M12环凸焊螺母凸焊质量改进

杨黄锐 熊玮 唐大庆 范贵鹏

（东风实业有限公司，武汉 430056）

1 前言

凸焊是一种电阻焊工艺，常用于白车身螺母、螺栓焊接工艺中，M12 环形凸台螺母与2.5 mm 镀锌钢板凸焊时（工频焊机）因其焊接能量需求大，影响电网恒定输出电流，会出现螺母虚焊缺陷，需额外增加补焊工序确保螺母与板材牢固连接，熔化极活性气体保护电弧焊（Metal Active Gas Arc Welding，MAG）补焊工序浪费工时，应采用先进的凸焊工艺取代落后的凸焊+补焊“双保险”焊接工艺。

储能焊机利用电容储存电能，焊接时瞬间释放电量，同时集中大电流穿过小面积点而达致熔接效果。对于螺母焊接件，如果螺母承载力较大，或零件材质（难焊材质）对焊接质量影响较大，储能凸焊机有明显优势。储能式凸焊机适用材料广泛，就汽车零部件而言，与螺母焊接的板材不论是冷冲压零件还是高强度热压零件，均可达到较好的焊接质量[1]。

2 凸焊螺母脱落原因分析

2.1 产品介绍

图1 是凸焊螺母与螺母盒装配关系图，螺母底部设置高1.2 mm、宽2 mm、直径24 mm 环形尖角凸筋，凸焊后在凸台与板材结合部形成环形凸焊连接。螺母盒为冲压件，板材厚2.5 mm，材料牌号HC420LAD+Z 50/50，表面双面镀锌。

图1 凸焊螺及母螺母盒装配关系

M12 螺母被焊在螺母盒封闭腔内，一旦脱落不易返修，因此必须保证两者可靠连接。为确保牢固连接，产品设计采用带法兰盘的特殊凸焊螺母，在法兰盘端面设置环形尖角凸筋代替普通凸焊螺母的凸点，环状凸筋增加了螺母与螺母盒接触面积，目的是提高连接强度及连接可靠性。但由于工频焊机在焊接时需从电网获取3 万安培以上的瞬时大电流，导致电网电压不稳，难以输出稳定的电流，引发螺母虚焊，凸焊后每个零件需要再用MAG 焊补焊确保螺母可靠连接。增加补焊工序违背了产品设计初衷。

2.2 螺母脱落原因分析

产品方面，与3 凸点或4 凸点的凸焊螺母相比，环凸焊螺母理论上有更高的连接强度，但环凸焊螺母因凸筋的结合面比凸点螺母的接触面积大，在相同电流下导致电流密度相对较低，难以形成有效熔核。设备方面，在工频焊机与车间电网之间存在不可调和的矛盾，采用强规范大电流会影响车间电网供电平衡，带来电网瞬时压降，甚至烧毁初级电路汇流排；在不能采用强规范的情况下，只能采用软规范小电流、低压力、长时间的焊接参数进行焊接，由于焊接压力低、电流小，热量在凸筋处无法形成熔核，长时间通电加热导致热量消耗在螺母上（图2），螺母的法兰盘被加热变深色也不能获得合格的凸焊接头。

图2 右边的螺母法兰盘被加热变深色

2.3 改进方案

电容储能式凸焊机的工作方式是从电网以小电流、长时间的方式给电容充电，电容放电时能瞬时、大电流向工件输出额定焊接能量，由于凸焊过程脱离车间电网，即使焊接电流很大也不会对车间电网产生冲击，同时提高了焊接稳定性，储能焊机解决了焊机与车间电网之间存在的能量供需矛盾，短时、大电流、高焊接压力的焊接参数能满足M12 环凸焊螺母与2.5 mm 厚板焊接工艺要求。为提高凸焊质量，决定采用广州亨龙智能装备公司出品的20 kJ 储能焊机替代500 kVA 工频凸焊机焊接M12 环凸焊螺母。

3 正交试验选择凸焊参数

3.1 确定正交试验因素及水平

正交试验可以用最少的试验次数、最低的消耗获得最佳的试验结果[2]。焊接参数正交试验适用于4 因素3 水平L9（34）正交表，正交试验选择参数时应采用较大的水平差值，即拉开各水平之间的差距，虽然试验结果（顶出力）会呈现较大散差，但易于找出最大试验强度的最优参数水平组合。本试验选择焊接电压、回火电压和电极压力为试验因素，预压时间作为随机因素，分别简称为A 因素，B 因素、C 因素和D 因素。

每因素取3 水平设计出4 因素3 水平的因素水平表（表1）。储能焊机的电容放电时间小于20 ms，电容放电时间即为焊接时间，电容放电时间不可调，因此焊接时间不列入因素水平表。

表1 因素水平表

3.2 试验结果分析

焊前准备，为确保螺母的环状凸筋与螺母盒均匀接触，焊前要检查上下电极端面平行度，用压印纸检验电极接触面积，印迹面积占电极理论接触面积80%以上为合格（图3）。电极修磨后上下电极在不通电状态下开闭5 次以上，用于磨合电极工作端面，提高电极端面接触电阻稳定性。

图3 压印纸印迹

按L9（34）正交表所列9 种焊接规范利用储能焊机在螺母盒上凸焊9 个M12 螺母并记录飞溅状态。破坏试验方法如图4 所示，即用螺钉拧入凸焊螺母，将凸焊试件放在夹具上，再对凸焊螺母上的螺钉施加压力，直到凸焊螺母上的焊点撕裂，记录此时顶出力的压力值。

图4 螺母顶出试验

将9 个样件的破检顶出力（亦即指标）数据输入正交试验助手软件中，经计算机软件处理后得试验结果记录表（表2）。

表2 试验结果记录表

在各因素中，某一因素水平变动时，引起指标变动大，则说明该因素对指标影响大，是主要因素，这个影响程度用因素极差Rj表示[3]。

本试验仅做极差分析，从表3 可知，A 因素1 水平均值（26.32）大于其它两个水平（18.69、9.3），即Ka1＞Ka2＞Ka3，亦即A1＞A2＞A3，说明因素A 取A1水平最好，焊接电压取650 V 对提高凸焊接头连接强度有利；B 因素有关数据中B3＞B2＞B1，以B3 水平最好；C 因素有关数据中C3＞C2＞C1，以C3 水平最好；D 因素水平没有差值，作为随机误差不参与分析。极差表中Ra＞Rb＞Rc，可见本次试验A 极差最大，是主要因素。因素主次排列的顺序是A＞B＞C＞D。

表3 试验结果分析表

依据上述结果，确定本轮试验参数最优水平组合为A1B3C3，即焊接电压为650 V，回火电压为650 V，焊接压力为16 kN，预压时间为400 ms。该最优水平组合与表2 中序号1～3 最大顶出力水平组合（A1B3C3D3）相吻合，其试验结果(指标列)顶出力38.64 kN（试验力—变形）是9 个试件中最大的顶出力，大于目标值16 kN（针对电池盒安装螺母，其顶出力一般要达到16 kN 以上）。

用上述最优水平参数焊接5 个凸焊螺母，平均顶出力为33.55 kN，满足产品设计要求（表4）。

表4 验证结果表 kN

4 结束语

通过凸焊螺母顶出破坏试验，选出了M12 环凸焊螺母与2.5 mm 厚板螺母盒的最佳焊接参数：电容储能焊机焊接电压650 V、回火电压650 V、焊接压力16 kN。该参数下获得的凸焊接头平均顶出力为33.55kN，为顶出力目标值16 kN 的2.1 倍，并且不会发生螺母虚焊脱落缺陷，取消了螺母补焊工序。

电容储能焊机放电时间不可控，瞬间释放大电流，电流冲击大，凸焊时不可避免地会产生焊接飞溅。本次试验发现，储能焊机低焊接电压焊接时虽然无飞溅，但也无法获得合格焊接接头（见表2 试验号1-7～1-9 试验结果），正交试验破检显示，高焊接电压（650V 以上，有短程飞溅）配合回火电压焊接的M12 环凸焊螺母其连接强度高，并且没有焊渣堵塞螺纹。