一起汽車短周期螺柱焊接質(zhì)量事故分析

王海龍　趙繼成　靳立昆　王建　鄭君友

摘 要：分析汽車螺柱焊脫焊案例原因，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)有氣孔、飛濺，熔合不良。觀察確認(rèn)為焊槍導(dǎo)向夾套磨損和提升距離、伸出長度不合理影響焊接參數(shù)穩(wěn)定性，進(jìn)而影響焊接區(qū)熔化、成型、凝固過程導(dǎo)致脫焊。更換導(dǎo)向夾套，合理調(diào)整上述參數(shù)，調(diào)整提升距離為1.2 mm，伸出長度為1.5 mm，調(diào)整后未發(fā)現(xiàn)脫焊，拉脫力對比試驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對引起脫焊電弧行為作用過程進(jìn)行了分析，確認(rèn)脫焊發(fā)生的直接原因。

關(guān)鍵詞：汽車螺柱焊；虛焊；偏焊；導(dǎo)向夾套；磨損；提升距離；伸出長度；氣孔

中圖分類號： TG444+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1005-2550（2014）02-0048-06

某公司是專業(yè)生產(chǎn)汽車裝焊部件的企業(yè)，主要產(chǎn)品包括汽車白車身所需的側(cè)圍、前地板等白車身內(nèi)部件。某日，現(xiàn)場質(zhì)量檢查員發(fā)現(xiàn)，汽車側(cè)圍總成部件螺柱焊螺栓（公制6 mm）扭矩質(zhì)量檢測中，使用BMT-2L-SB-0008-3（扭矩7 N）電動扭矩扳手檢測時，焊接螺栓從鈑金件上開焊脫落。焊接工程師根據(jù)問題情況，分析問題原因并尋找解決方案。

1 螺柱焊問題分析

螺柱焊（stud welding）是將螺柱一端與板件（或管件）表面接觸，通電引弧加壓使兩者連接，汽車工業(yè)中最常用的是短周期螺柱焊 [1] 。

生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)焊接缺陷情況如表1所示，可見發(fā)生問題主要是虛焊（6個）和偏焊、焊核?。?個）。

2 缺陷原因分析及改進(jìn)措施

2.1 設(shè)備、材料、設(shè)計(jì)、工裝分析

焊接設(shè)備為NELSON的N3短周期螺柱焊機(jī)，具有自適應(yīng)功能。設(shè)定參數(shù)焊接電流700 A，焊接時間40 ms；使用MIYACHI公司的MM380A焊接監(jiān)測儀測量焊接電流和時間，連續(xù)測量20份試樣及98輛份部件，電流和時間參數(shù)穩(wěn)定未現(xiàn)異常，工藝參數(shù)合理。表2為前10個試樣的檢測電流和檢測焊接時間數(shù)值，數(shù)據(jù)值穩(wěn)定，可排除設(shè)備問題。

表2 電流電壓測量儀前十個數(shù)據(jù)測量表

未發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和和材料缺陷問題[2]，焊接面平整，未發(fā)現(xiàn)弧面、坑包、油污?，F(xiàn)場檢查工裝夾緊，未發(fā)現(xiàn)問題。加工人手法穩(wěn)定。接地線布置合理。

2.2 焊槍問題

觀察焊槍問題較多，分析如表3，焊槍的伸出長度（預(yù)壓量）和提升距離不合理，鋼板尺測量，伸出長度2.5 mm，提升距離3 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，短周期螺柱焊提升距離和伸出長度在1.2 mm-1.6 mm為合理，可以獲得優(yōu)良焊接質(zhì)量。

表3中，調(diào)整前焊槍導(dǎo)向夾套疲勞磨損嚴(yán)重，整體變形，螺栓在導(dǎo)向夾套內(nèi)定位不穩(wěn)定，同時導(dǎo)向夾套在焊槍內(nèi)晃動量也較大。

2.3 措施和對策

綜合上述，采取措施為：更換并緊固導(dǎo)向夾套，調(diào)節(jié)焊槍背部調(diào)節(jié)旋鈕和防濺罩位置，調(diào)整伸出長度和提升距離，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，伸出長度調(diào)整為1.5 mm，提升距離調(diào)整為1.2 mm，調(diào)整后試驗(yàn)焊接，并進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)分析。

3 試驗(yàn)分析確認(rèn)

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

為對比驗(yàn)證調(diào)整效果，在萬能試驗(yàn)機(jī)UTM5504進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)；試片與工件材質(zhì)相同，共20件，查MBN10346標(biāo)準(zhǔn)，公制6 mm螺栓標(biāo)準(zhǔn)值要求>2 500 N，3 000N 以上為優(yōu)良焊接；更換導(dǎo)向夾套和調(diào)整提升距離前后，各做一組試驗(yàn)，每組10件，其他參數(shù)和加工人不變。

試片焊接后，先測量扭矩，調(diào)整前試樣扭矩檢測中2個脫落，表面虛焊，設(shè)定其拉脫力值為0；調(diào)整后無試樣脫落，無虛焊發(fā)生。

當(dāng)天生產(chǎn)脫落比例為10%，有3件為同一包裝內(nèi)連續(xù)脫落，與試驗(yàn)狀態(tài)脫焊比例接近。確認(rèn)調(diào)整前狀態(tài)不穩(wěn)定。

試驗(yàn)結(jié)果如下表4，調(diào)整前，3個試樣在1 500 N-2 000 N區(qū)間，6個試樣不合格，焊核小、偏，質(zhì)量不穩(wěn)定；調(diào)整后，全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，9個超過3 000 N，焊核飽滿。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表5為試樣焊核直徑與拉脫力報(bào)告，1號試樣為調(diào)整后，最大拉脫力為3 774 N，焊核直徑大于6 mm， 3號試樣為調(diào)整前，最大拉脫力為1 531 N，焊核橢圓形（5 mm*1.5 mm），2號是2 159 N，為調(diào)整前試樣；觀察1-3號試樣，焊核直徑和拉脫力數(shù)值正相關(guān)，焊核直徑大，拉脫力值大。

圖1 調(diào)整前后拉脫力對比圖

4 焊接螺栓脫落原因分析

試驗(yàn)確認(rèn)焊槍導(dǎo)向夾套疲勞磨損、設(shè)定伸出長度（預(yù)壓量）和提升距離不合理間接影響電弧熔化、熔池成型凝固，焊縫成形過程導(dǎo)致質(zhì)量缺陷進(jìn)而脫焊。

4.1 焊槍提升距離和螺栓伸出長度影響

4.1.1 提升距離對下落沖擊速度的影響

結(jié)合圖2，螺柱焊槍提升距離調(diào)整原理[4][8]：調(diào)節(jié)彈簧壓緊量來調(diào)整電磁鐵間距，通過防濺套位置調(diào)節(jié)提升距離和伸出長度分配，伸出長度+提升高度=電磁鐵間距；據(jù)表3調(diào)整前電磁鐵距離5.5 mm。參考文獻(xiàn)[2-4]，6 mm螺栓提升高度1.2 mm-1.6 mm、伸出長度1.2 mm-1.5 mm合適，電磁鐵間距2.4 mm-3 mm合適。

焊接區(qū)力學(xué)特征考慮，有重力、彈簧壓力、電磁力、熔滴表面張力，下落過程主導(dǎo)作用為重力和彈簧壓力。對整個下壓系統(tǒng)建模，將內(nèi)部總彈簧力綜合考慮（簡化模型）：

（1）

式中：F是彈簧力；K為彈簧系數(shù)；S是下落高度，約等于提升高度。

在彈簧有一定壓緊量L前提下：

（2）

調(diào)整前總的電磁鐵間距是5.5 mm，其分配為提升距離3 mm，而伸出長度為2.5 mm。

因此調(diào)整前最大壓緊力是：

（3）

調(diào)整后總的電磁間距是2.7 mm：

（4）endprint

當(dāng)螺栓下落沖擊熔池時，下落的沖擊速度是由自由落體運(yùn)動速度V1和彈簧運(yùn)動速度V2疊加，自由下落運(yùn)動速度公式是：V1=gt，S= gt2，其中，g是重力加速度，t是時間。

（5）

而彈簧下落分速度V2，通過積分公式和常微分方程計(jì)算：

（6）

（7）

（8）

（9）

式中：a是彈簧瞬時加速度；m是整個下落系統(tǒng)質(zhì)量。

（10）

用可分離變量常微分方程解得：

（11）

（12）

V=0，S=0，調(diào)整前：

（13）

（14）

式中：V為下落過程中任意時間t的速度。

調(diào)整前，S=0，L為一定值，設(shè)定下壓距離為3 mm：

（15）

調(diào)整后，S=0，因?yàn)轭A(yù)壓量增加2.8 mm，所以L后=L+2.8：

（16）

計(jì)算可見，V前-V后= >0，調(diào)整前下落速度大，沖力大導(dǎo)致金屬飛濺增加，如表1圖示。熔池液態(tài)金屬不足，同時溫度下降，液態(tài)金屬表面張力增大，熔合性變差；沖擊速度大可能造成回彈，撕扯焊縫，成型變差，以上兩者造成焊接質(zhì)量不良。

4.1.2 提升距離對電弧行為的影響

參考圖3和圖4電弧靜特性曲線，了解短周期螺柱焊過程電流不變的特點(diǎn)[5-6]， a長度大于a長度，a電壓大于a電壓，因而提升距離變大，弧長增大，電壓變大，有文獻(xiàn)[7]給出計(jì)算公式。

當(dāng)弧長L為0-6 mm時，弧壓Ua=17+2.2 L，據(jù)此計(jì)算，調(diào)整前 La=3mm，Ua=23.6 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=25.6-27.6 V，，調(diào)整后 La=1.2 mm，Ua=19.64 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=21.6-23.6 V，與文獻(xiàn)[3]所列螺柱焊通用參數(shù)吻合。調(diào)整前，電弧長度長，電壓高，相同電流下，電弧半徑增大，能量密度減小，熔池面積增大，熔池深度變淺，電弧變長，電弧區(qū)體積增大，氣體量增加，高溫時氣體溶解于熔池金屬中（如氮?dú)猓荒虝r，氣體溶解度下降來不及逸出，導(dǎo)致焊縫區(qū)氣體殘留，表1見虛焊表面密布蜂窩狀氣孔，氮?dú)饪壮Ｒ?；凝固速度是影響氣體逸出的重要參數(shù)，速度慢氣體逸出容易，速度快逸出困難，調(diào)整前，熔池熔深淺，過冷梯度大，凝固速度快，不利于氣體逸出，氣體殘留多；同時冷卻速度快，金屬表面張力大，潤濕性變差，不易鋪展，熔合性能極度惡化，因此減少電弧長度，電弧區(qū)氣體含量少，溶解氣體量少，凝固速度相對變慢，氣體易于逸出，相對焊縫中氣孔所占比例少，且潤濕性相對足夠，熔合性變好。

圖2 電磁式螺柱焊槍結(jié)構(gòu)原理[8]

圖3 螺柱焊電弧靜特性曲線

圖4 電弧長度對電壓的影響

IW-焊接電流；UA-電弧電壓；△S-螺柱位移；tp-先導(dǎo)電流；tw-焊接電流時間；td-螺柱下落（落釘）時間（stud dropout），大約50 ms tg-焊槍提升延長時間，大約50 ms； tm-螺柱埋入時間（plunge time）大約10 ms；ts-短路電流時間，大約50 ms。

圖5 短周期螺柱焊接過程參數(shù)變化曲線[4]

4.2 導(dǎo)向夾套磨損影響

結(jié)合圖6，夾套疲勞變形后，螺栓位置竄動。可在1、2、3、4、5任何位置。螺栓合理位置處于2，夾套疲勞后，引起電弧長度變化，結(jié)合圖5和文獻(xiàn)[2-4]，處于1時，已知提升距離和伸出長度有負(fù)相關(guān)性，造成tp和tw段電弧長，氣體體積增大，易于生成氣孔；電弧長受電磁影響造成偏弧，見表1。td階段，頂鍛下壓力度、速度和高度不夠，螺栓與工件接觸不充分，熔合不良加氣孔，造成虛焊[9]。

處于3時，提升距離變小，tw段焊接電壓低，熱輸入量小，熔化量不足；td頂鍛階段，下壓速度和高度大，沖擊熔池，飛濺量大，熔池溫度低，表面張力大，焊縫熔合不良；

處于4時，螺柱偏心，tp和tw引弧-燃弧段，基于電弧挺直特性，導(dǎo)致電弧偏心、產(chǎn)熱不均，td頂鍛階段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情況下，斜向沖入熔池中，局部未熔合，產(chǎn)生偏焊、小焊核，見表1；

處于5時，晃動量大，螺柱不穩(wěn)定，焊接全程電弧不穩(wěn)定，產(chǎn)熱不均勻，熔池不穩(wěn)定，形狀和熔化量不均，熔合不良，焊縫成型差。焊接質(zhì)量差；

當(dāng)1與4或5共同發(fā)生，或者3與4或5共同發(fā)生，焊接質(zhì)量不良[10]。

5 結(jié)論

分析螺柱焊脫焊原因，間接為焊槍提升距離過長，導(dǎo)向夾套疲勞變形，焊接質(zhì)量下降。更換導(dǎo)向夾套，調(diào)整提升距離為1.2 mm，拉脫力試驗(yàn)確認(rèn)調(diào)整效果，證明焊接質(zhì)量提升，未再發(fā)現(xiàn)脫焊，產(chǎn)品扭矩檢測全部合格。

深入分析質(zhì)量下降原因，為焊接過程中電弧參數(shù)變化，焊接熔化-熔池成型-焊縫成型階段不穩(wěn)定，引起焊縫氣孔、熔合不良、電弧偏離等，造成虛焊和偏焊。

參考文獻(xiàn)：

[1]池強(qiáng)，張建勛，付繼飛，張友權(quán).拉弧式電弧螺柱焊質(zhì)量影響因素[J].電焊機(jī)，2005，，35（4）：6-9.

[2]王大明，褚衛(wèi)東，朱麟.汽車螺柱焊質(zhì)量的影響因素分析[J].汽車與配件，2011，（46）：26-28.

[3]亢書生，王偉.電弧螺柱焊及其在轎車生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2000， 30（5）：30-32.

[4]張義.汽車制造用螺柱焊機(jī)的選擇與應(yīng)用（三）[J].電焊機(jī)，2001，（9）：13-16，26.

[5]齊紹榮，葉振忠，王蕓.影響電弧螺柱焊焊接質(zhì)量的幾個問題[J].焊接技術(shù)，2002，31（5）：27-28.

[6]安藤弘平，長谷川光熊.焊接電弧現(xiàn)象[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[7]龔勝峰.螺柱焊接技術(shù)及工藝[J].電焊機(jī)，2006，（36）：1，11-15.

[8]梅從富，張德庫，王學(xué)敏，王克鴻.大功率自動螺柱焊槍的研制[J].機(jī)械制造與研究，2009，38（6）：43-46.

[9]朱麟.螺柱焊虛焊分析和解決措施[J].汽車與配件.2012，（5）：33-34

[10]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在車身焊接中的質(zhì)量控制[J].上海汽車，2008，（10）：36-38.endprint

當(dāng)螺栓下落沖擊熔池時，下落的沖擊速度是由自由落體運(yùn)動速度V1和彈簧運(yùn)動速度V2疊加，自由下落運(yùn)動速度公式是：V1=gt，S= gt2，其中，g是重力加速度，t是時間。

（5）

而彈簧下落分速度V2，通過積分公式和常微分方程計(jì)算：

（6）

（7）

（8）

（9）

式中：a是彈簧瞬時加速度；m是整個下落系統(tǒng)質(zhì)量。

（10）

用可分離變量常微分方程解得：

（11）

（12）

V=0，S=0，調(diào)整前：

（13）

（14）

式中：V為下落過程中任意時間t的速度。

調(diào)整前，S=0，L為一定值，設(shè)定下壓距離為3 mm：

（15）

調(diào)整后，S=0，因?yàn)轭A(yù)壓量增加2.8 mm，所以L后=L+2.8：

（16）

計(jì)算可見，V前-V后= >0，調(diào)整前下落速度大，沖力大導(dǎo)致金屬飛濺增加，如表1圖示。熔池液態(tài)金屬不足，同時溫度下降，液態(tài)金屬表面張力增大，熔合性變差；沖擊速度大可能造成回彈，撕扯焊縫，成型變差，以上兩者造成焊接質(zhì)量不良。

4.1.2 提升距離對電弧行為的影響

參考圖3和圖4電弧靜特性曲線，了解短周期螺柱焊過程電流不變的特點(diǎn)[5-6]， a長度大于a長度，a電壓大于a電壓，因而提升距離變大，弧長增大，電壓變大，有文獻(xiàn)[7]給出計(jì)算公式。

當(dāng)弧長L為0-6 mm時，弧壓Ua=17+2.2 L，據(jù)此計(jì)算，調(diào)整前 La=3mm，Ua=23.6 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=25.6-27.6 V，，調(diào)整后 La=1.2 mm，Ua=19.64 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=21.6-23.6 V，與文獻(xiàn)[3]所列螺柱焊通用參數(shù)吻合。調(diào)整前，電弧長度長，電壓高，相同電流下，電弧半徑增大，能量密度減小，熔池面積增大，熔池深度變淺，電弧變長，電弧區(qū)體積增大，氣體量增加，高溫時氣體溶解于熔池金屬中（如氮?dú)猓荒虝r，氣體溶解度下降來不及逸出，導(dǎo)致焊縫區(qū)氣體殘留，表1見虛焊表面密布蜂窩狀氣孔，氮?dú)饪壮Ｒ?；凝固速度是影響氣體逸出的重要參數(shù)，速度慢氣體逸出容易，速度快逸出困難，調(diào)整前，熔池熔深淺，過冷梯度大，凝固速度快，不利于氣體逸出，氣體殘留多；同時冷卻速度快，金屬表面張力大，潤濕性變差，不易鋪展，熔合性能極度惡化，因此減少電弧長度，電弧區(qū)氣體含量少，溶解氣體量少，凝固速度相對變慢，氣體易于逸出，相對焊縫中氣孔所占比例少，且潤濕性相對足夠，熔合性變好。

圖2 電磁式螺柱焊槍結(jié)構(gòu)原理[8]

圖3 螺柱焊電弧靜特性曲線

圖4 電弧長度對電壓的影響

IW-焊接電流；UA-電弧電壓；△S-螺柱位移；tp-先導(dǎo)電流；tw-焊接電流時間；td-螺柱下落（落釘）時間（stud dropout），大約50 ms tg-焊槍提升延長時間，大約50 ms； tm-螺柱埋入時間（plunge time）大約10 ms；ts-短路電流時間，大約50 ms。

圖5 短周期螺柱焊接過程參數(shù)變化曲線[4]

4.2 導(dǎo)向夾套磨損影響

結(jié)合圖6，夾套疲勞變形后，螺栓位置竄動?？稍?、2、3、4、5任何位置。螺栓合理位置處于2，夾套疲勞后，引起電弧長度變化，結(jié)合圖5和文獻(xiàn)[2-4]，處于1時，已知提升距離和伸出長度有負(fù)相關(guān)性，造成tp和tw段電弧長，氣體體積增大，易于生成氣孔；電弧長受電磁影響造成偏弧，見表1。td階段，頂鍛下壓力度、速度和高度不夠，螺栓與工件接觸不充分，熔合不良加氣孔，造成虛焊[9]。

處于3時，提升距離變小，tw段焊接電壓低，熱輸入量小，熔化量不足；td頂鍛階段，下壓速度和高度大，沖擊熔池，飛濺量大，熔池溫度低，表面張力大，焊縫熔合不良；

處于4時，螺柱偏心，tp和tw引弧-燃弧段，基于電弧挺直特性，導(dǎo)致電弧偏心、產(chǎn)熱不均，td頂鍛階段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情況下，斜向沖入熔池中，局部未熔合，產(chǎn)生偏焊、小焊核，見表1；

處于5時，晃動量大，螺柱不穩(wěn)定，焊接全程電弧不穩(wěn)定，產(chǎn)熱不均勻，熔池不穩(wěn)定，形狀和熔化量不均，熔合不良，焊縫成型差。焊接質(zhì)量差；

當(dāng)1與4或5共同發(fā)生，或者3與4或5共同發(fā)生，焊接質(zhì)量不良[10]。

5 結(jié)論

分析螺柱焊脫焊原因，間接為焊槍提升距離過長，導(dǎo)向夾套疲勞變形，焊接質(zhì)量下降。更換導(dǎo)向夾套，調(diào)整提升距離為1.2 mm，拉脫力試驗(yàn)確認(rèn)調(diào)整效果，證明焊接質(zhì)量提升，未再發(fā)現(xiàn)脫焊，產(chǎn)品扭矩檢測全部合格。

深入分析質(zhì)量下降原因，為焊接過程中電弧參數(shù)變化，焊接熔化-熔池成型-焊縫成型階段不穩(wěn)定，引起焊縫氣孔、熔合不良、電弧偏離等，造成虛焊和偏焊。

參考文獻(xiàn)：

[1]池強(qiáng)，張建勛，付繼飛，張友權(quán).拉弧式電弧螺柱焊質(zhì)量影響因素[J].電焊機(jī)，2005，，35（4）：6-9.

[2]王大明，褚衛(wèi)東，朱麟.汽車螺柱焊質(zhì)量的影響因素分析[J].汽車與配件，2011，（46）：26-28.

[3]亢書生，王偉.電弧螺柱焊及其在轎車生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2000， 30（5）：30-32.

[4]張義.汽車制造用螺柱焊機(jī)的選擇與應(yīng)用（三）[J].電焊機(jī)，2001，（9）：13-16，26.

[5]齊紹榮，葉振忠，王蕓.影響電弧螺柱焊焊接質(zhì)量的幾個問題[J].焊接技術(shù)，2002，31（5）：27-28.

[6]安藤弘平，長谷川光熊.焊接電弧現(xiàn)象[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[7]龔勝峰.螺柱焊接技術(shù)及工藝[J].電焊機(jī)，2006，（36）：1，11-15.

[8]梅從富，張德庫，王學(xué)敏，王克鴻.大功率自動螺柱焊槍的研制[J].機(jī)械制造與研究，2009，38（6）：43-46.

[9]朱麟.螺柱焊虛焊分析和解決措施[J].汽車與配件.2012，（5）：33-34

[10]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在車身焊接中的質(zhì)量控制[J].上海汽車，2008，（10）：36-38.endprint

當(dāng)螺栓下落沖擊熔池時，下落的沖擊速度是由自由落體運(yùn)動速度V1和彈簧運(yùn)動速度V2疊加，自由下落運(yùn)動速度公式是：V1=gt，S= gt2，其中，g是重力加速度，t是時間。

（5）

而彈簧下落分速度V2，通過積分公式和常微分方程計(jì)算：

（6）

（7）

（8）

（9）

式中：a是彈簧瞬時加速度；m是整個下落系統(tǒng)質(zhì)量。

（10）

用可分離變量常微分方程解得：

（11）

（12）

V=0，S=0，調(diào)整前：

（13）

（14）

式中：V為下落過程中任意時間t的速度。

調(diào)整前，S=0，L為一定值，設(shè)定下壓距離為3 mm：

（15）

調(diào)整后，S=0，因?yàn)轭A(yù)壓量增加2.8 mm，所以L后=L+2.8：

（16）

計(jì)算可見，V前-V后= >0，調(diào)整前下落速度大，沖力大導(dǎo)致金屬飛濺增加，如表1圖示。熔池液態(tài)金屬不足，同時溫度下降，液態(tài)金屬表面張力增大，熔合性變差；沖擊速度大可能造成回彈，撕扯焊縫，成型變差，以上兩者造成焊接質(zhì)量不良。

4.1.2 提升距離對電弧行為的影響

參考圖3和圖4電弧靜特性曲線，了解短周期螺柱焊過程電流不變的特點(diǎn)[5-6]， a長度大于a長度，a電壓大于a電壓，因而提升距離變大，弧長增大，電壓變大，有文獻(xiàn)[7]給出計(jì)算公式。

當(dāng)弧長L為0-6 mm時，弧壓Ua=17+2.2 L，據(jù)此計(jì)算，調(diào)整前 La=3mm，Ua=23.6 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=25.6-27.6 V，，調(diào)整后 La=1.2 mm，Ua=19.64 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=21.6-23.6 V，與文獻(xiàn)[3]所列螺柱焊通用參數(shù)吻合。調(diào)整前，電弧長度長，電壓高，相同電流下，電弧半徑增大，能量密度減小，熔池面積增大，熔池深度變淺，電弧變長，電弧區(qū)體積增大，氣體量增加，高溫時氣體溶解于熔池金屬中（如氮?dú)猓?；凝固時，氣體溶解度下降來不及逸出，導(dǎo)致焊縫區(qū)氣體殘留，表1見虛焊表面密布蜂窩狀氣孔，氮?dú)饪壮Ｒ?；凝固速度是影響氣體逸出的重要參數(shù)，速度慢氣體逸出容易，速度快逸出困難，調(diào)整前，熔池熔深淺，過冷梯度大，凝固速度快，不利于氣體逸出，氣體殘留多；同時冷卻速度快，金屬表面張力大，潤濕性變差，不易鋪展，熔合性能極度惡化，因此減少電弧長度，電弧區(qū)氣體含量少，溶解氣體量少，凝固速度相對變慢，氣體易于逸出，相對焊縫中氣孔所占比例少，且潤濕性相對足夠，熔合性變好。

圖2 電磁式螺柱焊槍結(jié)構(gòu)原理[8]

圖3 螺柱焊電弧靜特性曲線

圖4 電弧長度對電壓的影響

IW-焊接電流；UA-電弧電壓；△S-螺柱位移；tp-先導(dǎo)電流；tw-焊接電流時間；td-螺柱下落（落釘）時間（stud dropout），大約50 ms tg-焊槍提升延長時間，大約50 ms； tm-螺柱埋入時間（plunge time）大約10 ms；ts-短路電流時間，大約50 ms。

圖5 短周期螺柱焊接過程參數(shù)變化曲線[4]

4.2 導(dǎo)向夾套磨損影響

結(jié)合圖6，夾套疲勞變形后，螺栓位置竄動?？稍?、2、3、4、5任何位置。螺栓合理位置處于2，夾套疲勞后，引起電弧長度變化，結(jié)合圖5和文獻(xiàn)[2-4]，處于1時，已知提升距離和伸出長度有負(fù)相關(guān)性，造成tp和tw段電弧長，氣體體積增大，易于生成氣孔；電弧長受電磁影響造成偏弧，見表1。td階段，頂鍛下壓力度、速度和高度不夠，螺栓與工件接觸不充分，熔合不良加氣孔，造成虛焊[9]。

處于3時，提升距離變小，tw段焊接電壓低，熱輸入量小，熔化量不足；td頂鍛階段，下壓速度和高度大，沖擊熔池，飛濺量大，熔池溫度低，表面張力大，焊縫熔合不良；

處于4時，螺柱偏心，tp和tw引弧-燃弧段，基于電弧挺直特性，導(dǎo)致電弧偏心、產(chǎn)熱不均，td頂鍛階段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情況下，斜向沖入熔池中，局部未熔合，產(chǎn)生偏焊、小焊核，見表1；

處于5時，晃動量大，螺柱不穩(wěn)定，焊接全程電弧不穩(wěn)定，產(chǎn)熱不均勻，熔池不穩(wěn)定，形狀和熔化量不均，熔合不良，焊縫成型差。焊接質(zhì)量差；

當(dāng)1與4或5共同發(fā)生，或者3與4或5共同發(fā)生，焊接質(zhì)量不良[10]。

5 結(jié)論

分析螺柱焊脫焊原因，間接為焊槍提升距離過長，導(dǎo)向夾套疲勞變形，焊接質(zhì)量下降。更換導(dǎo)向夾套，調(diào)整提升距離為1.2 mm，拉脫力試驗(yàn)確認(rèn)調(diào)整效果，證明焊接質(zhì)量提升，未再發(fā)現(xiàn)脫焊，產(chǎn)品扭矩檢測全部合格。

深入分析質(zhì)量下降原因，為焊接過程中電弧參數(shù)變化，焊接熔化-熔池成型-焊縫成型階段不穩(wěn)定，引起焊縫氣孔、熔合不良、電弧偏離等，造成虛焊和偏焊。

參考文獻(xiàn)：

[1]池強(qiáng)，張建勛，付繼飛，張友權(quán).拉弧式電弧螺柱焊質(zhì)量影響因素[J].電焊機(jī)，2005，，35（4）：6-9.

[2]王大明，褚衛(wèi)東，朱麟.汽車螺柱焊質(zhì)量的影響因素分析[J].汽車與配件，2011，（46）：26-28.

[3]亢書生，王偉.電弧螺柱焊及其在轎車生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2000， 30（5）：30-32.

[4]張義.汽車制造用螺柱焊機(jī)的選擇與應(yīng)用（三）[J].電焊機(jī)，2001，（9）：13-16，26.

[5]齊紹榮，葉振忠，王蕓.影響電弧螺柱焊焊接質(zhì)量的幾個問題[J].焊接技術(shù)，2002，31（5）：27-28.

[6]安藤弘平，長谷川光熊.焊接電弧現(xiàn)象[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[7]龔勝峰.螺柱焊接技術(shù)及工藝[J].電焊機(jī)，2006，（36）：1，11-15.

[8]梅從富，張德庫，王學(xué)敏，王克鴻.大功率自動螺柱焊槍的研制[J].機(jī)械制造與研究，2009，38（6）：43-46.

[9]朱麟.螺柱焊虛焊分析和解決措施[J].汽車與配件.2012，（5）：33-34

[10]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在車身焊接中的質(zhì)量控制[J].上海汽車，2008，（10）：36-38.endprint