汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析

F
合力，开焊。
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。 ·3·
《北京汽车》 2013.No.6
·汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析· 表 2 螺柱焊接虚焊和偏焊问题来源列表
设备问题 电流设置 工件设计及缺陷 焊接面不平整或弧面 焊枪问题[2] 提升距离设置 工装问题 夹紧工装松动 操作手法 工人急于操作， 在焊接顶锻未 完成时，脱离焊接位置 时间设置 螺钉与工件厚度比 伸出长度设置 工装焊枪导向与工件平 焊枪未点检到位， 磨损未及时 面不垂直 虚焊 电压设置 焊接材料与涂层成分 焊枪角度调节 修理。
百度文库材料问题 材料表面不干净
焊枪问题
设备问题
工装不合理， 电磁 焊接面不平整或弧面 偏焊 焊核小 环境分布不均 零件设计问题， 表 焊枪与工装不同心 面不平整 电弧过长 工装与工件不垂直
焊枪调试不到位，与工装 设备相互干扰，电磁屏蔽不 不同心。 好。
材料不均匀，导电不佳
导向套磨损偏心与防溅 接地电缆安排不合理或接地 罩不同心 电缆损坏
焊枪导向焊渣杂物，焊枪 工装未点检，焊接不到位 不能到底
设备或接地电缆 工程变更 损坏，电流不足 设备变更
导向夹套疲劳磨损
工装导向与焊枪晃动量 工人操作时未垂直， 灯未亮就 过大 焊接。
控制电缆损坏， 焊 工件变形缺陷 接程序未到位 磁偏吹[2] 设计问题
铁芯线圈锁紧螺栓松脱
接地工装设计不合理，磁 偏吹
中图分类号：U466 文献标志码：A
北
表 1 缺陷问题分类展示
0 引
言
京
脱落原因
缺陷 类型 虚焊
图片
数量 6
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。
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
∫ mvdv = ∫ k ( L + s)ds
V2 = K ( L + S )2 +C m
K L， m
（3） （2）
V=0，S=0，调整前， C = −
V = V1 + V2 =
2S K ( L + x)2 + +C g m
表 5 调整前后试样拉脱力和表面状态
焊接螺栓试片（调整前状态） 序 号 1 拉脱 力/N 1 531 焊核小、偏，有 击穿现象 2 3 4 1 673 2 423 1 560 焊核小 有飞溅 焊核小、偏，有 击穿现象 2 3 4 3 774 3 672 3 542 焊核饱满 焊核饱满 焊核饱满 拉开后表面状态 焊接螺栓试片（调整后状态） 序 号 1 拉脱 力/N 3 073 拉开后表面状 态 焊核饱满
计算可得， V前 − V后 =
9 1.8 K + > 0 ，调 10g m
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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。
北 京 汽 车 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 MIYACHI 公司的 MM380A 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。
其中，V 为下落过程中任意时刻 t 的速度。 调整前， S=0， L 为一定值， 设下压距离为 3 mm
V前 = 6 K ( L + 3)2 KL + − g m m
（4）
调整后，S=0，因为预压量增加 2.8 mm，所以 L 后=L+2.8
V后 = 2.4 + g K ( L + 2.8 + 1.2) 2 K ( L + 2.8) − （5） m m
2S （1） G 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 V1 =
北
图 1 调整前、后拉脱力对比图
F=ma，a=dv/dt a =
dv ds ds dt
F = K ( S + L)
京 汽 车 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： F=KS 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。 ·6·
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。
关键词：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
焊枪状态 伸出长度 提升距离 导向夹套 数量与比例 生产 98 件 脱落 10 件 脱落比例 10% 调整前 2.5mm 3mm 生产 98 件 脱落 0 件 脱落比例 0% 调整后 1.5 mm 1.2mm
续表
3
试验分析确认
焊接螺栓试片（调整前状态） 序 拉脱 力/N 0 2 700 2 159 0 3 028 2 319 脱焊、气孔 焊核饱满 焊核饱满 脱焊、气孔 焊核饱满 焊核不饱满 拉开后表面状态
焊接螺栓试片（调整后状态） 序 号 5 6 7 8 9 10 拉脱 力/N 3 645 2 679 3 425 3 590 3 621 3 025 拉开后表面状 态 焊核饱满 焊核饱满 焊核饱满 焊核饱满 焊核饱满 焊核饱满
3.1 试验数据结果 为对比验证调整效果，使用万能试验机 UTM5504 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。
当弹簧具有一定压紧量 L 时， F=K(S+L） 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。 。 因此，调整前最大压紧力 Fmax 前=K(5.5+L） 调整后总的电磁间距是 2.7 mm，则 。 Fmax 后=K(2.7+L） 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， 1 2 自由下落运动速度公式为 V1=gt， S = gt ； 2 g 为重力加速度，t 为时间。
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。
汽 车
虚焊， 焊接区液态金属 含量少， 有些有大量气 孔和飞溅，且熔合不 良，扭矩检测开焊掉 落。
1
螺柱焊问题分析
偏焊
力矩 N 增大，焊核 小、偏焊掉钉
4
小区域焊接， 焊核小且 处于边缘位置， 有些有 气孔和飞溅， 在扭矩检 测中， 扭矩大于焊接结
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 3 电流电压测量仪前 10 个数据测量表
测量序数 电流/A 焊接时间/ms 1 689 40 2 705 40 3 698 40 4 715 40 5 720 40 6 708 40 7 710 40 8 679 40 9 710 40 10 704 40
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·汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析· 表 4 调整前、后焊枪参数状态变化
号 5 6 7 8 9 10
北 京 汽 车
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
表6
序 号 拉脱 力/N
3 种不同拉脱力的焊核状态
焊核直径/mm 拉脱力报告 评价 标准
1
3 774 6
焊核 饱满
焊核 2 2 159 不饱 满 3.5 焊核 3 1 531 小， 不规 则 5×1.5
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·汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析·
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。 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。
·汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析· 文章编号： 1002-4581（2013）06-0003-06
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） 摘 要：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