汽车凸焊技术

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• 凸焊类型：
凸焊类型 接头结构形式 应用
最广，多点凸焊在凸焊机上进 单点凸焊 凸点设计成球面形、圆锥形和方形，并预 行，最多一次可焊20点；单点 多点凸焊 先压制在薄件或厚件上 凸焊也可在点焊机上进行 很广，密封性焊缝应在直流焊 在一个工件上预制出凸环或利用工件原有 机上进行，最大φ60mm，非密 的型面、倒角构成的锐边，焊后形成一条 封性焊缝亦可在交流机上进行； 环焊缝 管壳、螺母、注液口等 在杆形上预制出单个或多个球面形、圆锥 点焊机或凸焊机上进行；螺钉、 形、弧面形及齿形等凸点，一次加压通电 管—板等T形接头 焊接 在面板上预先制出多个圆凸点或长凸点， 滚轮电极压紧工件，电流仅在有凸点的位 专用滚凸焊机；汽车制动蹄等 置通过，电极与工件连续转动
SPEC ES-X01000E_A对材料和硬度作了规定：螺母材料规定为SWRM 8 ～ SWRM 12，硬度最大为HB229。还对表面处理、表面状况、螺纹精 度、形状位置公差、焊接剥离强度和图纸标注做了规定。
焊接剥离强度值
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• MMC汽车安全带用焊接螺母焊接条件：
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• MMC汽车安全带用焊接螺母试验夹具和方法：
汽车凸焊技术
主要内容
一
二 三 四 五 六
凸焊及其优缺点 凸焊原理 凸焊强度和案例分析 安全带用焊接螺母的凸焊
汽车制造中的焊接新技术
汽车焊接技术的发展趋势
一、凸焊及其优缺点
• 凸焊的定义：
凸焊是点焊的一种特殊形式，其在一工件的贴合面上预先加工出一 个或多个突起点，使其与另一工件表面接触并通电加热，然后压塌，达 到在凸点处焊合的一种电阻焊方法。14三、凸焊强度分析和案例分析
• 凸焊强度分析：
焊接强度的变化取决于焊接凸点的形状、相配 材料厚度和焊接参数等因素。 焊接部位撕裂的理论负荷： F1=(d/2)2×π×σ×n 凸点处板材母材撕裂的理论负荷： F2=d×π×t×τ×n 式中：d为凸点直径；π为圆周率；σ为焊接部 的拉伸强度（σ ＝294N/mm2）；n为一个螺栓上 的焊点数；t为板材厚度； τ为板材抗剪强度， 一般取材料抗拉强度的0.6～0.8。 结论： F2>F1 压溃强度试验时板材才不会从母材中撕裂。也就是 说钢板薄到一定程度必然先撕裂板材母材。
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• 案例分析：
件MN136137由板厚1.0的MN136138和4个BOLT,WELD (M10X20)构 成（右图），板的抗拉强度为270MPa（ N/mm2 ）。取抗拉强度的0.75倍 为板材抗剪强度。螺栓头上的3个凸焊柱直径为Φ4。如果焊接状态理想， 螺栓压溃剥落后的结果会如右下图所示， 拉断母材所需的最小力是： F2=d×π×t×τ×n =4×3.14×1×270×0.75×3 =7630 N SPEC:ES-X87010中规定M10×1.25的WELD BOLT 的压溃强度最小值是11090 N。 比较得出母材破断力小于SPEC规定的压溃 值。试验无法按SPEC规定完成。如此情况MMC 也有先例（详见后面附件）。
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• 板材母材撕裂例数据：
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• MMC板材母材撕裂例数据：
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四、安全带用焊接螺母的凸焊
• 中国汽车安全带用焊接螺母概况：
中国汽车安全带用焊接螺母标准有QC/T712-2004。规定了焊接螺母 的型式和尺寸、螺纹尺寸和技术要求。
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• MMC汽车安全带用焊接螺母：
MMC汽车安全带用焊接螺母图号为MU001669，件号为MB077464，焊接 SPEC为ES-X01000E_A ， Weld nut--seat belt anchor 。
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• 凸焊优点：
1）凸焊与点焊一样是热-机械（力）联合作用的焊接过程。相比较而 言，其机械（力）的作用和影响要大于点焊，如对加压机构的随动性 要求、对接头形成过程的影响等。 2）在同一个焊接循环内，可高质量的焊接多个焊点，而焊点的布置亦 不必像点焊那样受到点距的严格限制。 3）由于电流在凸点处密集，可用较小的电流焊接而获得可靠的熔核和 较浅的压痕，尤其适合镀层板焊接的要求。
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• 激光焊接缺点： （1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。
（2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击 的焊点对准。 （3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适 合使用激光焊接。 （4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所 改变。 （5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔 池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。 （6）能量转换效率太低，通常低于10%。 （7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。 （8）设备昂贵。
A、电极压力
凸焊的电极压力取决于被焊金属的性能，凸点的尺寸和一次焊成 的凸点数量等。电极压力应足以在凸点达到焊接温度时将其完全压馈 ，并使两工件紧密贴合。电极压力过大会过早地压馈凸点，失去凸焊 的作用，同时因电流密度减小而降低接头强度。压力过小又会引起严 重飞溅。
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B、焊接时间
对于给定的工件材料和厚度，焊接时间由焊接电流和凸点刚度决 定。在凸焊低碳钢和低合金钢时，与电极压力和焊接电流相比，焊接 时间时次要的。在确定合适的电极压力和焊接电流后，在调节焊接时 间，以获得满意的焊点。如想缩短焊接时间，就要相应增大焊接电流 ，但过分增大焊接电流可能引起金属过热和飞溅，通常凸焊的焊接时 间比点焊长，而电流比点焊小。
C、冷却结晶阶段
切断焊接电流，熔核在压力作用下开始冷却结晶，其过程与点焊 熔核的结晶过程基本相同。
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• 凸焊的主要工艺参数：
（1）几乎有无数种焊接参数的结合方式来达到好的焊点； （2）电极压力、焊接时间、焊接电流、电极材料、电极端面直径、 冷却能力、焊件材料本身、焊件材料表面状况等相互作用，影响 着焊接焊点质量。
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• 凸焊接头形成过程：
A、预压阶段
在电极压力作用下凸点产生变形，压力达到预定值后，凸点高度 均下降1/2以上（S1）。因此，凸点与下板贴合面增大，不仅使焊接区 的导电通路面积稳定，同时也更好的破坏了贴合面上的氧化膜，造成 比点焊时更为良好的物理接触（图2b Ⅰ）
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B、通电加热阶段
该阶段由两个过程组成：其一为凸点压溃过程；其二为成核过程。 通电后，电流将集中流过凸点贴合面，当采用预热（或缓升）电流 和直流焊接时，凸点的压溃较为缓慢，且在此程序时间内凸点并未完 全压平（图2b Ⅱ）；随着焊接电流的继续接通，凸点被彻底压平（平 2b Ⅲ）。此时如采用的是工频等幅交流焊机或加压机构随动性较差时 ，将引起焊点的初期喷溅。凸点压溃、两板贴合后形成较大的加热区 ，随着加热的进行，由个别接触点的熔化逐步扩大，形成足够尺寸的 熔化核心和塑性区（图2Ⅳ~Ⅶ）。同时，因焊接区金属体积膨胀，将 电极向上推移S4并使电极压力曲线升高。
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• 凸焊缺点：
1）需预制凸点、凸环等，增加了凸焊成本，有时还会受到焊件结构的 制约。 2）有时为了预制一个或多个凸点而需要额外工序； 3）在用同一个电极同时焊数个焊点时，工件的对准和凸点的尺寸（尤 其是高度）必须保持高精度公差，以保证均匀的电极力和焊接电流， 才能使各焊点质量均匀一致； 4）同时焊接多个焊点，需要使用高电极压力、高机械精度的大功率焊 机，其加压机构应有较高的随动性。
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• 激光焊接工艺参数： （1）功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的
功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因 此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低 功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到 熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在 范围在104~106W/CM2 。 （2）激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其 对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有 60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激 光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。
• 凸焊接头设计：
凸焊搭接接头的设计与点焊相似。通常凸焊接头的搭接量比点焊的小。 凸点间的间距没有严格限制。 当一个工件的表面质量要求较高时，凸点应冲在另一工件上。在工件 凸焊螺母、螺栓等紧固件时，凸点的数量必须足以承受设计载荷。
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• 凸点设计：
凸点的作用是将电流和压力局限在工件的特定位置上，其形状和尺寸 取决于应用的场合和需要焊点强度。不同资料所推荐的焊点尺寸往往相差 甚远。一般情况下建议采用下表规定的凸点尺寸。与冲有凸点的板厚相比， 当平板较薄时采用小凸点，较厚时采用大凸点。 凸点形状有圆球型和圆锥型两种。后一种可以提高凸点刚度，在电极 压力较高时不致于过早压溃；也可以减少因电流密度过大而产生飞溅。但 通常多采用圆球型凸点。为了防止挤出金属残留在凸点周围而形成板间间 隙，有时也采用带环形溢出槽的凸点。多点凸焊时，凸点高度不一致将引 起各点电流的不平衡，使接头强度不稳定。因此凸点高度误差应不超过 ±0.12mm。如采用预热电流，则误差可以增大。 凸点也可以做成长形的（近似椭圆形），以增加熔核尺寸，提高焊点 强度，此时凸点与平板将为线接触。 凸焊时，除利用上述几种形式的凸点形成接头外，根据凸焊工件种类不同 还有多种接头形式。 用于凸焊的螺栓和螺帽上的凸点和凸环多是在零件锻压时一次成形。
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• 电极结构：
电极形状一般要求： • 维护方便，便于安装及拆卸； • 不生成热量； 常用电极如右图所示，电极的 公称直径D根据标准规定其系列为 10、13、16、20、25、32、40，对 于这些直径D的电极，其最大电极 力应符合右表要求的，且当 D≤25mm时，电极尾部锥度为1： 10；当D>25mm时，锥度为1:5。 特殊电极： 用于特殊情况下； 通常热容量较差； 十分昂贵； 维护很困难；
C、焊接电流
对于给定的工件材料和厚度，焊接时间由焊接电流和凸点刚度决 定。在凸焊低碳钢和低合金钢时，与电极压力和焊接电流相比，焊接 时间时次要的。在确定合适的电极压力和焊接电流后，在调节焊接时 间，以获得满意的焊点。如想缩短焊接时间，就要相应增大焊接电流 ，但过分增大焊接电流可能引起金属过热和飞溅，通常凸焊的焊接时 间比点焊长，而电流比点焊小。