工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中的螺柱焊質(zhì)量控制要點(diǎn)

羅光盛，梁剛，保靜瑜

宜賓凱翼汽車(chē)有限公司 四川宜賓 644000

螺柱焊是一種將螺柱或類(lèi)似緊固件通過(guò)拉弧焊接于工件上的工藝方法。螺柱焊工藝有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：操作相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高；熱影響區(qū)小，焊接變形極小；單面焊接，不需開(kāi)孔，對(duì)焊接空間和密封要求低；不需要填充材料及氣體保護(hù)，制造成本較低?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，螺柱焊工藝廣泛應(yīng)用于車(chē)身連接上，如管路、線束、內(nèi)飾及隔熱墊等承載力較小部位的固定，以及電子電器搭鐵連接等。螺柱焊質(zhì)量問(wèn)題主要有虛焊、偏弧、焊穿及氣孔等，此類(lèi)問(wèn)題如不加以控制，在總裝裝配過(guò)程中出現(xiàn)螺柱脫焊，經(jīng)常導(dǎo)致車(chē)輛下線返修和停線，造成人員、動(dòng)能的巨大浪費(fèi)。

工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程的螺柱焊質(zhì)量控制

螺柱焊接質(zhì)量的產(chǎn)生是多種因素共同作用的結(jié)果，需從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、工裝設(shè)計(jì)到參數(shù)設(shè)置、地線連接和設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)加以控制，才能保證良好的焊接質(zhì)量。在前期開(kāi)發(fā)階段明確螺柱焊控制要點(diǎn)，不僅提前規(guī)避了焊接缺陷，而且降低了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和開(kāi)發(fā)成本。

按照產(chǎn)品開(kāi)發(fā)逐漸成熟的各階段，整車(chē)工藝開(kāi)發(fā)分為工藝策劃、工藝分析、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備工裝開(kāi)發(fā)、工藝驗(yàn)證和工藝維護(hù)優(yōu)化等六個(gè)過(guò)程。在車(chē)型開(kāi)發(fā)中，螺柱焊質(zhì)量的控制側(cè)重點(diǎn)各不相同，現(xiàn)就工藝開(kāi)發(fā)各個(gè)過(guò)程中控制方法分別闡述。

工藝策劃和工藝分析

螺柱焊質(zhì)量策劃為質(zhì)量專(zhuān)項(xiàng)策劃其中一個(gè)模塊，主要通過(guò)人機(jī)料法環(huán)測(cè)6個(gè)維度，針對(duì)影響螺柱焊接質(zhì)量的33項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行分析，如圖1所示。通過(guò)影響螺柱焊質(zhì)量的因素正向確認(rèn)，以及歷史問(wèn)題排查，制定相應(yīng)的解決措施和改善建議，按產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各階段逐步確認(rèn)。

圖1 螺柱焊質(zhì)量策劃全景

螺柱焊的工藝分析主要包含焊接材料、料厚、焊接結(jié)構(gòu)、工藝干擾距離以及防錯(cuò)要求的分析，以改善產(chǎn)品可制造性，輔助產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。

1.焊接材料及板厚

被焊零件一般為車(chē)身常用的低碳鋼、鍍鋅鋼、高強(qiáng)度鋼及不銹鋼等，材料厚度建議≥0.7mm，尤其是在薄板上焊接搭鐵螺栓時(shí)易導(dǎo)致焊穿。

2.焊接結(jié)構(gòu)

螺柱焊接面盡可能為平面，為增加板件剛度建議設(shè)計(jì)凸臺(tái)。如圖2所示，一般取A≥B+4.0mm（其中A為凸臺(tái)尺寸，B為螺柱焊槍槍頭直徑），如M6普通螺柱參考值為25mm，M6搭鐵螺柱參考值為30mm。弧面等特殊部位焊接螺柱，曲率半徑需＞400mm。

圖2 螺柱凸臺(tái)平面尺寸要求

為防止出現(xiàn)磁偏吹，螺柱需避免過(guò)于靠近L形零件的根部，螺柱中心距折邊距離應(yīng)＞60mm。如圖3所示，搭鐵螺柱中心與L形立面距離僅30mm，焊接后向根部方向偏弧。

圖3 螺柱位于L形零件根部

3.工藝干擾距離

1）點(diǎn)焊與焊接螺柱之間最小距離。以M6螺柱為例，如螺柱在點(diǎn)焊之后焊接，則要求螺柱焊與點(diǎn)焊中心距最少為27mm，如螺柱在點(diǎn)焊之前焊接，則要求螺柱焊與點(diǎn)焊中心距最小25mm。

2）螺柱與螺柱之間最小距離。以M6螺柱為例，螺柱與螺柱中心距最少為19mm，如圖4a所示。

3）零件料邊、孔與螺柱之間最小距離。以M6螺柱為例，零件料邊、孔與螺柱之間最小距離為14mm，如圖4b所示。

圖4 螺柱工藝之間距離要求

4）防錯(cuò)。工序排布時(shí)，螺柱焊接一般集中在少數(shù)工位，減少設(shè)備投入，利于生產(chǎn)組織。因此，同工位焊接的螺柱種類(lèi)越少，防錯(cuò)能力越高，作業(yè)效率也越高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，同工位螺柱種類(lèi)應(yīng)不超過(guò)3種。同時(shí)外形差異較小的螺柱，應(yīng)與產(chǎn)品部門(mén)討論統(tǒng)一型號(hào)，避免僅存在螺柱長(zhǎng)度差異的在同一工位焊接。

工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備工裝開(kāi)發(fā)

1.設(shè)備選型

為保證螺柱焊后接頭可靠，工件不變形，焊機(jī)需具有抗電磁干擾能力，以及自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)，確保電流輸出穩(wěn)定。

2.焊槍選型

人工焊槍要使用輕便，符合人機(jī)工程學(xué)；同時(shí)可靠性高，動(dòng)作重復(fù)性好，控制精確，焊槍自身也要有焊接螺柱垂直角度調(diào)節(jié)功能。

3.參數(shù)設(shè)置

螺柱焊的工藝參數(shù)主要包括極性、焊接電流、焊接時(shí)間，以及提升高度設(shè)置。

1）極性。一般鋼質(zhì)螺釘采用正極性接法，即工件接電源正極，其余材質(zhì)螺釘采用負(fù)極性連接方式。

2）焊接電流與焊接時(shí)間。焊接電流的選取與螺柱的公稱(chēng)直徑有關(guān)，焊接電流一般取螺柱公稱(chēng)直徑的100～120倍，焊接時(shí)間一般取公稱(chēng)直徑的4～5倍。若焊接板材為鍍鋅板，焊接電流需在此基礎(chǔ)上增加20%。

3）提升高度。提升高度一般在0.8～2mm，需結(jié)合焊接過(guò)程調(diào)試確認(rèn)。當(dāng)提升高度過(guò)大時(shí)，電弧引弧不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生磁偏吹；提升高度過(guò)小時(shí)，易產(chǎn)生短路而導(dǎo)致斷弧。

4.夾具技術(shù)要求。

在夾具圖樣會(huì)簽階段，需重點(diǎn)針對(duì)螺柱焊夾具的人機(jī)工程、結(jié)構(gòu)及材質(zhì)、地線設(shè)置及防錯(cuò)等要求進(jìn)行確認(rèn)。

1）人機(jī)工程。在夾具設(shè)計(jì)中，應(yīng)預(yù)留充分的焊接通道，焊槍作業(yè)范圍內(nèi)不應(yīng)有干涉。夾具設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足定位精度和一致性的原則下，同時(shí)結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)潔，保證有良好的操作性。

2）夾具結(jié)構(gòu)及材質(zhì)。連接座部位采用不銹鋼材質(zhì)，植釘套筒采用碳鋼材料，并盡量保證整圓結(jié)構(gòu)，表面發(fā)黑處理，植釘套筒的軸線需垂直于焊接平面，套筒設(shè)計(jì)時(shí)距離焊接件3～5mm。

3）焊接面反面支撐。所焊接零件料厚在0.8mm及以下的薄板，夾具設(shè)計(jì)時(shí)，需在植釘背面相應(yīng)位置設(shè)計(jì)支撐塊，支撐塊采用45鋼，表面發(fā)黑處理。而當(dāng)支撐塊在螺柱的正下方時(shí)，支撐塊的中心需與套筒中心線基本重合，支撐塊中心位置開(kāi)φ10mm、深度為2～3mm的孔（見(jiàn)圖5），支撐塊的材料需選用鉻鋯銅。

圖5 螺柱焊反面支撐

4）焊接地線設(shè)置。螺柱焊植釘夾具在夾具UNIT單元處要做絕緣處理，板件較大夾具需要布置2～3處接地裝置防止焊接磁偏弧。螺柱焊夾具地線需要與車(chē)身零件直接連接，不通過(guò)夾具BASE進(jìn)行連接，與車(chē)身零件接觸的夾具定位塊、壓緊塊、定位銷(xiāo)都需要做絕緣處理。螺柱焊接地裝置盡量采用浮動(dòng)式，以保證工件與零件貼合度。

圖6 螺柱焊接地裝置

5）夾具防錯(cuò)。一套夾具上不同型號(hào)的螺柱焊，槍套采用不同顏色進(jìn)行識(shí)別，槍與套筒的顏色相對(duì)應(yīng)，顏色標(biāo)識(shí)要清晰，不可脫落。不同車(chē)型螺柱防錯(cuò)方式首選夾具機(jī)構(gòu)切換防錯(cuò)，特殊情況（如空間限制）無(wú)法做工裝防錯(cuò)的采用顏色防錯(cuò)等人工輔助防錯(cuò)方式。

工藝驗(yàn)證和維護(hù)

工藝驗(yàn)證階段主要對(duì)前期策劃和開(kāi)發(fā)的工藝工裝進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，以滿(mǎn)足達(dá)到既定的質(zhì)量目標(biāo)和過(guò)程質(zhì)量能力。

（1）焊接面、焊槍清潔度 螺柱焊前應(yīng)清潔焊接面油污、銹蝕、漆層及灰塵雜質(zhì)等，同時(shí)焊槍防濺罩以及夾具反面支撐的焊渣應(yīng)定期清理，避免焊接時(shí)電流密度不均焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)生虛焊、氣孔等，如圖7所示。

圖7 焊槍及夾具清潔度影響

（2）焊接垂直度 螺柱焊槍在導(dǎo)套中與焊接面應(yīng)垂直，偏差不超過(guò)3°。驗(yàn)證表明，當(dāng)螺柱垂直度誤差大于3°時(shí)，螺柱與板件焊接接觸面積減少，導(dǎo)致虛焊率大幅上升。

（3）磁偏吹問(wèn)題排查 焊接時(shí)如發(fā)生磁偏吹，應(yīng)在磁偏吹的背向端增加地線或引鐵驗(yàn)證，以此達(dá)到“吸引”電弧，減少磁偏吹的目的，如圖8所示。

圖8 磁偏吹原理及解決方法示意

（4）螺柱焊質(zhì)量檢驗(yàn) 主要有彎曲檢驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)檢驗(yàn)兩種方式。彎曲檢驗(yàn)是焊接完成后用相應(yīng)的螺柱套筒使螺柱彎曲10°～15°，觀察螺柱形態(tài)，螺柱不脫落，焊縫無(wú)裂紋，則為合格焊縫，反之需補(bǔ)焊處理。扭轉(zhuǎn)檢驗(yàn)是在焊接的螺柱上手?jǐn)Q雙螺母，然后使用扭力扳手對(duì)不同規(guī)格的螺柱加載相應(yīng)的扭矩，驗(yàn)證螺柱是否脫焊。要求加載到扭矩值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，螺柱不與鈑材剝離；如果在螺柱剝離前，焊接鈑材被撕出孔洞或有損壞，即認(rèn)為螺柱滿(mǎn)足扭矩值要求。

工藝優(yōu)化及維護(hù)階段除了對(duì)影響螺柱焊接質(zhì)量的作業(yè)方法、參數(shù)設(shè)定、工裝設(shè)備維護(hù)及檢驗(yàn)方法規(guī)范受控，還要針對(duì)焊裝過(guò)程檢驗(yàn)及總裝裝配過(guò)程發(fā)現(xiàn)的螺柱焊質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行排查和控制。根據(jù)對(duì)螺柱焊失效產(chǎn)生的原因和影響因素的分析，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的螺柱焊質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)，制定了螺柱焊質(zhì)量問(wèn)題排查方法和流程，如圖9所示。流程共包含6項(xiàng)主要素及16項(xiàng)子要素，涵蓋焊接面表面狀態(tài)、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、焊槍垂直度保證、板件剛度、地線布置及焊接參數(shù)等，為螺柱焊質(zhì)量問(wèn)題排查和優(yōu)化提供參考。

圖9 螺柱焊質(zhì)量問(wèn)題排查方法和流程

結(jié)語(yǔ)

隨著汽車(chē)焊接工藝的發(fā)展和提升，螺柱焊的自動(dòng)焊接已逐漸應(yīng)用于車(chē)身制造中，自動(dòng)焊接過(guò)程不需要工裝夾具精確定位，其生產(chǎn)高效、設(shè)備穩(wěn)定、焊接一致性好，也將成為未來(lái)的螺柱焊自動(dòng)化、智能化的發(fā)展方向。工藝技術(shù)人員要不斷深入研究，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)焊接技術(shù)的不斷發(fā)展。