車身焊接強(qiáng)度模式探討

        在汽車制造業(yè)，安全一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而車身作為承載汽車零部件的載體，如何保證其強(qiáng)度就顯得尤為重要。在當(dāng)前白車身生產(chǎn)過程中，點(diǎn)焊作為主要工藝，依舊占據(jù)著重要位置。行業(yè)內(nèi)一般通過NQST(白車身焊點(diǎn)強(qiáng)度質(zhì)量水平)的數(shù)值來反應(yīng)白車身焊點(diǎn)強(qiáng)度的質(zhì)量水平。本文結(jié)合我公司的實(shí)際應(yīng)用，從點(diǎn)焊的焊接原理、焊點(diǎn)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方式、點(diǎn)焊標(biāo)準(zhǔn)及失效模式、焊接強(qiáng)度的檢驗(yàn)方式等方面做了詳細(xì)的分析介紹。點(diǎn)焊的定義及焊接原理

1.點(diǎn)焊的定義

點(diǎn)焊是指通過加熱或加壓，或兩者并用，用或不用填充材料，使兩分離的金屬表面達(dá)到原子間的結(jié)合，形成永久性連接的一種工藝方法。如圖1所示，一個(gè)完整的點(diǎn)焊形成過程包括預(yù)壓程序、焊接程序、維持程序和休止程序。在預(yù)壓階段沒有電流通過，只對(duì)母材金屬施加壓力;在焊接程序和維持程序中，壓力處于一定的數(shù)值下，通過電流產(chǎn)生熱量熔化母材金屬，從而形成熔核;在休止程序中，停止通電，壓力也在逐漸減小。點(diǎn)焊的主要焊接參數(shù)包括：焊接電流、焊接壓力、電極端面直徑和焊接時(shí)間。

圖1 一個(gè)完整的點(diǎn)焊形成過程

點(diǎn)焊的熱源是電流通過焊接區(qū)產(chǎn)生的電阻熱。根據(jù)焦耳定律，總熱量： ，R=2 +2 。公式中 產(chǎn)生的熱量; 接觸電阻Rc+2Rew所產(chǎn)生的熱量約占總熱量的10%左右;而焊件內(nèi)部電阻2Rw所產(chǎn)生的熱量約占總熱量的90%左右。最高溫度總是處于焊接區(qū)中心，即熔核形成于焊接中心,如圖2所示。

圖２　點(diǎn)焊熔核形成示意

車身點(diǎn)焊焊接的標(biāo)準(zhǔn)及失效模式

白車身的焊點(diǎn)按照不同的部位和特性可以劃分為關(guān)鍵焊點(diǎn)和一般焊點(diǎn)：關(guān)鍵焊點(diǎn)是車身關(guān)鍵部位焊接的焊點(diǎn)，主要影響車身的剛度模態(tài)、碰撞以及法規(guī)等部位焊接的焊點(diǎn);一般焊點(diǎn)是指板件之間的搭接及鈑金之間連接時(shí)焊接的焊點(diǎn)。

1.車身點(diǎn)焊焊接強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方式

白車身焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞，主要是通過剖檢室對(duì)白車身焊點(diǎn)的破壞性檢查來評(píng)價(jià)和判斷，行業(yè)內(nèi)一般用NQST的數(shù)值來表示，數(shù)值越小表示白車身焊點(diǎn)強(qiáng)度質(zhì)量水平越高。NQST計(jì)算公式如下：

2.車身點(diǎn)焊焊接的標(biāo)準(zhǔn)及失效模式

車身點(diǎn)焊過程中常見的失效模式如圖3所示。

圖3 常見的失效模式

(1)弱焊

弱焊的焊點(diǎn)熔核存在明顯的溶化結(jié)晶，但未能撕出凸臺(tái)。在焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)過程中，弱焊是比較正常的一種焊接缺陷，在生產(chǎn)過程中無法通過正常的方式識(shí)別出缺陷，需要通過非破壞性檢驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)，但是在生產(chǎn)過程中不能每個(gè)焊點(diǎn)都通過破壞性檢驗(yàn)來識(shí)別，只能通過抽檢的方式來進(jìn)行識(shí)別。因此，弱焊是一種在生產(chǎn)過程中時(shí)不容易被識(shí)別出來的，只有通過剖壞性試驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷。

(2) 虛焊

虛焊的焊點(diǎn)處只有少量的熔核或沒有熔核，造成接觸不良，時(shí)通時(shí)斷。虛焊與假焊都是指焊件表面沒有充分接觸，焊件之間沒有形成熔核，主要原因通常是由于焊件表面沒有清除干凈或焊劑用得太少以及焊接時(shí)間過短所引起的。

(3) 內(nèi)飛濺

目視內(nèi)飛濺焊點(diǎn)的內(nèi)部，熔核金屬隨飛濺飛出，焊點(diǎn)熔核成為一個(gè)空洞。內(nèi)飛濺產(chǎn)生的原因是：兩焊接板件的板厚超過5.4mm;或者焊接的電流、電壓較大且焊接時(shí)間比較短，在短時(shí)間內(nèi)集聚較大的熱量，使焊接的板件中間的焊接熔核形成飛濺飛出熔核，導(dǎo)致焊接的熔核中形成空洞。

(4) 氣孔

焊點(diǎn)及熱影響區(qū)不允許有裂紋、燒穿存在，焊核周圍不允許有氣孔存在，合資企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)是：強(qiáng)度部位為Φ1.5mm以下，密封部位不允許存在，一般部位為Φ1.5mm以下。

(5) 焊點(diǎn)位置

焊接位置誤差不允許超過圖紙規(guī)定位置±10mm，合資企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)度部位為5mm以下，密封部位是10mm以下，一般部位是10mm以下。

(6 )半點(diǎn)

焊點(diǎn)邊緣距母材邊緣距離不得小于1.0mm，合資企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)度部位的打點(diǎn)痕跡一定在部品中間，密封部位的打點(diǎn)痕跡在2/4以上，一般部位的打點(diǎn)痕跡在2/4以上。

(7) 點(diǎn)距不均

點(diǎn)距的誤差不允許超過圖樣要求的±15%，合資企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)度部位為±10mm，密封部位為±20mm，一般部位為±20mm。

(8) 壓痕深度

焊點(diǎn)壓痕的深度不得大于被焊接母材厚度的20%，合資企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)是：壓痕深度≤焊接板厚的30% 。

影響焊接強(qiáng)度的因素

1.焊接參數(shù)

(1)焊接電流

焊接電流對(duì)產(chǎn)熱的影響比電阻和通電時(shí)間大，它是平方正比關(guān)系，因此是必須嚴(yán)格控制的重要參數(shù)之一。焊接電流較小、熱源強(qiáng)度不足，此時(shí)不能形成熔核，因此，焊點(diǎn)的強(qiáng)度負(fù)荷較低且不穩(wěn)定。隨著電流的提高，內(nèi)部熱源急劇增加，熔核尺寸穩(wěn)定增加，焊點(diǎn)的拉剪載荷不斷提高;當(dāng)電流過大會(huì)引起金屬過熱和噴濺，接頭性能反而降低，形成內(nèi)飛濺焊點(diǎn)，沒有實(shí)質(zhì)性的強(qiáng)度。

(2)通電時(shí)間

焊接時(shí)間對(duì)接頭性能的影響與焊接電流相似。

(3)電極壓力

電極壓力過小會(huì)造成因電流密度過大，而引起加熱速度增大而產(chǎn)生噴濺;電極壓力過大時(shí)將使焊接區(qū)總電阻和電流密度均減小，焊接散熱增加，熔核尺寸下降，接頭性能降低。為了使焊接熱量達(dá)到原有水平，保持焊點(diǎn)強(qiáng)度不變，在增大電極壓力的同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾雍附与娏骰蜓娱L(zhǎng)焊接時(shí)間來彌補(bǔ)電阻減小的影響;在確定電極壓力時(shí)，還必須考慮零件或者裝配質(zhì)量。如果工件已經(jīng)變形，導(dǎo)致焊接區(qū)不能緊密接觸，則需采用較高的電極壓力來克服這種變形。

(4)電極形狀及材料

電極的端面接觸面積決定著電流密度和熔核大小，電阻材料的電阻率和導(dǎo)熱性關(guān)系著熱源的產(chǎn)生和散失，電極必須有合適的強(qiáng)度和硬度，不至于在反復(fù)加壓過程中發(fā)生變形和損耗，使接觸面積大，接頭強(qiáng)度下降。電極頭端面尺寸增加，焊接區(qū)電流密度減小，散熱增強(qiáng)導(dǎo)致熔核尺寸減小，接頭承載能力也相應(yīng)降低。

(5)焊件表面狀況

焊件表面上帶有氧化物、鐵銹或其他雜質(zhì)等不均勻覆層時(shí)，會(huì)因接觸電阻的不一致，各個(gè)焊點(diǎn)產(chǎn)生的熱量大小不一致，引起焊接質(zhì)量的波動(dòng)。所以，焊接前清理待焊件表面是獲得優(yōu)質(zhì)焊接質(zhì)量的必備條件。

(6)電極

電極端面直徑在6～8mm之間是焊點(diǎn)質(zhì)量保障的條件之一。

2. 沖壓件質(zhì)量

沖壓件質(zhì)量也是影響焊接強(qiáng)度的因素之一，如沖壓件表面起皺、變形都會(huì)影響焊接質(zhì)量。焊接面起皺，會(huì)導(dǎo)致鈑金搭接間隙增大，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)出現(xiàn)弱焊、虛焊和內(nèi)飛濺等焊接缺陷;板件翻邊不平整，會(huì)導(dǎo)致板件在搭接時(shí)的間隙過大。當(dāng)板件搭接間隙大于1mm時(shí)，焊點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)虛焊、弱焊和內(nèi)飛濺等。這些焊接缺陷都是焊點(diǎn)的內(nèi)部焊接質(zhì)量問題，在正常的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)不了的，只能通過破壞性檢驗(yàn)才能識(shí)別。所以沖壓件質(zhì)量對(duì)焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量影響比較大，控制好沖壓件質(zhì)量也是提高焊接質(zhì)量的途徑之一。沖壓件質(zhì)量主要控制沖壓件的焊接面變形問題及搭接邊平整。

3.工裝防錯(cuò)

工裝防錯(cuò)主要是體現(xiàn)在焊點(diǎn)的位置及焊點(diǎn)半點(diǎn)這些焊接缺陷上面。如一些焊點(diǎn)在焊接過程中是無法看到的，只能通過在工裝上增加限位槽或者是擋塊來確保焊點(diǎn)的位置，以防止焊點(diǎn)焊接半點(diǎn)。

4.人員操作

人員操作也是影響焊接質(zhì)量的一個(gè)因素，操作時(shí)要求焊鉗的電極與板件垂直焊接，如果焊接時(shí)板金與電極不垂直就會(huì)出現(xiàn)焊接飛濺、點(diǎn)扭曲和虛焊等焊接缺陷。

車身焊接強(qiáng)度檢驗(yàn)方式

1.焊接強(qiáng)度控制及檢驗(yàn)

車身上各部件的焊接主要依靠點(diǎn)焊，點(diǎn)焊在車身焊接質(zhì)量中起著非常重要的作用，其質(zhì)量合格與否對(duì)整車安全、強(qiáng)度和外觀等性能影響非常大，尤其是焊接強(qiáng)度的保障對(duì)整車安全有著非常重要的意義。此外，其他焊接方法，如MIG焊、激光焊等，其焊接質(zhì)量也同樣重要。

以某車型為例，長(zhǎng)安福特馬自達(dá)焊裝車間引入了德國(guó)BOS 6000系統(tǒng)，可以對(duì)該車型所有焊接機(jī)器人和焊點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，既可以監(jiān)控每個(gè)焊點(diǎn)的焊接參數(shù)、飛濺大小和焊接質(zhì)量，也可以監(jiān)控焊接機(jī)器人電極頭的磨損情況和打磨頻次等。此外，在焊接生產(chǎn)過程中，對(duì)樣件進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)的環(huán)節(jié)也非常重要。

點(diǎn)焊檢驗(yàn)手段主要有非破壞性檢查(Non-Destructive)和破壞性檢查(Destructive)兩種方式。非破壞性檢查包括鑿檢、超聲波檢驗(yàn)等，破壞性檢查包括Teardown點(diǎn)焊檢查和激光焊/MIG焊金相分析等。

我公司焊裝車間目前采用了幾種主要的檢驗(yàn)手段：

(1)非破壞性檢查(鑿檢)

鑿檢主要是生產(chǎn)線各工位對(duì)可撬焊點(diǎn)的質(zhì)量檢驗(yàn)手段，使用的工具是扁鏟、錘子等，頻次為20件/次，如圖4所示。鑿檢通?？梢园l(fā)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單的焊接缺陷，如虛焊、弱焊等。

圖4 鑿檢

(2)非破壞性檢查(無損強(qiáng)度檢測(cè))

無損檢測(cè)試驗(yàn)包括射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷和渦流探傷。超聲波在被檢測(cè)焊點(diǎn)金屬材質(zhì)中傳播時(shí)，焊點(diǎn)內(nèi)部組織的變化對(duì)超聲波的傳播會(huì)產(chǎn)生一定的影響，通過對(duì)超聲波受影響程度和狀況的探測(cè)，可以了解焊點(diǎn)性能和內(nèi)部缺陷，軟件畫面會(huì)實(shí)時(shí)顯示超聲波的傳播情況，如有異常說明焊點(diǎn)內(nèi)部有缺陷。比如：波峰逐級(jí)降低過緩(較平整)，說明該焊點(diǎn)存在低熱溶現(xiàn)象;波峰逐級(jí)降低過陡(較陡峭)，說明該焊點(diǎn)存在過熱溶現(xiàn)象。

(3)破壞性檢查(Teardown )

Teardown通過手工鏨、氣動(dòng)鏨、電鏨和榔頭等破壞所有焊點(diǎn)、焊縫，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。分總成和白車身的檢查頻次為每月一次。

2.工藝性檢驗(yàn)

在產(chǎn)品制造過程中為了保證工藝的正確性而進(jìn)行。它包括：材料焊接性試驗(yàn)、焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)、焊接電源檢驗(yàn)、工藝裝備檢驗(yàn)、輔機(jī)及工具檢驗(yàn)、結(jié)構(gòu)的裝配質(zhì)量檢驗(yàn)、焊接工藝參數(shù)檢驗(yàn)、預(yù)熱、后熱及焊后熱處理檢驗(yàn)。

車身焊接強(qiáng)度過程保障

1. 焊接電極

焊接電極的端面直徑在6～8mm之間，使用過程中需及時(shí)修磨，按照標(biāo)準(zhǔn)要求配送到生產(chǎn)工位進(jìn)行更換使用，并進(jìn)行記錄;過程中檢查監(jiān)督電極帽是否按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更換，來保障焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量。

2. 參數(shù)監(jiān)控

焊接參數(shù)是保障焊接強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，焊接參數(shù)的正確與否是時(shí)刻需要關(guān)注的。一般工位的焊接參數(shù)是每個(gè)月監(jiān)控一次，關(guān)鍵工序的焊接參數(shù)是半個(gè)月監(jiān)控一次，通過對(duì)焊接參數(shù)的監(jiān)控來確保焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量。

3. 焊接設(shè)備

(1)穩(wěn)定性

通過增加中頻焊機(jī)來提高焊接參數(shù)的輸出穩(wěn)定性，從而提升焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量。

(2)焊接設(shè)備的完好性

焊鉗不能出現(xiàn)漏水、漏氣現(xiàn)象，設(shè)備的完好性是保障焊接質(zhì)量的重要因素。

4. 板件質(zhì)量監(jiān)控

沖壓件搭接是否有間隙或者說是板件的焊接面是否起皺，搭接板件的邊緣是否有間隙超過1mm，這些都是影響焊接強(qiáng)度的因素，因此對(duì)板件的質(zhì)量監(jiān)控也是提升焊接強(qiáng)度的一種途徑。

5. 關(guān)鍵焊點(diǎn)的保障方式

可采取的保障方式有：增加中頻焊機(jī)、夾具增加擋塊、自動(dòng)化焊接(增加機(jī)器人焊接保障焊點(diǎn)的一致性)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增加焊點(diǎn)標(biāo)識(shí)或者增加焊點(diǎn)槽。

結(jié)語

汽車車身的焊接質(zhì)量直接決定著整車的質(zhì)量，車身存在焊接缺陷將會(huì)導(dǎo)致車身強(qiáng)度不夠、功能組件失效無法安裝等，從而直接影響到整車的安全性及功能性，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致漏雨、噪聲和車門關(guān)閉障礙的發(fā)生。所以，如何快速有效的控制焊接強(qiáng)度是每一個(gè)汽車廠極力追求的目標(biāo)。