汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析

·汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析·《北京汽车》2013.No.6·3·北京汽车文章编号：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WangHailong,ZhaoJicheng,JinLikun,WangJian（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1.2mm，伸出长度为1.5mm，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；气孔中图分类号：U466文献标志码：A0引言某汽车侧围总成部件螺柱焊螺栓（公制6mm）扭矩质量检测中，使用BMT-2L-SB-0008-3（扭矩7N）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。1螺柱焊问题分析1.1螺柱焊接技术及质量分析螺柱焊（studwelding）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100ms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1缺陷问题分类展示缺陷类型图片数量脱落原因虚焊6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。偏焊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。力矩N增大，焊核小、偏焊掉钉F·汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析·《北京汽车》2013.No.6·4·北京汽车表2螺柱焊接虚焊和偏焊问题来源列表设备问题工件设计及缺陷焊枪问题[2]工装问题操作手法电流设置焊接面不平整或弧面提升距离设置夹紧工装松动工人急于操作，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面不垂直焊枪未点检到位，磨损未及时修理。电压设置焊接材料与涂层成分焊枪角度调节焊枪导向焊渣杂物，焊枪不能到底工装未点检，焊接不到位设备或接地电缆损坏，电流不足工程变更设备变更导向夹套疲劳磨损工装导向与焊枪晃动量过大工人操作时未垂直，灯未亮就焊接。虚焊控制电缆损坏，焊接程序未到位工件变形缺陷铁芯线圈锁紧螺栓松脱接地工装设计不合理，磁偏吹磁偏吹[2]设计问题材料问题焊枪问题设备问题工装不合理，电磁环境分布不均焊接面不平整或弧面材料表面不干净焊枪调试不到位，与工装不同心。设备相互干扰，电磁屏蔽不好。零件设计问题，表面不平整焊枪与工装不同心材料不均匀，导电不佳导向套磨损偏心与防溅罩不同心接地电缆安排不合理或接地电缆损坏偏焊焊核小电弧过长工装与工件不垂直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700A，焊接时间40ms；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0.6～0.7mm，而螺栓直径是6mm，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。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2.5mm，提升距离为3mm。根据参考文献[3]，短周期螺柱焊提升距离和伸出长度在1.2～1.6mm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1.5mm，提升距离调整为1.2mm，调整后试验焊接，并进行拉脱力试验分析。表3电流电压测量仪前10个数据测量表测量序数12345678910电流/A689705698715720708710679710704焊接时间/ms40404040404040404040·汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析·《北京汽车》2013.No.6·5·北京汽车表4调整前、后焊枪参数状态变化焊枪状态伸出长度提升距离导向夹套数量与比例调整前2.5mm3mm生产98件脱落10件脱落比例10%调整后1.5mm1.2mm生产98件脱落0件脱落比例0%3试验分析确认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6mm螺栓标准值2500N，3000N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1500～2000N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3000N，焊核饱满。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）焊接螺栓试片（调整后状态）序号拉脱力/N拉开后表面状态序号拉脱力/N拉开后表面状态11531焊核小、偏，有击穿现象13073焊核饱满21673焊核小23774焊核饱满32423有飞溅33672焊核饱满41560焊核小、偏，有击穿现象43542焊核饱满续表焊接螺栓试片（调整前状态）焊接螺栓试片（调整后状态）序号拉脱力/N拉开后表面状态序号拉脱力/N拉开后表面状态50脱焊、气孔53645焊核饱满62700焊核饱满62679焊核饱满72159焊核饱满73425焊核饱满80脱焊、气孔83590焊核饱满93028焊核饱满93621焊核饱满102319焊核不饱满103025焊核饱满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63种不同拉脱力的焊核状态序号拉脱力/N焊核直径/mm拉脱力报告评价标准137746焊核饱满221593.5焊核不饱满315315×1.5焊核小，不规则·汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析·《北京汽车》2013.No.6·6·北京汽车为调整后，最大拉脱力为3774N，焊核直径大于6mm，3号试样为调整前，最大拉脱力为1531N，焊核椭圆形（5mm×1.5mm），2号是2159N，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3000N以上，焊接质量明显提升。图1调整前、后拉脱力对比图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5.5mm。根据参考文献[2-4]，6mm螺栓提升高度应为1.2～1.6mm、伸出长度应为1.2～1.5mm，所以电磁铁间距为2.4～3mm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。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5.5mm，其中提升距离为3mm，伸出长度为2.5mm。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2.7mm，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，自由下落运动速度公式为V1=gt，21g2St=；g为重力加速度，t为时间。12SVG=（1）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F=ma，a=dv/dtddddvsast=()FKSL=+其中a是弹簧瞬时加速度，m是整个下落系统的质量。mvdv=K(L+S）ds用可分离变量常微分方程解得d()dmvvkLss=+∫∫22()KLSVCm+=+（2）V=0，S=0，调整前，KCLm=−，2122()gSKLxVVVCm+=+=++（3）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3mm26(3)=gKLKLVmm++−前（4）调整后，S=0，因为预压量增加2.8mm，所以L后=L+2.822.4(2.81.2)(2.8)=gKLKLVmm++++−后（5）计算可得，91.8=010gKVVm−+后前，调·汽车短周期螺柱焊接质量控制实例分析·《北京汽车》2013.No.6·7·北京汽车整前下落速度大、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。图2螺柱焊电弧静特性曲线图3电弧长度对电压的影响当弧长L为0～6mm时，弧压Ua=17+2.2L。调整前La‘=3mm，Ua‘=23.6V，考虑电缆压降2～4V，Ua‘=25.6～27.6V，调整后La‘=1.2mm，Ua‘=19.64V，考虑电缆压降2～4V，U=21.6～23.6V。计算结果与文献[3]所列螺柱焊通用参数吻合。调整前，电弧长度长，电压高，相同电流下，电弧半径增大，能量密度减小，熔池面积增大，熔池深度变浅，电弧变长，电弧区体积增大，气体量增加，高温时气体溶解于熔池金属中，如氮气（N2）；凝固时，气体溶解度下降且来不及逸出，导致焊缝区气体残留，表1中虚焊表面密布蜂窝状气孔，N2孔常见；凝固速度是影响气体逸出的重要参数，速度慢逸出容易，速度快逸出困难，调整前，熔池深度浅，过冷梯度大，凝固速度快，不利于气体逸出，气体残留多；同时冷却速度快，金属表面张力大，润湿性变差，不易铺展，熔合性能极度恶化，因此减少电弧长度，电弧区气体含量少，溶解气体量少，凝固速度相对变慢，气体易于逸出，相对焊缝中气孔所占比例少，且润湿性相对充足，熔合性变好。4.2导向夹套磨损影响夹套疲劳变形后，螺栓位置窜动，可停留在1、2、3、4、5任何位置，见图4。螺栓的合理位置处于2，夹套疲劳后，引起电弧长度变化，结合图5和参考文献[2-4]，处于位置1时，因为提升距离和伸出长度有负相关性，造成tp和tw段电弧长，气体体积增大，易于生成气孔；电弧长受电磁影响造成偏弧，见表1。td阶段，顶锻下压力度