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摘要：針對總裝工廠頻繁出現(xiàn)的車身上某顆M5 鋼焊接螺栓脫落問題，文章分析了螺栓脫落后車身及脫落螺栓的斷裂現(xiàn)象，對比了相鄰位置M5 螺栓的焊接工藝、安裝工藝及內(nèi)飾件安裝孔形狀，同時在焊裝工廠進行大量不同擰緊扭矩、不同擰緊方式的試驗。結(jié)果分析表明，造成該M5 焊接螺栓頻繁脫落的根本原因為車身螺栓選型與內(nèi)飾件安裝孔搭配不合理、安裝孔內(nèi)部凹槽深度過大時，車身板材過薄，在擰緊過程中板材被過度拉伸變形，最終板材被撕裂，從而導致螺栓脫落。文章提出的變更焊接螺栓類型、變更內(nèi)飾件安裝孔凹槽深度兩種解決方案，可幾乎完全避免總裝工廠該螺栓脫落問題的發(fā)生，極大提高了車身質(zhì)量，為白車身螺柱焊接的螺栓選型和焊接過程質(zhì)量控制提供了新思路。

 

關(guān)鍵詞：白車身；螺柱焊接；螺栓脫落；扭矩檢測；內(nèi)飾件

 

螺柱焊是將螺柱的一端通過與板材接觸，利用電弧熱使接觸面熔化，同時施加壓力完成連接的焊接方法[1]。不同的螺柱焊機工作原理不同，一般來講，按照焊接過程中能量、焊接保護、電弧周期及電容放電方式的分類，可將其分為拉弧螺柱焊和電容放電螺柱焊。拉弧式螺柱焊焊接過程如下：在螺柱焊機上設(shè)定合適的焊接參數(shù)，啟動螺柱焊機，螺柱焊焊槍中的磁力裝置吸引夾具上升拉弧，產(chǎn)生電子電弧，電子電弧產(chǎn)生熱量熔化金屬；當磁力機構(gòu)的電磁釋放后，壓縮彈簧加壓使螺柱進入熔池，并將液態(tài)金屬部分排除在接頭之外，從而形成再結(jié)晶和重結(jié)晶混合接頭。當關(guān)閉電弧后，保持焊槍向螺柱施加一定壓力，待冷卻結(jié)束后完成焊接，這樣的焊接成型穩(wěn)定，可獲得合適的焊接接頭[2-3]。

 

由于螺柱焊接具有焊接速率快、效率高、強度可靠、操作簡單且無孔連接等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車白車身的焊接工藝中，起到固定線路、內(nèi)外飾等連接作用[4]。根據(jù)總裝裝配的需要，車身上焊接大量不同類型的焊接螺栓。一般焊接的車身零件為低碳鋼、鍍鋅鋼、高強鋼和不銹鋼，材料厚度≥0.7 mm，尤其是薄板焊接，對焊接參數(shù)變化明顯，易出現(xiàn)虛焊或焊穿等質(zhì)量缺陷[5]。

 

在生產(chǎn)過程中，總裝工廠頻繁出現(xiàn)固定位置M5 螺柱脫落，但相同參數(shù)、相同設(shè)備下相鄰M5螺柱（同板材）極少脫落的現(xiàn)象。螺柱頻繁脫落導致總裝裝配過程中下線返修和停線，造成人員和成本的巨大浪費。該螺栓在車身側(cè)圍內(nèi)板，板厚0.7 mm，為薄鍍鋅板，不易焊接。同時，在整車焊接該螺栓，背部無法增加黃銅塊進行支撐和散熱[6-7]。針對該問題，本文從工藝設(shè)計、焊接工藝參數(shù)、總裝裝配工藝、內(nèi)飾件形狀等方面進行入手，變更焊釘類型、調(diào)整參數(shù)、測試不同裝配狀態(tài)下極限扭矩值等，確定了其頻繁脫落的根本原因，通過變更內(nèi)飾件安裝凹槽深度，解決了該問題，提高了車身質(zhì)量，同時降低了大量的返修成本。

 

1、 試驗設(shè)備及試驗過程

 

1.1 設(shè)備、工具與材料

焊接試驗使用KUKA 機器人，焊接控制柜選用Tucker 公司的TE1500，如圖1(a)所示，整個焊接裝置布局如圖1(b)所示。整個車身的焊接工藝過程由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）控制。

 

 

圖1 焊接設(shè)備及工藝布置

 

螺柱扭矩檢測采用電動扳手，轉(zhuǎn)速固定在200 r/min，能夠最大程度保證準確輸出。

 

焊接螺栓為M5 螺栓，其中試裝螺栓為帶有承力法蘭的M5 螺栓，兩類螺栓實物圖及尺寸如圖2所示。焊接板材為鍍鋅低碳鋼板材，厚度0.7 mm，板材凸臺能夠保證在焊接過程中板材具有足夠的剛度。

 

 

圖2 原螺栓與實驗螺栓結(jié)構(gòu)對比

 

內(nèi)飾塑料件安裝孔凹槽尺寸為 φ9.7 mm×2.7 mm 的圓形墊片，用于模擬內(nèi)飾件凹槽深度降低狀態(tài)，安裝孔徑為5 mm。使用圓形不銹鋼墊片進行測試，墊片具體尺寸如圖3 所示。

 

 

圖3 圓形墊片尺寸

 

1.2 試驗方法

1.2.1 不同擰緊形式的極限扭矩檢測

 

習近平總書記的重要講話，為廣東在新時代推動改革開放再出發(fā)進一步指明了前進方向、提供了根本遵循。我們要深刻認識習近平總書記重要講話的重大政治意義、現(xiàn)實意義和深遠歷史意義，堅決按照習近平總書記指明的方向謀劃發(fā)展，高舉新時代改革開放旗幟，以更高的政治站位、更堅定的信心、更有力的措施把改革開放不斷推向深入，不辜負習近平總書記的殷殷重托。

 

通過控制變量法分別對白車身螺栓專用套筒扭矩檢測、白車身總裝螺母扭矩檢測、白車身螺栓總裝內(nèi)飾件扭矩檢測3 種狀態(tài)下的螺栓進行極限扭矩檢測。

 

1.2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

 

螺柱焊的工藝參數(shù)主要包括極性、焊接電流、焊接時間和焊接提升高度。

 

1）極性：一般鋼制螺釘采用正極性接法，即工件接電源正極；

 

2）焊接電流與焊接時間：焊接電流主要取決于螺柱的公稱直徑。通常情況下，焊接電流為螺柱公稱直徑的100～120 倍，焊接時間取公稱直徑的4～5 倍。若焊接板材為鍍鋅板，為了保證好的焊接質(zhì)量，焊接電流需上浮20%；

 

3）焊接提升高度：提升高度一般為 0.8～2 mm，需結(jié)合實際焊接過程進行調(diào)試。當提升高度過大時，電弧引弧不穩(wěn)定，且易發(fā)生磁偏吹；提升高度過小時，易由于熔池飛濺產(chǎn)生短路而導致斷弧。

 

試驗設(shè)置了1 組試驗焊接參數(shù)，并生產(chǎn)了1個班次，對比了螺栓在總裝車間的脫落比例。試驗焊接參數(shù)及相鄰位置同類型、同板材螺栓參數(shù)值如表1 所示。

 

表1 試驗焊接工藝參數(shù)表

 

1.2.3 帶承力法蘭M5 螺栓試裝

 

如圖4 所示，對比了相鄰螺栓的總裝零件和車身的貼合關(guān)系發(fā)現(xiàn)，問題螺栓與相鄰螺栓總裝內(nèi)飾件安裝孔凹槽相比，問題螺栓凹槽深度為2.7 mm，正常螺栓凹槽深度為1.2 mm。去除螺栓端面厚度1 mm 后，正常螺栓與內(nèi)飾件幾乎無間隙，而問題螺栓與內(nèi)飾件存在1.5 mm 間隙。通過使用具有一定厚度法蘭的螺栓，消除螺栓與內(nèi)飾件間隙，在裝配擰緊時，螺栓法蘭會支撐內(nèi)飾件，避免車身板材被過度拉伸。

 

圖4 問題螺栓及相鄰螺栓內(nèi)飾件搭接截面對比

 

1.2.4 內(nèi)飾件凹槽增加墊片扭矩測試

 

試驗選用φ9.7 mm×2.7 mm 的圓形墊片，內(nèi)徑5 mm，每次擰緊前，將圓形墊片放入內(nèi)飾件凹槽中，之后將零件使用電動扳手3.5 Nm 進行裝配打緊。

 

2、試驗結(jié)果分析及驗證

 

2.1 不同擰緊形式扭矩檢測

白車身質(zhì)量環(huán)二（Quality Loop, QL2）和總裝車間不同方式的極限扭矩檢測如圖5 所示，結(jié)果表明：

 

圖5 不同擰緊形式扭矩檢測

 

1）使用套筒：扭矩值在達到10 Nm 時，板材無變形、裂紋等，說明焊接強度完全滿足設(shè)計要求（產(chǎn)品設(shè)計扭矩值為3.5 Nm）；

 

2）使用總裝螺母：扭矩在≥5 Nm 時，塑料螺母出現(xiàn)開裂或溢扣等，但板材無變形、裂紋等現(xiàn)象，說明螺母對焊釘?shù)袈錈o貢獻；

 

3）在直接安裝內(nèi)飾件時，板材在3.5 Nm 時即出現(xiàn)裂紋，扭矩在≥5 Nm 會造成焊釘脫落或者塑料螺母開裂溢扣，其原理如圖6 所示。

 

圖6 不同擰緊形式下螺柱及板材變化原理

 

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

工藝參數(shù)調(diào)整后，總裝車間掉釘率如圖7 所示。

 

圖7 參數(shù)調(diào)整前后缺陷率對比

 

從脫落螺栓和撕裂板材現(xiàn)象分析，螺栓根部無裂痕，撕裂發(fā)生在板材上，且板材表面能看到明顯的拉伸現(xiàn)象。懷疑板材由于過燒造成板材塑性變差，在擰緊過程中被拉伸撕裂。因此，降低焊接電流40 A，有利于降低板材過燒程度。但從結(jié)果來看，掉釘率反而急劇升高，主要出現(xiàn)螺栓脫焊，車身無撕裂孔洞現(xiàn)象。分析認為，焊接參數(shù)降低后，熱輸入量不足，導致板材和螺栓的熔化量不足引起焊接不良，形成脫焊，與板材撕裂失效模式不同。由此也說明，對于薄板焊接，焊接參數(shù)波動對焊接質(zhì)量影響很大，且可使用焊接參數(shù)區(qū)間小，無法從焊接參數(shù)優(yōu)化的角度進行薄板焊接質(zhì)量的優(yōu)化。澎守桃等[5]也對薄板螺柱焊焊接工藝進行了分析，主要從夾具優(yōu)化和背部支撐的角度探討了螺柱焊脫焊。

 

2.3 帶承力法蘭類型螺栓試裝

試驗選用一種帶有承力法蘭的M5 螺栓試裝測試。測試模擬了白車身的零件裝配情況，在車身側(cè)圍零件上進行焊接試裝，共試裝100 臺車，并進行內(nèi)飾件裝配測試。如圖8 所示，試裝測試過程中未出現(xiàn)螺栓脫落情況，說明了承力法蘭對內(nèi)飾件的支撐有利于避免零件的拉伸撕裂，形成良好的裝配效果。

 

圖8 帶承力法蘭類型螺栓試裝

 

該試裝螺栓法蘭接觸內(nèi)飾件凹槽，起到支撐作用。但實際批量生產(chǎn)過程會出現(xiàn)由于法蘭支撐內(nèi)飾件，改變內(nèi)飾件和車身的配合關(guān)系。（原狀態(tài)：車身+內(nèi)飾件貼合，螺栓變化后，螺栓法蘭與內(nèi)飾件貼合），需要充分驗證其螺栓安全性，同時物料配送需要周期長，考慮到實際生產(chǎn)狀態(tài)，該方案可實施性差。

 

2.4 內(nèi)飾件凹槽增加墊片扭矩檢測

試驗圓形墊片，模擬減小內(nèi)飾件凹槽深度狀態(tài)，裝配擰緊結(jié)果如下：

 

問題螺栓凹槽深度為2.7 mm，正常螺栓凹槽深度為1.2 mm。去除螺栓端面厚度1 mm 后，正常螺栓與內(nèi)飾件幾乎無間隙，而問題螺栓與內(nèi)飾件存在1.5 mm 間隙，通過增加1 mm 墊片進行填充，基本消除螺栓與內(nèi)飾件間隙。在擰緊過程中，圓形墊片會起到支撐內(nèi)飾件凹槽的作用，避免焊接面板材被過度拉伸。

 

3、結(jié)論

 

本文從機、料、法、測的角度對總裝工廠螺栓脫落問題進行了試驗分析。經(jīng)過系列試驗后，確定了總裝車間該M5 螺栓頻繁脫落的根本原因是初期產(chǎn)品設(shè)計問題，內(nèi)飾件凹槽過深，導致擰緊過程中板材過度拉抻，從而造成板材撕裂情況。本文通過焊接參數(shù)、螺栓類型變更測試、內(nèi)飾件變更模擬形式進行了分析，結(jié)果如下：

 

1）薄板螺柱焊焊接參數(shù)敏感性很強，需要選用輸出穩(wěn)定的設(shè)備進行焊接，通過板材撕裂和虛焊發(fā)生率確定最佳工藝參數(shù)；

 

2）螺栓選型需要考慮裝配件的形狀，尤其對于薄板焊接的螺栓，如果內(nèi)飾件裝配孔存在明顯凹槽，需要選用帶承力法蘭螺栓，避免板材過度拉伸；

 

3）裝配內(nèi)飾件設(shè)計時，考慮焊渣等問題，裝配孔設(shè)計了凹槽，但需要綜合考慮板材的焊接性，避免出現(xiàn)凹槽過深造成擰緊過程中的板材過度拉伸造成的脫焊。

 

來源：期刊：《汽車實用技術(shù)》 作者：劉少印，鄒尚博，郭東棟（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）