摘要：螺柱焊是汽車制造中的一項重要焊接技術(shù)，高掉釘率、返修率一直是螺柱焊存在的主要問題，尤其是鋁螺柱焊，焊接質(zhì)量影響因素較多，問題尤為突出。文章通過對北京奔馳某車身前輪腔鋁制焊釘質(zhì)量的統(tǒng)計，得到焊接質(zhì)量發(fā)生頻次最高的焊釘。著重從焊接設(shè)備、物料和焊接參數(shù)三方面分析發(fā)生掉釘?shù)脑?。焊接設(shè)備是決定焊接質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，焊釘與板材的垂直度直接影響熔池的分布，進而影響焊接強度。在保證設(shè)備穩(wěn)定、焊釘與板材的垂直度合格的情況下，優(yōu)化現(xiàn)有參數(shù)。設(shè)置不同的焊接電流和時間，對比焊接外觀狀態(tài)和掉釘數(shù)量，采用最優(yōu)方案，使用到實際生產(chǎn)中，取得了良好的效果。
在螺柱的端面與另一板狀工件之間利用電弧熱，使之熔化并施加壓力完成連接的焊接方法稱為螺柱焊[1]。它是汽車工業(yè)中一種重要的焊接工藝，將焊釘焊接在車身上，以滿足總裝車間對零件安裝的需求。螺柱焊接具有速度快、可靠、操作簡便以及無孔連接等優(yōu)點，逐漸替代了汽車制造中的鉚接、攻螺紋、鉆孔等連接技術(shù)，廣泛地應(yīng)用在汽車車身的焊接工藝中[2-3]。
隨著汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，車身輕量化已成為未來發(fā)展的重要趨勢，鋁制零件已越來越多地應(yīng)用到車身中來。越來越多的焊釘需要焊接在鋁制零件上。相對于鋼，鋁的化學性能更加活潑，更易被氧化。并且鋁的強度更低，即使焊接良好的焊釘，其連接強度也與同尺寸鋼焊釘相差較大。所以對于鋁螺柱焊，需要更嚴苛的質(zhì)量控制，才能保證焊接強度要求。螺柱焊的焊接強度對總裝的裝配具有重要的影響，如果強度不足或者缺失，將直接導致總裝零件無法正常裝配。選擇合適的焊接參數(shù)，是保證焊釘強度合格的重要因素，而確保焊接設(shè)備穩(wěn)定運行，決定了焊釘質(zhì)量的穩(wěn)定性。
在生產(chǎn)過程中，前輪腔鋁釘焊接質(zhì)量長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)。通過記錄抽檢和總裝裝配時焊釘?shù)袈涞臄?shù)據(jù)，統(tǒng)計出現(xiàn)問題的焊釘和掉釘數(shù)量。對掉釘頻次高的焊釘進行優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)過幾輪調(diào)整之后，大部分焊釘處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。前輪腔焊釘仍然處于掉釘頻次較高的水平。為了減少前輪腔掉釘，降低返修所造成的工時和人力損失，對問題焊釘進行了全面調(diào)查研究。
1、鋁螺柱焊原理
鋁螺柱焊采用TUCKER公司生產(chǎn)的TE15AC焊接控柜和TH510焊槍。由于鋁的易氧化性，為防止焊接過程中熔池氧化，在焊接開始前2 000 ms，直至焊接結(jié)束1 000 ms通氬氣保護。鋁螺柱焊槍用滅弧罩代替支撐桿，起到確定焊接起始位置的作用，同時又可以將保護氣體聚攏到熔池區(qū)域。焊接時，使用交變電流，取代鋼螺柱焊的直流電源。交變電流可以起到打破熔池表面氧化層，減少熔池中雜質(zhì)的作用，如圖1所示。
圖1 鋁螺柱焊槍頭示意圖
焊接主要分為接觸、垂直、提升引弧、熔化、下落熔合、凝結(jié)拔槍六個步驟。（1）接觸，焊釘接觸板材后，發(fā)出SOW（Stud On Workpiece）信號，焊接開始；（2）垂直，滅弧罩接觸板材，使焊釘垂直板材，確定焊釘初始焊接位置；（3）提升引弧，焊槍發(fā)出引弧電流，焊釘向上提升，產(chǎn)生電弧；（4）熔化，焊槍發(fā)出焊接電流，使焊釘和板材表面金屬熔化；（5）下落熔合，焊釘下落至板材，施加壓力，使焊釘和板材熔合；（6）凝結(jié)拔槍，熔池在壓力作用下凝固，焊槍離開焊接位置，整個焊接過程結(jié)束，如圖2所示。
圖2 鋁螺柱焊焊接過程
2、問題描述
對掉釘?shù)木唧w信息進行分析，查找掉釘數(shù)最多的焊釘，針對該焊釘進行研究，查找并優(yōu)化影響焊接的因素，降低掉釘數(shù)量。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，前輪腔弧面鋁板焊釘?shù)翎敂?shù)量明顯高于其他焊釘，占總掉釘數(shù)的50%左右，該焊點掉釘數(shù)量如圖3所示。該位置的焊釘發(fā)生掉釘后，需要下線返修。將安裝好的輪腔護板拆除，拉鉚補漆后，重新安裝輪腔護板。
圖3 月度掉釘統(tǒng)計
3、問題分析
3.1 鋁螺柱焊焊接質(zhì)量影響因素
焊釘?shù)挠猛臼茄b配總裝零件，裝配時有特定的扭矩要求，所以對焊釘?shù)目己酥饕獮榕ぞ刂禍y試，焊釘?shù)暮附訌姸炔蛔闶浅霈F(xiàn)的主要質(zhì)量問題。影響鋁螺柱焊焊接質(zhì)量的因素主要包括以下三個方面。
3.1.1 焊接參數(shù)
螺柱焊的焊接參數(shù)主要有提升高度，焊接電流，焊接時間。焊接參數(shù)的設(shè)置，對焊接質(zhì)量有最直接的影響。提升高度決定了焊接時電弧的長度和穩(wěn)定性。電弧越長，越易發(fā)生磁偏吹、電弧不穩(wěn)定或焊接氣孔等問題；電弧越短，越容易發(fā)生短路，電弧能量不足。焊接電流越大，熔深越大，同時也越容易發(fā)生熔池飛濺。焊接時間越長，熔深也越大，對于薄板來說，也越易發(fā)生板材熔穿。
3.1.2 焊接設(shè)備
焊接設(shè)備的穩(wěn)定性和精確度對焊接質(zhì)量穩(wěn)定有重要作用。焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，一般為焊接設(shè)備不穩(wěn)定或不能按照參數(shù)的設(shè)置執(zhí)行造成的。焊槍的清潔、良好的導電性、穩(wěn)定可靠的提升馬達、位置控制精確地夾頭和頂針、充足穩(wěn)定的保護氣體是保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定的主要因素。
3.1.3 零件狀態(tài)
零件的狀態(tài)是指焊接位置零件的潔凈度和尺寸穩(wěn)定性。焊接位置油污、表面氧化或膠等都會直接影響焊接輸出能量。螺柱焊的焊接電流在設(shè)定后就會穩(wěn)定輸出，當板材表面由于油污等導致電阻增大時，焊接電壓明顯增大，嚴重時會導致過燒。零件尺寸的穩(wěn)定性影響著焊釘垂直度的穩(wěn)定性，對焊接質(zhì)量也有明顯的影響。
3.2 根本原因分析
觀察扭矩不足焊釘?shù)臄嗝?，如圖4、圖5所示。焊釘有明顯虛焊的特征，熔化深度不足，熔池未包覆焊釘?shù)鬃瑢е屡ぞ刂挡蛔恪?/span>
圖4 焊釘斷面
圖5 焊釘熔池未包覆底座
從人、機、料、法、環(huán)五個方面歸納可能影響焊接質(zhì)量的因素，進行逐一檢查，如圖6所示。在實際生產(chǎn)中，焊接過程為全自動化生產(chǎn)，人和環(huán)境對焊接質(zhì)量影響很小。這五個方面中，機、料、法三方面對焊接質(zhì)量影響比較大，以下針對這三方面進行分析。
圖6 焊接質(zhì)量影響因素魚骨刺圖分析
3.2.1 焊接設(shè)備分析
焊接設(shè)備問題需要從兩方面檢查。一方面是從監(jiān)控參數(shù)來看，提升高度、焊接電流、電壓時間等是否超差。提升馬達不穩(wěn)定、焊槍污損、連接不良等導致的電流、電壓不足和焊接時間不足。經(jīng)過檢查焊接記錄發(fā)現(xiàn)，提升高度、焊接電流、時間、電壓等均未超差。表明焊槍的提升馬達和電路正常運行。
另一方面，檢查焊槍組件的狀態(tài)，如夾頭、滅弧罩、氣體保護罩是否潔凈、完整，地線與板材接觸等。檢查發(fā)現(xiàn)滅弧罩里積存了大量焊渣，易堵塞保護氣出口，導致熔池氧化；焊渣接觸夾頭后，也可能導致焊接分流。對焊槍滅弧罩進行清理，并列入每天的設(shè)備檢查中，如圖7、圖8所示。
圖7 滅弧罩焊渣
圖8 熔池氧化
對地線進行檢查時，發(fā)現(xiàn)地線接頭處發(fā)生斷裂，如圖9所示。由于每輛車焊接時，都需要地線開合一次，長此以往，地線接頭處發(fā)生了折斷。焊釘附近的地線折斷后，只能靠其他位置的地線導通，增加了回路長度，影響焊接的穩(wěn)定性。將地線更換為更長線束，減緩了開合時的拉拽，同時明確了定期檢查時，進行地線檢查。
圖9 地線斷裂
3.2.2 物料分析
涉及螺柱焊的物料包括焊釘和板材。對焊釘?shù)牡鬃砻鏅z查未發(fā)現(xiàn)異常。板材為鑄鋁件，經(jīng)過鋁清洗，去除氧化層。鋁清洗后表面無清洗液，氧化層或油污殘留。如表面有油污或氧化，會對焊接電壓有明顯的影響，焊接記錄中，電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)超差現(xiàn)象，如圖10所示。
圖10 焊接記錄
除了表面清潔度會對焊接造成影響外，板材尺寸對焊接也會有較大影響。由于焊槍搭載在機器人上，焊槍每次焊接的空間位置是固定的，當板材位置發(fā)生變化時，會直接影響焊釘與板材的相對位置，焊釘與板材的垂直度發(fā)生變化，直接影響焊接質(zhì)量，如圖11所示。
圖11 滅弧罩焊渣
4、設(shè)備參數(shù)分析
對現(xiàn)場焊釘狀態(tài)進行檢查，發(fā)現(xiàn)焊釘?shù)鬃幸话敫叨缺蝗鄢匕?，且四周均勻分布。從外觀來看，焊接狀態(tài)良好，熔池包覆均勻，無飛濺，無熔池氧化，無氣孔等缺陷，如圖12所示。對于這種狀態(tài)的焊釘，在總裝依然有掉釘反饋。
圖12 現(xiàn)場焊釘狀態(tài)
檢查焊釘斷面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)焊釘?shù)鬃闹苡忻黠@熔化金屬包覆，而中心區(qū)域焊釘熔化金屬不足，如圖13所示。由于焊釘位置在前輪腔，板材為圓弧狀，當焊釘垂直于板材時，會出現(xiàn)四周接觸，中心懸空的現(xiàn)象，如圖14所示。
圖13 焊釘斷面
圖14 焊釘與板材接觸示意圖
焊接時，焊釘向上提升，焊槍施加焊接電流，焊釘?shù)鬃桶宀慕饘偻瑫r熔化，電弧穩(wěn)定一段時間后，焊釘下落與板材接觸，焊釘向下擠壓板材至80 N，用于凝固熔池，如圖15所示。此時，由于板材呈弧形，焊釘邊緣與板材接觸，承受壓力，而焊釘中心位置與板材之間幾乎沒有壓力，焊釘與板材的熔化金屬不能很好地熔合，導致結(jié)合強度不足。
圖15 焊釘與板材焊接后示意圖
根據(jù)斷面可以推斷，如果能使焊釘熔化更多，使焊釘中心也能與板材接觸，在凝固過程中，承受一定的壓力，則能夠提升焊釘?shù)倪B接強度。于是進行以下參數(shù)優(yōu)化實驗，通過測試不同焊接電流和時間，對比其熔池狀態(tài)，以及總裝和抽查質(zhì)量問題的統(tǒng)計，確定焊接質(zhì)量最優(yōu)的參數(shù)，如表1所示。
表1 參數(shù)調(diào)整方案
表1中五種焊接參數(shù)對應(yīng)的熔池。方案1、2、3采用了相同的焊接電流，焊接時間逐漸增加。增加焊接時間，熔深增加，方案3中，少量焊釘出現(xiàn)小氣孔；增大電流之后，熔池發(fā)生了明顯的飛濺，如圖16所示。
圖16 不同焊接參數(shù)下熔池狀態(tài)
5、結(jié)果分析
采用不同的方案進行批量生產(chǎn)實驗，每種焊接參數(shù)各使用6天，共12個班次生產(chǎn)。掉釘次數(shù)統(tǒng)計如表2所示。
表2 焊接方案掉釘次數(shù)統(tǒng)計
在一周的生產(chǎn)中，方案2和方案3均無掉釘。但是，方案2的焊接時間更短，熔池沒有氣孔。于是將設(shè)備參數(shù)設(shè)置為方案2，在實際生產(chǎn)中使用。經(jīng)過之后一個月的統(tǒng)計，未發(fā)現(xiàn)該焊釘?shù)袈洌鐖D17所示。
圖17 月度掉釘統(tǒng)計
通過對焊槍部件的檢查，將關(guān)鍵部件清潔和維護，列入現(xiàn)場工人的日常檢查中，減少了焊接時的不穩(wěn)定因素。焊釘?shù)拇怪倍纫彩怯绊懞羔斮|(zhì)量的重要因素，由于車身焊釘數(shù)量有400多個，很難逐個檢查，所以有掉釘反饋時，應(yīng)檢查該焊釘與板材的垂直度。
從焊接熔池可以憑經(jīng)驗預(yù)估焊接質(zhì)量，在平面板材上，該焊釘熔池包覆焊釘?shù)鬃话肷疃?，焊接強度完全滿足考核要求。但是對于板材為弧面的焊釘，由于在凝固階段，焊釘中心沒有受到足夠的壓力，導致熔合不足。對于這種板材，需要更多的熔深，來保證焊釘與板材熔池的熔合。增加焊接時間可以獲得更大的熔深，增加焊接電流同樣可以獲得更大的熔深，但是易發(fā)生熔池飛濺。適當?shù)暮附与娏骱蜁r間是獲得良好焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
6、結(jié)論
本文通過對前輪腔鋁制焊釘焊接質(zhì)量問題的分析，歸納了影響焊接質(zhì)量的主要因素為焊接設(shè)備、垂直度和焊接參數(shù)。本文涉及的焊釘，焊接在非平面板材。按照經(jīng)驗來看，熔深足以保證焊接強度。但是，由于焊釘中心在熔合時未承受足夠的壓力，而出現(xiàn)焊釘中心熔合不足的現(xiàn)象。經(jīng)過試驗，得到焊接熔池和強度最合適的焊接參數(shù)，經(jīng)過生產(chǎn)驗證，掉釘率明顯降低，得到了良好的效果。這種參數(shù)設(shè)置方法，也可應(yīng)用于其他非平面螺柱焊接中，具有一定的指導意義。
參考文獻
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