螺柱焊缺陷分析

张彭 陈国强 魏普 张涵

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

螺柱焊是将螺柱一端与板件（或管件）表面接触，通电引弧，待接触面融化后给螺柱一定的压力形成牢固连接的工艺方法，螺柱焊分为储能式螺柱焊和拉弧式螺柱焊，汽车行业应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，需要对各影响因素熟悉了解，从而更好地找到问题真因，快速解决问题。

1 螺柱焊焊接质量影响因素分析

1.1 焊接工艺参数

螺柱焊的焊接参数主要为焊接电流I和通电时间T，一般螺柱焊接端面直径与焊接电流的管线为I=（φ+1）×100 A，与焊接时间的关系为T=φ×4 ms，螺柱焊接端面直径以mm计算，如果是镀锌板，在此基础上焊接电流和通电时间各增加10%，过大的工艺参数导致焊接熔池过大，形成焊瘤或焊穿，螺柱焊接强度反而下降，若工艺参数较小，焊接熔池小，易导致虚焊。

以M5，M6螺柱为例，M5的螺柱端面直径尺寸一般为 6 mm，焊接电流 I=（6+1）×100 A=700 A，通电时间T=6×4 ms=24 ms。M6的螺柱端面直径尺寸一般为7.5 mm，焊接电流 I=（7.5+1）×100 A=850 A，通电时间T=7.5×4 ms=30 ms。

螺柱焊焊接电流与通电时间互相补充，通常选用大的焊接电流，小的通电时间，俗称强规范进行焊接，强规范能够快速形成熔池，减少热量损失，焊缝成型好，一般不建议使用弱规范进行焊接。

1.2 螺柱焊工装夹具的影响

1）螺柱焊夹具的影响只针对人工螺柱焊，人工螺柱焊依靠螺柱焊夹具导套进行定位焊接，在焊接过程中夹具导套的直径直接影响焊接质量。合理的夹具导套直径能够保证焊枪焊接时与制件的法向垂直，如图1所示。如果螺柱焊导套直径过大，会导致在螺柱焊操作时焊枪与制件不垂直，造成引弧不良或偏弧焊接，螺柱焊接质量差，易掉落，同时也会导致螺柱位置精度发生变化，如图2所示，所以对螺柱导套的直径需严格控制。通常导套的磨损量大于0.5 mm时需要更换，以保证螺柱位置精度及焊接质量。

为保证螺柱焊接时与制件的法向垂直，夹具设计过程中可采取夹具导套上端面与焊枪端面基本平齐的方法，夹具导套上端面与焊枪端面存在间隙时，不能保证焊枪焊接时与制件垂直，如图3所示。反之，夹具导套上端面与焊枪端面贴合，可保证焊接过程焊枪与制件垂直，得到好的焊接质量，如图4所示。

2）夹具结构及材料的影响。在工件上的一侧聚集铁磁材料时，由于铁磁材料的导磁性能比空气要好，电弧的方向会朝向铁磁性物质的方向，通常夹具制造以铁为主，如果夹具设计螺柱排布紧密，铁磁性物质比较集中，极易导致偏弧现象的发生，使焊接熔核不均，如图5所示。解决方法为：a.更改夹具结构，分布铁磁性物质，减少铁磁性物质集中，如图6所示；b.更改夹具材质，使用没有铁磁性物质材料，如铜或者铝，如图7所示。

3）夹具导套结构的影响。夹具设计过程中为保证制件能够顺利取出及夹具的功能性，夹具螺柱焊导向套设计不为圆形，而是存在一定的缺口设计，较小的缺口对螺柱焊定位无影响，通常夹具导套缺口尺寸不得大于整圆的1/4，如图8所示。但是缺口过大时（缺口尺寸大于1/4），如图9所示。螺柱焊枪作业时也保证不了操作的垂直度，会导致偏弧、焊接不良及螺柱位置偏差。

4）螺柱焊焊接方向的影响。对于板材较厚的车身件，需要的焊接参数较大，形成的熔池大，在重力作用下熔池会发生偏移，导致焊缝不均，在夹具设计时要考虑螺柱的焊接方向。当焊接方向与重力方向成90°时，易使熔池在重力作用下发生偏移，导致焊缝不均，焊接强度降低，如图10所示。当焊接方向与重力方向一致时，会形成均匀的焊缝，如图11所示。

1.3 螺柱及制件表面质量的影响

螺柱焊表面处理方式通常分为2种，一种为表面涂防锈油，减少螺柱锈蚀，如图12所示。实验证明油污对螺柱焊引弧过程影响很大，制件及螺柱表面过多的油污会导致焊接引弧困难，造成焊接不良，所以对于制件及螺柱表面要求是比较严格的。另一种为螺柱表面采用镀铜或镀铬处理，如图13所示。镀铜或镀铬处理不仅提高其焊接导电性，而且起到防锈蚀的作用，使螺柱焊接过程更稳定，提高焊接质量。

1.4 螺柱焊设备的影响

螺柱焊机输出电流的稳定性，直接影响焊接质量。相对而言，逆变整流焊机有更稳定的电流输出，螺柱焊提升高度设定不合理会导致引弧不良，提升高度标准为1.5～2 mm，一般要求下可以满足焊接要求。

1.5 地线布置的影响

地线布置符合对称的原则，且地线接触良好，对称的布置能够减少电弧因电磁场的影响而导致的偏弧现象，一般的螺柱焊机地线至少有2根，根据实际需要可以增加，地线与制件连接的部位最好使用铜块接触，以保持良好的导电性。

2 应用案例分析

前围下横梁总成制件在焊接过程中出现较大焊瘤，导致总装无法进行装配，如图14所示。影响因素分析，如图15所示。

2.1 原因分析

1）焊接工艺参数偏大，导致焊接熔池过大；

2）柱焊提升高度大，范围为1.5～2 mm，螺柱提升高度越大，电弧引弧过程越不稳定，易产生偏弧；

3）铁磁性物质及地线的连接导致焊接磁偏吹；

4）螺柱焊机输出电流不稳定，影响焊接质量；

5）焊接角度不垂直，导致焊接熔池不均，产生较大焊瘤。

2.2 整改措施及效果

1）现场使用焊机为可控硅焊机，由于板材较厚，需更换为逆变整流螺柱焊机，提高焊接质量稳定性；

2）使用螺柱焊枪，螺柱提升高度为2 mm，考虑铁磁性物质及焊接位置的影响，必须压低电弧来减少焊瘤，螺柱提升高度降低为1.5 mm；

3）更改夹具结构，焊枪焊接时使焊枪拖面与夹具导套上平面贴合，提高工人操作稳定性，减少不垂直操作；

4）将铁磁性物质密集区域更改为铝型材，减少铁磁性物质的影响。

经过以上整改，螺柱焊焊接质量满足工艺要求，螺柱焊熔池均匀，螺柱焊焊瘤缺陷消除。

3 结论

综上，螺柱焊焊接缺陷的产生是多种影响因素共同作用的结果，从产品设计到焊接工装设计、焊接参数设计、螺柱的表面处理方式及焊接设备的选型等各个环节进行控制，才能得到良好的焊接质量，从现场调试过程中需要注意总结设计中的不足，及时改正并横展至后续车型开发中，在前期设计对产生螺柱焊缺陷的因素进行规避，缩短白车身开发调试周期，降低车型的开发成本。