汽车凸焊技术

汽车凸焊技术主要内容一凸焊及其优缺点二凸焊原理三凸焊强度和案例分析四安全带用焊接螺母的凸焊五汽车制造中的焊接新技术六汽车焊接技术的发展趋势3•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。一、凸焊及其优缺点4•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。5•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。6•凸焊类型：凸焊类型接头结构形式应用单点凸焊多点凸焊凸点设计成球面形、圆锥形和方形，并预先压制在薄件或厚件上最广，多点凸焊在凸焊机上进行，最多一次可焊20点；单点凸焊也可在点焊机上进行环焊在一个工件上预制出凸环或利用工件原有的型面、倒角构成的锐边，焊后形成一条环焊缝很广，密封性焊缝应在直流焊机上进行，最大φ60mm，非密封性焊缝亦可在交流机上进行；管壳、螺母、注液口等T形焊在杆形上预制出单个或多个球面形、圆锥形、弧面形及齿形等凸点，一次加压通电焊接点焊机或凸焊机上进行；螺钉、管—板等T形接头滚凸焊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置通过，电极与工件连续转动专用滚凸焊机；汽车制动蹄等线材交叉焊利用线材（包含管材）轮廓的凸起部分相互接触较广，可在凸焊机或多点焊机上进行；网片焊接等7•凸焊原理：凸焊是通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域形成的电阻所产生热熔融金属进行的熔焊联接。Heat=I2RT热量是由焊接电流和电阻形成的：钢铁的电阻值范围是60到150微欧；电阻焊接钢铁的焊接电流是7000—18000A；焊接时间范围是8到48个周波；典型焊接热量为：10000安2X0.0001欧X0.24秒(12周波)=2400J二、凸焊原理8A、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2bⅠ）•凸焊接头形成过程：9B、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2bⅡ）；随着焊接电流的继续接通，凸点被彻底压平（平2bⅢ）。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。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。10•凸焊的主要工艺参数：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。A、电极压力（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。11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、焊接电流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。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D25mm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；•电极结构：13•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。14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。•凸点设计：15•凸焊强度分析：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。结论：F2F1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。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。三、凸焊强度分析和案例分析16•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=7630NSPEC:ES-X87010中规定M10×1.25的WELDBOLT的压溃强度最小值是11090N。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）。17•板材母材撕裂例数据：18•MMC板材母材撕裂例数据：19四、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。20MMC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，Weldnut--seatbeltanchor。•MMC汽车安全带用焊接螺母：SPECES-X01000E_A对材料和硬度作了规定：螺母材料规定为SWRM8～SWRM12，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21•MMC汽车安全带用焊接螺母焊接条件：22•MMC汽车安全带用焊接螺母试验夹具和方法：23•汽车安全带用焊接螺母试验结果：24五、汽车制造中的焊接新技术激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。它是一种新型的焊接方式，激光焊接主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。•激光焊接技术：•激光焊接原理：25（1）能量密度高、适合于高速焊接；（2）焊接时间短、材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合高熔点、高硬度加工；（3）无电极、工具等的磨损消耗；（4）对环境无污染；（5）可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接；（6）很容易改变激光输出焦距及焊点位置；（7）很容易搭载到机器人装置上。（8）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。（9）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属。（10）不需真空，亦不需做X射线防护。（11）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1。（12）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。•激光焊接优点：26•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。27•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。28（3）激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。（4）离焦量。激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的