螺柱焊缺陷分析

摘要：螺柱焊是汽車行業(yè)一種成熟的焊接工藝。螺柱焊在實(shí)際應(yīng)用過程中易出現(xiàn)掉落、焊瘤等質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重影響總裝裝配。影響螺柱焊焊接質(zhì)量的因素是多方面的，包括焊接參數(shù)、工裝、螺柱及制件表面質(zhì)量、螺柱焊設(shè)備、人員操作方法、地線布置等。如何從開發(fā)過程中避免焊接缺陷的產(chǎn)生，前期的設(shè)計(jì)尤為重要。

Analysis on Stud Welding Defect

Abstract: Stud welding is a mature welding technology in auto manufacturing industry. It often has the serious qualityproblems in the real application, such as sealing off and welding beading which affect the assembly. The factors thatinfluence the welding quality include welding parameters, fixture, quality of stud and the manufactured parts, equipment,operation rules and ground wire layout. The design in the early stage is very important in order to avoid the welding defectsin the development process.

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(yè)應(yīng)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(zhì)量影響因素分析

1.1 焊接工藝參數(shù)

螺柱焊的焊接參數(shù)主要為焊接電流 I 和通電時(shí)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(shí)間的關(guān)系為 T= φ ×4ms，螺柱焊接端面直徑以 mm 計(jì)算，如果是鍍鋅板，在此基礎(chǔ)上焊接電流和通電時(shí)間各增加 10%，過大的工藝參數(shù)導(dǎo)致焊接熔池過大，形成焊瘤或焊穿，螺柱焊接強(qiáng)度反而下降，若工藝參數(shù)較小，焊接熔池小，易導(dǎo)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(shí)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(shí)間T=7.5×4 ms=30 ms。

螺柱焊焊接電流與通電時(shí)間互相補(bǔ)充，通常選用大的焊接電流，小的通電時(shí)間，俗稱強(qiáng)規(guī)范進(jìn)行焊接，強(qiáng)規(guī)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(guī)范進(jìn)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(dǎo)套進(jìn)行定位焊接，在焊接過程中夾具導(dǎo)套的直徑直接影響焊接質(zhì)量。合理的夾具導(dǎo)套直徑能夠保證焊槍焊接時(shí)與制件的法向垂直，如圖 1 所示。如果螺柱焊導(dǎo)套直徑過大，會導(dǎo)致在螺柱焊操作時(shí)焊槍與制件不垂直，造成引弧不良或偏弧焊接，螺柱焊接質(zhì)量差，易掉落，同時(shí)也會導(dǎo)致螺柱位置精度發(fā)生變化，如圖 2 所示，所以對螺柱導(dǎo)套的直徑需嚴(yán)格控制。通常導(dǎo)套的磨損量大于 0.5 mm 時(shí)需要更換，以保證螺柱位置精度及焊接質(zhì)量。

圖 1 夾具導(dǎo)套直徑合理的情況

圖 2 夾具導(dǎo)套直徑過大的情況

為保證螺柱焊接時(shí)與制件的法向垂直，夾具設(shè)計(jì)過程中可采取夾具導(dǎo)套上端面與焊槍端面基本平齊的方法，夾具導(dǎo)套上端面與焊槍端面存在間隙時(shí)，不能保證焊槍焊接時(shí)與制件垂直，如圖 3 所示。反之，夾具導(dǎo)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(zhì)量，如圖 4 所示。

圖 3 夾具導(dǎo)套上端面與焊槍端面存在間隙

圖 4 夾具導(dǎo)套上端面與焊槍端面貼合

（2）夾具結(jié)構(gòu)及材料的影響。在工件上的一側(cè)聚集鐵磁材料時(shí)，由于鐵磁材料的導(dǎo)磁性能比空氣要好，電弧的方向會朝向鐵磁性物質(zhì)的方向，通常夾具制造以鐵為主，如果夾具設(shè)計(jì)螺柱排布緊密，鐵磁性物質(zhì)比較集中，極易導(dǎo)致偏弧現(xiàn)象的發(fā)生，使焊接熔核不均，如圖 5 所示。解決方法為：a.更改夾具結(jié)構(gòu)，分布鐵磁性物質(zhì)，減少鐵磁性物質(zhì)集中，如圖 6 所示；b. 更改夾具材質(zhì)，使用沒有鐵磁性物質(zhì)材料，如銅或者鋁，如圖 7 所示。

圖 6 夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少鐵磁性物質(zhì)聚集

圖 7 使用沒有鐵磁性物質(zhì)材料

圖 7 使用沒有鐵磁性物質(zhì)材料

（3）夾具導(dǎo)套結(jié)構(gòu)的影響。夾具設(shè)計(jì)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(dǎo)向套設(shè)計(jì)不為圓形，而是存在一定的缺口設(shè)計(jì)，較小的缺口對螺柱焊定位無影響，通常夾具導(dǎo)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(shí)（缺口尺寸大于 1/4），如圖 9 所示。螺柱焊槍作業(yè)時(shí)也保證不了操作的垂直度，會導(dǎo)致偏弧、焊接不良及螺柱位置偏差。

圖 8 夾具導(dǎo)套缺口約 1/4

圖 9 夾具導(dǎo)套缺口遠(yuǎn)大于 1/4

（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(shù)較大，形成的熔池大，在重力作用下熔池會發(fā)生偏移，導(dǎo)致焊縫不均，在夾具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮螺柱的焊接方向。當(dāng)焊接方向與重力方向成 90°時(shí)，易使熔池在重力作用下發(fā)生偏移，導(dǎo)致焊縫不均，焊接強(qiáng)度降低，如圖 10 所示。當(dāng)焊接方向與重力方向一致時(shí)，會形成均勻的焊縫，如圖 11 所示。

圖 10 焊接方向與重力方向呈 90°、焊接方向與重力方向一致.

1.3 螺柱及制件表面質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(yán)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(dǎo)電性，而且起到防銹蝕的作用，使螺柱焊接過程更穩(wěn)定，提高焊接質(zhì)量。

1.4 螺柱焊設(shè)備的影響

螺柱焊機(jī)輸出電流的穩(wěn)定性，直接影響焊接質(zhì)量。相對而言，逆變整流焊機(jī)有更穩(wěn)定的電流輸出，螺柱焊提升高度設(shè)定不合理會導(dǎo)致引弧不良，提升高度標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致的偏弧現(xiàn)象，一般的螺柱焊機(jī)地線至少有 2 根，根據(jù)實(shí)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(dǎo)電性。

2 應(yīng)用案例分析

前圍下橫梁總成制件在焊接過程中出現(xiàn)較大焊瘤，導(dǎo)致總裝無法進(jìn)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(shù)偏大，導(dǎo)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(wěn)定，易產(chǎn)生偏??；

（3）鐵磁性物質(zhì)及地線的連接導(dǎo)致焊接磁偏吹；

（4）螺柱焊機(jī)輸出電流不穩(wěn)定，影響焊接質(zhì)量；

（5）焊接角度不垂直，導(dǎo)致焊接熔池不均，產(chǎn)生較大焊瘤。

2.2 整改措施及效果

（1）現(xiàn)場使用焊機(jī)為可控硅焊機(jī)，由于板材較厚，需更換為逆變整流螺柱焊機(jī)，提高焊接質(zhì)量穩(wěn)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(zhì)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(jié)構(gòu)，焊槍焊接時(shí)使焊槍拖面與夾具導(dǎo)套上平面貼合，提高工人操作穩(wěn)定性，減少不垂直操作；

（4）將鐵磁性物質(zhì)密集區(qū)域更改為鋁型材，減少鐵磁性物質(zhì)的影響。經(jīng)過以上整改，螺柱焊焊接質(zhì)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(jié)論

綜上，螺柱焊焊接缺陷的產(chǎn)生是多種影響因素共同作用的結(jié)果，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到焊接工裝設(shè)計(jì)、焊接參數(shù)設(shè)計(jì)、螺柱的表面處理方式及焊接設(shè)備的選型等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，才能得到良好的焊接質(zhì)量，從現(xiàn)場調(diào)試過程中需要注意總結(jié)設(shè)計(jì)中的不足，及時(shí)改正并橫展至后續(xù)車型開發(fā)中，在前期設(shè)計(jì)對產(chǎn)生螺柱焊缺陷的因素進(jìn)行規(guī)避，縮短白車身開發(fā)調(diào)試周期，降低車型的開發(fā)成本。