應保證焊接過程中被焊螺母和母材壓緊。當焊接結合面熱量達到焊接要求時，將螺母凸點壓崩潰并鎖住金屬液體，在螺母和母材間形成熔核。如果電極壓力過大，會導致螺母螺紋變形及損壞，失去凸焊作用；如果電極壓力過小，又會引起嚴重的飛濺。

第三，焊接時間是確保焊接熔池形成及熔池大小的關鍵參數。對于已定工件的材料和厚度，焊接時間由凸點剛度和焊接電流決定；因此設定好參數的焊機，將螺母和母材在凸焊機上下兩電極之間壓緊后的通電時間，一般由焊接母材及螺母的厚度及材質決定。焊接工藝參數如表2所示。

三、試驗檢測

（一）外觀檢測

根據上表焊接參數完成試樣制備。

合格標準：焊接完成后，螺母螺紋面及電極接觸面邊緣完整，無毛刺、飛濺、無融化變形現象；螺母外觀形態無明顯過熱；板材沒有明顯的變形、扭曲；同時螺母與板材連接緊密，未見明顯縫隙。檢測結果如表3所示。

（二）螺紋及扭矩試驗

試驗過程：

第一，把外觀合格的試件放在專用的試驗臺上，使用壓緊工裝把試板壓緊。

第二，使用螺紋塞規檢查螺紋，螺紋旋入光滑不卡澀。

第三，退出螺紋塞規，旋入螺栓，確保螺栓輕松旋入螺母之中。

第四，取130Nm扭力扳手，套入待測螺母上螺栓，進行試驗，并填入記錄單。該扭矩要求借鑒QCAYJ422009焊接質量檢驗，結果如表4所示。

四、試驗結果

綜合上述兩個試驗，對數據進行分析對比得出：

第一，對于M6螺母與2mm鋼板焊接組別，在試驗焊接規范下螺母焊接達到有效熔深，滿足扭矩要求；但加大焊接電流會使螺母過熱明顯。所以，應避免螺紋焊后過熱氧化而影響使用性能。

第二，對于M8螺母與2mm鋼板焊接組別，在試驗焊接規范下，螺母焊接達到有效熔深，滿足扭矩要求；適當減小焊接時間，滿足外觀要求，同時注重螺紋焊后質量，避免螺紋焊后過熱退火而影響使用性能。

第三，對于M10與3mm鋼板焊接組別，在試驗焊接規范下螺母焊接達到有效熔深，滿足扭矩要求，外觀質量也較好，說明M10螺母可以承載焊接時的熱輸入。其中，一件M10螺栓焊接試件背面與下電極接觸面存在明顯壓痕，判斷是下電極與零件焊接裝配時，角度未擺正，導致背面燒傷。其余試樣未見明顯的壓痕。

結果分析：

第一，試驗編號2、4壓痕超過標準，外觀檢測不合格。壓痕深度計算經驗公式一般為焊件表面壓痕深度為（0.1～0.15）T（mm），其中T是板厚。超過要求的壓痕會造成變形表面的受力不均，焊接處不能連續過渡，出現應力尖點的情況。尖點處的強度下降，特別是處在震動并有交變載荷的情況下，嚴重影響疲勞強度，導致壽命下降和快速崩壞。崩壞的原因是壓力焊接時電極球面半徑太小，兩試樣接觸面積過小、局部的應力值變大、電極壓力過大、焊接軟規范下產生飛濺等。

第二，試驗編號2、4組別中螺紋存在過熱情況。主要原因是：第一，焊件與電極之間電阻大，接觸面熱量過大，電極或工件表面不干凈，使電極與工件接觸位置局部過熱氧化。第二，通過電極的電流密度過大，導致與電極接觸面過熱嚴重，有電極與工件接觸面積小，焊接參數不匹配。過熱嚴重會造成晶粒粗大，大幅降低接頭的力學性能、影響其抗腐蝕性和外觀質量。

五、試驗結論

第一，采用ZKDM－160固定式點焊機應用上述的焊接參數，焊接鋼板與凸焊螺母（M8、M10）可以滿足工廠對凸焊螺母的外觀、強度和螺紋使用要求；但應滿足一定的條件，正確選擇板厚和落實尺寸，以此得到合格的焊接產品。

第二，M6凸焊螺母與2mm鋼板焊接參數需要優化，從降低壓力、增大焊接電流、減少焊接時間出發，進一步解決螺母虛焊的問題。

六、結語

（一）焊接參數關系

焊接電流對焊接質量起著主導作用。如果焊接電流不斷增大，熔深就會顯著增加，頂部拉力會隨之增大，提高螺紋變形概率。電極壓力不易包裹住金屬，易導致飛濺，而過大的電極壓力易導致壓痕和虛焊。電極壓力增大，會緩慢增加熔深，也會提高螺紋變形概率。焊接時間對質量的影響不大，但過長的焊接時間易引起螺紋變形。

（二）焊接參數調節

低壓力時，試驗優先使用低電流，相應增加適量的焊接時間；使用的電流較大，應適當減少焊接時間。電流較小時，需要減小電極壓力；電流較大時，需要使用大電極壓力，以避免飛濺。

參考文獻：

[1]羅滏.螺母凸焊工藝研究及模擬分析[D].南京：南京理工大學，2015.

[2]陳發書.凸焊螺母在汽車上的應用[J].焊接技術，1999，

04（02）：47-48.

作者簡介：姜朝輝（1983），男，黑龍江省佳木斯市人，中級工程師，學士，主要研究方向為焊接工藝研究及工裝設計。