汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析

王海龙，赵继成，靳立昆，王 建

Wang Hailong, Zhao Jicheng, Jin Likun, Wang Jian

（北京海纳川汽车部件股份有限公司 北京分公司，北京 100083）

汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析

王海龙，赵继成，靳立昆，王 建

Wang Hailong, Zhao Jicheng, Jin Likun, Wang Jian

（北京海纳川汽车部件股份有限公司 北京分公司，北京 100083）

分析汽车螺柱焊脱焊案例原因，发现焊缝区有气孔、飞溅，熔合不良。观察确认为焊枪导向夹套磨损和提升距离、伸出长度不合理影响焊接参数稳定性，进而影响焊接区熔化、成型、凝固过程导致脱焊。更换导向夹套，合理调整上述参数，调整提升距离为1.2 mm，伸出长度为1.5 mm，调整后未发现脱焊。随后拉脱力对比试验确认了脱焊发生的直接原因。

汽车螺柱焊；虚焊；偏焊；导向夹套；磨损；提升距离；伸出长度；气孔

0 引 言

某汽车侧围总成部件螺柱焊螺栓（公制6 mm）扭矩质量检测中，使用BMT-2L-SB-0008-3（扭矩7 N）电动扭矩扳手检测时，焊接螺栓从钣金件上开焊脱落。

焊接工程师根据问题情况，迅速组织检查98辆份侧围总成部件，有10辆份出现脱焊，根据企业标准已经构成批量质量问题。

1 螺柱焊问题分析

1.1 螺柱焊接技术及质量分析

螺柱焊（stud welding）是将螺柱一端与板件（或管件）表面接触，通电引弧，待接触面熔化后，给螺柱一定压力完成焊接的方法。焊接时间小于100 ms的螺柱焊被称为短周期电弧螺柱焊，汽车工业中最常用的是短周期螺柱焊[1]。

生产现场发现焊接缺陷情况如表1所示，问题主要是虚焊（6个）、偏焊和焊核小（4个）。

表1 缺陷问题分类展示

1.2 缺陷原因分析归类

表2列出所有引起缺陷的原因，现场排查分析，利用排除法，最终找到问题根源。

表2 螺柱焊接虚焊和偏焊问题来源列表

2 缺陷原因分析及改进措施

2.1 设备、材料、设计、工装分析

焊接设备为NELSON公司的N3短周期螺柱焊机，2010年生产，具有自适应功能，自动修正补偿热输入，保证焊接质量。

设定参数焊接电流700 A，焊接时间40 ms；使用M IYACHI公司的MM 380A焊接监测仪测量焊接电流和焊接时间，连续测量20份试样及98辆份部件，电流和时间参数稳定未现异常，工艺参数合理。

表3为前10个试样的检测电流和检测焊接时间数值，数据值稳定，可排除设备问题。因板材厚度较薄为0.6～0.7 mm，而螺栓直径是6 mm，接近1/10，熔池浅，参数变化对焊接质量影响大。

未发现设计和材料缺陷问题，焊接面平整，未发现弧面、坑包、油污。现场检查工装夹紧，未发现问题。加工人手法稳定。接地线布置合理。

2.2 焊枪问题

观察焊枪问题较多，分析见表4，焊枪的伸出长度（预压量）和提升距离不合理，钢板尺测量，伸出长度为2.5 mm，提升距离为3 mm。根据参考文献[3]，短周期螺柱焊提升距离和伸出长度在1.2～1.6 mm为合理，可以获得优良焊接质量。

表4中，调整前焊枪导向夹套疲劳磨损严重，整体变形，螺栓在导向夹套内定位不稳定，同时导向夹套在焊枪内晃动量也较大。

2.3 措施和对策

综合上述，采取措施如下：更换并紧固导向夹套，调节焊枪背部调节旋钮和防溅罩位置，调整伸出长度和提升距离。伸出长度调整为1.5 mm，提升距离调整为1.2 mm，调整后试验焊接，并进行拉脱力试验分析。

表3 电流电压测量仪前10个数据测量表

表4 调整前、后焊枪参数状态变化

3 试验分析确认

3.1 试验数据结果

为对比验证调整效果，使用万能试验机UTM 5504进行拉脱力试验。试片与工件材质相同，共20件，根据MBN10346标准，要求公制6 mm螺栓标准值>2 500 N，3 000 N以上为优良焊接；在更换导向夹套和调整提升距离前后，各做一组试验，每组10件，其他参数和加工人员不变。

试片焊接后，先测量扭矩，调整前试样扭矩检测中2个脱落，表面虚焊，设定其拉脱力值为0；调整后无试样脱落，无虚焊发生。

当天生产中脱落比例为10%，有3件为同一包装内连续脱落，与试验状态时脱焊比例接近，确认调整前状态不稳定。

试验结果见表5，调整前，3个试样的拉脱力在1 500 ～2 000 N区间，且6个试样不合格，焊核小、偏，质量不稳定；调整后，全部达到标准，9个式样超过3 000 N，焊核饱满。

表5 调整前后试样拉脱力和表面状态

续表

3.2 试验结果分析

表6为试样焊核直径与拉脱力报告，1号试样为调整后，最大拉脱力为3 774 N，焊核直径大于6 mm，3号试样为调整前，最大拉脱力为1 531 N，焊核椭圆形（5 mm × 1.5 mm），2号是2 159 N，为调整前试样；观察1～3号试样，焊核直径与拉脱力数值正相关，焊核直径大，拉脱力值大。

表6 3种不同拉脱力的焊核状态

图1为调整前、后拉脱力数据值对比，调整后8个试样的拉脱力值大于调整前，9件的拉脱力值在3 000 N以上，焊接质量明显提升。

4 焊接螺栓脱落原因分析

试验确认焊枪导向夹套疲劳磨损、设定伸出长度（预压量）和提升距离不合理，间接影响电弧熔化—熔池成型凝固—焊缝成形过程，导致质量缺陷进而脱焊。

4.1 焊枪提升距离和螺栓伸出长度影响

4.1.1 提升距离对下落冲击速度的影响

螺柱焊枪提升距离调整原理[4,8]：调节弹簧压紧量来调整电磁铁间距，通过防溅套位置调节提升距离和伸出长度分配，伸出长度+提升高度=电磁铁间距；表4中调整前电磁铁距离5.5 mm。根据参考文献[2-4]，6 mm螺栓提升高度应为1.2 ～1.6 mm、伸出长度应为1.2 ～1.5 mm，所以电磁铁间距为2.4 ～3 mm合适。

焊接区力学特征需要考虑重力、弹簧压力、电磁力、熔滴表面张力，下落过程的主导作用为重力和弹簧压力。对整个下压系统建模，将内部总弹簧力综合考虑简化为：

其中，F为弹簧力；K为弹簧系数；S为下落高度，约等于提升高度。

当弹簧具有一定压紧量L时，

调整前总的电磁铁间距是5.5 mm，其中提升距离为3 mm，伸出长度为2.5 mm。

调整后总的电磁间距是2.7 mm，则

当螺栓下落冲击熔池时，下落的冲击速度是自由落体运动速度V1和弹簧运动速度的叠加，

而弹簧下落分速度V2可以通过积分公式和常微分方程计算

其中a是弹簧瞬时加速度，m是整个下落系统的质量。

mv d v=K(L+S）d s用可分离变量常微分方程解得整前下落速度大、冲力大导致金属飞溅增加，如表1所示。熔池液态金属不足，同时温度下降，液态金属表面张力增大，熔合性变差；加上冲击速度大可能造成回弹，撕扯焊缝，成型变差，所以造成焊接质量不良。

4.1.2 提升距离对电弧行为的影响

由图2和图3电弧静特性曲线，可知短周期螺柱焊过程电流不变的特点[5-6]，a，长度大于a长度，a，电压大于a电压，因而提升距离变大，弧长增大，电压变大，有文献[7]给出计算公式。

当弧长L为0～6 mm时，弧压Ua=17+2.2 L。

调整前 La‘=3 mm，Ua‘=23.6 V，考虑电缆压降2～4 V，Ua‘=25.6～27.6V，

调整后La‘=1.2 mm，Ua‘=19.64 V，考虑电缆压降2～4 V，U=21.6～23.6 V。

计算结果与文献[3]所列螺柱焊通用参数吻合。调整前，电弧长度长，电压高，相同电流下，电弧半径增大，能量密度减小，熔池面积增大，熔池深度变浅，电弧变长，电弧区体积增大，气体量增加，高温时气体溶解于熔池金属中，如氮气（N2）；凝固时，气体溶解度下降且来不及逸出，导致焊缝区气体残留，表1中虚焊表面密布蜂窝状气孔，N2孔常见；凝固速度是影响气体逸出的重要参数，速度慢逸出容易，速度快逸出困难，调整前，熔池深度浅，过冷梯度大，凝固速度快，不利于气体逸出，气体残留多；同时冷却速度快，金属表面张力大，润湿性变差，不易铺展，熔合性能极度恶化，因此减少电弧长度，电弧区气体含量少，溶解气体量少，凝固速度相对变慢，气体易于逸出，相对焊缝中气孔所占比例少，且润湿性相对充足，熔合性变好。

4.2 导向夹套磨损影响

夹套疲劳变形后，螺栓位置窜动，可停留在1、2、3、4、5任何位置，见图4。螺栓的合理位置处于2，夹套疲劳后，引起电弧长度变化，结合图5和参考文献[2-4]，处于位置1时，因为提升距离和伸出长度有负相关性，造成tp和tw段电弧长，气体体积增大，易于生成气孔；电弧长受电磁影响造成偏弧，见表1。td阶段，顶锻下压力度、速度和高度不够，螺栓与工件接触不充分，熔合不良加气孔，造成虚焊[9]。

IW为焊接电流；UA为电孤电压；ΔS为螺柱位移；IP为先导电流；tp为先导电流时间；tw为焊接电流时间；td为螺柱下落（落钉）时间（stnd drop out，大约50 ms）；ts为焊枪提升延时时间，大约50 ms；tm为螺柱埋入时间（plunge time），大约10 ms；tg为短路电流时间，大约50 ms

处于位置3时，提升距离变小，tw段焊接电压低，热输入量小，熔化量不足；td顶锻阶段，下压速度和高度大，冲击熔池，飞溅量大，熔池温度低，表面张力大，焊缝熔合不良。

处于位置4时，螺柱偏心，tp和tw的引弧、拉弧、燃弧段，基于电弧挺直特性，导致电弧偏心、产热不均，td顶锻阶段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情况下，斜向冲入熔池中，局部未熔合，产生偏焊、小焊核，见表1。

处于位置5时，晃动量大，螺柱不稳定，焊接全程电弧不稳定，产热不均匀，熔池不稳定，形状和熔化量不均，熔合不良，焊缝成型差，焊接质量差。

当1与4或5共同发生，或者3与4或5共同发生时，焊接质量不良[10]。

5 结 论

分析螺柱焊脱焊原因，间接为焊枪提升距离过长，导向夹套疲劳变形，焊接质量下降。更换导向夹套，调整提升距离为1.2 mm，拉脱力试验确认调整效果，证明焊接质量提升，未再发现脱焊，产品扭矩检测全部合格。

深入分析质量下降原因，为焊接过程中电弧参数变化，使焊接熔化、熔池成型、焊缝成型阶段不稳定，引起焊缝气孔、熔合不良、电弧偏离等，造成虚焊和偏焊。

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U466

A

2013-07-10

1002-4581（2013）06-0003-06