螺柱焊在車身制造中的應(yīng)用及其質(zhì)量控制

杜偉國(guó)

（上海通用汽車有限公司　上海 201206） 

摘要：分析了電弧螺柱焊的焊接原理，為生產(chǎn)中出現(xiàn)的焊接問題從本質(zhì)上加以闡述，并在此基礎(chǔ)上介紹有關(guān)焊接缺陷的形成和質(zhì)量檢測(cè)手段。

關(guān)鍵詞：螺柱焊  焊接質(zhì)量

Abstract: The basic principle of the arc stub welding was introduced and the problems, aniseed in the welding process, were analyzed. Based on those analyses, the causes of the defects in the weld were founded and the quality testing was introduced

Key words: stud welding, welding quality

O  前    言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，使用者對(duì)汽車功能的要求更高、更多、更具個(gè)性化，這就需要白車身的制造工藝更具柔性，同時(shí)成本要精益，可制造性好，車身結(jié)構(gòu)要緊湊合理。螺柱焊系統(tǒng)在滿足和實(shí)現(xiàn)當(dāng)代造車?yán)砟钌掀鹬e足輕重的作用，、這可將許多巧妙的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成易于制造的工藝。

從廣義上講，將螺柱或類似的其他緊固件通過電弧熔化金屬的途徑焊于工件上的方法統(tǒng)稱螺柱焊，這有別于傳統(tǒng)汽車制造中的電阻點(diǎn)焊和凸焊。螺柱焊的電弧可由直流電源或一組儲(chǔ)能電容產(chǎn)生，螺柱焊焊接普通碳鋼時(shí)應(yīng)采用直流正接，焊接有色金屬時(shí)則采用直流反接。螺柱焊是焊接緊固件的一種快速方法，不僅效率高而且可以通過專用設(shè)備對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行有效的控制，從而保證接頭的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和接頭強(qiáng)度。

在該特殊焊接領(lǐng)域，占有領(lǐng)先地位的兩家公司為Emhart和TRW，該兩種品牌占據(jù)著全世界90%以上的市場(chǎng)份額。近年來，由于TRW的退出，Emhart幾乎在該領(lǐng)域沒有對(duì)手。上海通用汽車就采用Emhart的螺柱焊系統(tǒng)，焊接別克轎車和別克GI8的螺柱機(jī)器人焊接系統(tǒng)是目前中國(guó)最先進(jìn)的生產(chǎn)系統(tǒng)，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

1           Emhart 螺柱焊的焊接過程

Emhart螺柱焊實(shí)質(zhì)是一種電弧焊，其焊接過程由以下4個(gè)主要階段構(gòu)成。

1．1    第一階段

當(dāng)螺柱與工件接觸時(shí)（SOW），初始電流值約為40A，電壓為0V。初始電流的存在，一方面可激活焊接處的被焊金屬表面，以便順利起弧；另一方面為控制器反饋所診斷的信息（見圖1）。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，由于焊接板材的形狀原因，或車體尺寸的配合原因，在機(jī)器人焊接時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)螺柱與車身接觸困難，同時(shí)如果車體鋼板強(qiáng)度偏軟，也會(huì)影響焊接的質(zhì)量。這就需要在工裝夾具上做相應(yīng)的調(diào)整，增強(qiáng)被焊處鋼板的剛度，從而保證該階段的可靠和穩(wěn)定。

1．2    第二階段

緊接著焊槍中的提升線圈得到70V（DC）的電壓，線圈動(dòng)作，將螺柱提升到（0.45″1.2mm），已被激活的金屬表面在電壓作用下由此而產(chǎn)生拉弧，由于提升高度一定，電弧電壓最終約為24V(DC)。該電壓為維弧電壓，為主電弧的順利導(dǎo)入創(chuàng)造了條件，如圖2所示。

1．3    第三階段

主焊接電流導(dǎo)通，在電弧的作用下，被焊工件的被焊接處熔化成焊接熔池，由于提升高度相同，電弧電壓保持不變（見圖3）。

1．4    第四階段

提升線圈失掉電壓，螺柱下降，下落到焊接熔池中，下落時(shí)間為12ms。從而完成整個(gè)焊接過程（見圖4）。

2 焊接時(shí)間對(duì)質(zhì)量的影響

EMHART焊機(jī)對(duì)焊接時(shí)間的定義是：從焊接主電流導(dǎo)通到焊接電弧電壓為0所需的時(shí)間（見圖5）。

焊接時(shí)間是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，由于Emhart控制器對(duì)焊接時(shí)間的控制是通過電弧電壓的反饋信號(hào)而加以控制，所以焊頭的工作狀態(tài)非常重要。在生產(chǎn)過程中，焊接時(shí)間常因下落時(shí)間（drop time）的變長(zhǎng)而相應(yīng)增長(zhǎng)。焊接時(shí)間超出焊接規(guī)范，導(dǎo)致焊接質(zhì)量的下降、出現(xiàn)焊穿、螺柱的法蘭過渡熔化等。出現(xiàn)以上情況，主要有4個(gè)方面的原因：①夾頭位置不對(duì)而導(dǎo)致提升距離變長(zhǎng)。②支撐彈簧超出疲勞極限。③焊頭污染，其滑板滑動(dòng)不暢。④反饋線接觸不好或與接地線的連接斷路（見圖6）。

EMHART的螺柱焊系統(tǒng)分為手工螺柱焊系統(tǒng)、半自動(dòng)焊接系統(tǒng)和機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其焊接原理基本一致，只是系統(tǒng)構(gòu)成有所不同，此處不再贅述。

3   工藝過程控制和質(zhì)量檢驗(yàn)

通用汽車“造入質(zhì)量”（build in quality）的先進(jìn)生產(chǎn)理念，使得在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)過程的控制更嚴(yán)格，穩(wěn)定的車身質(zhì)量才能切實(shí)得以保證。

3．1    工藝過程控制

1）   精確設(shè)置焊接參數(shù)：車身板材厚度、有無鍍層、螺柱位置等，都是在設(shè)置參數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的問題。

2）   保證焊接回路的通暢和連接的可靠，盡量使焊接處與地線靠近，減少中間過渡環(huán)節(jié)。

3）   焊槍或焊頭的角度開關(guān)有一定的范圍，調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)盡量使螺柱與焊接板材垂直，特別是對(duì)手工焊槍，角度開關(guān)調(diào)節(jié)的范圍越小，質(zhì)量就越穩(wěn)定，人為的影響因素就越小。

4）   盡量保持焊接表面的清潔。雖然EMHART的螺柱焊系統(tǒng)有自適應(yīng)系統(tǒng)，當(dāng)表面有油污時(shí)，由于反饋

的焊接電壓比正常的值高，焊接自適應(yīng)系統(tǒng)會(huì)將電流相應(yīng)提高，但畢竟有一個(gè)滯后過程和范圍。

3．2    質(zhì)量檢驗(yàn)

⑴目視檢測(cè)   對(duì)于T形螺柱、帶法蘭的螺柱，其焊接質(zhì)量可以通過目視檢測(cè)螺柱底端焊縫外觀形狀來判斷焊接的質(zhì)量，如圖7所示。

圖7a所示是一個(gè)合格的螺柱焊縫，其角焊縫均勻，成形連續(xù)且熔合好。

圖7b所示為虛焊，表明螺柱沒有完全插入熔池。這種情況應(yīng)檢查夾頭的位置是不正確，焊槍的頂桿彈簧是否超出疲勞強(qiáng)度和焊頭滑動(dòng)是否自如。

圖7c所示表明焊接熱量不足。解決的途徑是檢查夾頭與防飛濺套的位置是否等于1.2mm，是否所有導(dǎo)線接點(diǎn)可靠，以確保電流的順利導(dǎo)通，同時(shí)可根據(jù)情況增加焊接電流或焊接時(shí)間。

圖7d所示表明熱量過高。在確保夾頭位置正確的前提下，可降低焊接電流或焊接時(shí)間。

圖7e所示表明螺柱傾斜，只有局部的焊縫。通過矯正焊槍位置，使其與焊接表面垂直即可解決。

圖7f所示表明接頭一側(cè)焊縫堆積而另一側(cè)沒有焊縫。這是由于電弧偏吹所致，可通過改變接地方式和位置來解決。

⑵彎矩檢測(cè)    上海通用汽車采用專用的測(cè)力工具對(duì)`螺柱進(jìn)行檢測(cè)。該專用工具如圖8所示，在檢測(cè)螺柱前，先按不同螺柱的尺寸調(diào)整好工具，檢測(cè)時(shí)手柄擺動(dòng)角度為50°，如果螺柱在檢測(cè)時(shí)無斷裂和焊縫開裂，該螺柱為合格。

總之，先進(jìn)的螺柱焊接生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合有效的焊接質(zhì)量控制程序，為汽車柔性生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)高質(zhì)量的轎車提供了有力的保證。

參    考    文    獻(xiàn)

1   TMP STUD WELDER（美）．Emhart automotive

2   焊接手冊(cè)．北京：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)

作者簡(jiǎn)介：杜偉國(guó)，男，1970年，大學(xué)本科，工程師。