摘要：螺柱焊是汽車制造中的一項重要焊接技術，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量的統計，得到焊接質量發生頻次最高的焊釘。著重從焊接設備、物料和焊接參數三方面分析發生掉釘的原因。焊接設備是決定焊接質量穩定性的關鍵因素，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。在保證設備穩定、焊釘與板材的垂直度合格的情況下，優化現有參數。設置不同的焊接電流和時間，對比焊接外觀狀態和掉釘數量，采用最優方案，使用到實際生產中，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點，逐漸替代了汽車制造中的鉚接、攻螺紋、鉆孔等連接技術，廣泛地應用在汽車車身的焊接工藝中[2-3]。
隨著汽車制造業的飛速發展，車身輕量化已成為未來發展的重要趨勢，鋁制零件已越來越多地應用到車身中來。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，是保證焊釘強度合格的重要因素，而確保焊接設備穩定運行，決定了焊釘質量的穩定性。
在生產過程中，前輪腔鋁釘焊接質量長期處于不穩定狀態。通過記錄抽檢和總裝裝配時焊釘掉落的數據，統計出現問題的焊釘和掉釘數量。對掉釘頻次高的焊釘進行優化調整。經過幾輪調整之后，大部分焊釘處于比較穩定的狀態。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查研究。
1、鋁螺柱焊原理
鋁螺柱焊采用TUCKER公司生產的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、凝結拔槍六個步驟。（1）接觸，焊釘接觸板材后，發出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，焊槍發出引弧電流，焊釘向上提升，產生電??；（4）熔化，焊槍發出焊接電流，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，整個焊接過程結束，如圖2所示。
圖2 鋁螺柱焊焊接過程
2、問題描述
對掉釘的具體信息進行分析，查找掉釘數最多的焊釘，針對該焊釘進行研究，查找并優化影響焊接的因素，降低掉釘數量。統計發現，前輪腔弧面鋁板焊釘掉釘數量明顯高于其他焊釘，占總掉釘數的50%左右，該焊點掉釘數量如圖3所示。該位置的焊釘發生掉釘后，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 月度掉釘統計
3、問題分析
3.1 鋁螺柱焊焊接質量影響因素
焊釘的用途是裝配總裝零件，裝配時有特定的扭矩要求，所以對焊釘的考核主要為扭矩值測試，焊釘的焊接強度不足是出現的主要質量問題。影響鋁螺柱焊焊接質量的因素主要包括以下三個方面。
3.1.1 焊接參數
螺柱焊的焊接參數主要有提升高度，焊接電流，焊接時間。焊接參數的設置，對焊接質量有最直接的影響。提升高度決定了焊接時電弧的長度和穩定性。電弧越長，越易發生磁偏吹、電弧不穩定或焊接氣孔等問題；電弧越短，越容易發生短路，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，也越易發生板材熔穿。
3.1.2 焊接設備
焊接設備的穩定性和精確度對焊接質量穩定有重要作用。焊接質量不穩定，一般為焊接設備不穩定或不能按照參數的設置執行造成的。焊槍的清潔、良好的導電性、穩定可靠的提升馬達、位置控制精確地夾頭和頂針、充足穩定的保護氣體是保證焊接質量穩定的主要因素。
3.1.3 零件狀態
零件的狀態是指焊接位置零件的潔凈度和尺寸穩定性。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定后就會穩定輸出，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。零件尺寸的穩定性影響著焊釘垂直度的穩定性，對焊接質量也有明顯的影響。
3.2 根本原因分析
觀察扭矩不足焊釘的斷面，如圖4、圖5所示。焊釘有明顯虛焊的特征，熔化深度不足，熔池未包覆焊釘底座，導致扭矩值不足。
圖4 焊釘斷面
圖5 焊釘熔池未包覆底座
從人、機、料、法、環五個方面歸納可能影響焊接質量的因素，進行逐一檢查，如圖6所示。在實際生產中，焊接過程為全自動化生產，人和環境對焊接質量影響很小。這五個方面中，機、料、法三方面對焊接質量影響比較大，以下針對這三方面進行分析。
圖6 焊接質量影響因素魚骨刺圖分析
3.2.1 焊接設備分析
焊接設備問題需要從兩方面檢查。一方面是從監控參數來看，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。經過檢查焊接記錄發現，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，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。檢查發現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，發現地線接頭處發生斷裂，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。對焊釘的底座表面檢查未發現異常。板材為鑄鋁件，經過鋁清洗，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，電壓處于穩定狀態，未發現超差現象，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生變化，直接影響焊接質量，如圖11所示。
圖11 滅弧罩焊渣
4、設備參數分析
對現場焊釘狀態進行檢查，發現焊釘底座有一半高度被熔池包覆，且四周均勻分布。從外觀來看，焊接狀態良好，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。對于這種狀態的焊釘，在總裝依然有掉釘反饋。
圖12 現場焊釘狀態
檢查焊釘斷面狀態，發現焊釘底座四周有明顯熔化金屬包覆，而中心區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，會出現四周接觸，中心懸空的現象，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，焊釘底座和板材金屬同時熔化，電弧穩定一段時間后，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，導致結合強度不足。
圖15 焊釘與板材焊接后示意圖
根據斷面可以推斷，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，則能夠提升焊釘的連接強度。于是進行以下參數優化實驗，通過測試不同焊接電流和時間，對比其熔池狀態，以及總裝和抽查質量問題的統計，確定焊接質量最優的參數，如表1所示。
表1 參數調整方案
表1中五種焊接參數對應的熔池。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，少量焊釘出現小氣孔；增大電流之后，熔池發生了明顯的飛濺，如圖16所示。
圖16 不同焊接參數下熔池狀態
5、結果分析
采用不同的方案進行批量生產實驗，每種焊接參數各使用6天，共12個班次生產。掉釘次數統計如表2所示。
表2 焊接方案掉釘次數統計
在一周的生產中，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。于是將設備參數設置為方案2，在實際生產中使用。經過之后一個月的統計，未發現該焊釘掉落，如圖17所示。
圖17 月度掉釘統計
通過對焊槍部件的檢查，將關鍵部件清潔和維護，列入現場工人的日常檢查中，減少了焊接時的不穩定因素。焊釘的垂直度也是影響焊釘質量的重要因素，由于車身焊釘數量有400多個，很難逐個檢查，所以有掉釘反饋時，應檢查該焊釘與板材的垂直度。
從焊接熔池可以憑經驗預估焊接質量，在平面板材上，該焊釘熔池包覆焊釘底座一半深度，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，但是易發生熔池飛濺。適當的焊接電流和時間是獲得良好焊接質量的關鍵因素。
6、結論
本文通過對前輪腔鋁制焊釘焊接質量問題的分析，歸納了影響焊接質量的主要因素為焊接設備、垂直度和焊接參數。本文涉及的焊釘，焊接在非平面板材。按照經驗來看，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，而出現焊釘中心熔合不足的現象。經過試驗，得到焊接熔池和強度最合適的焊接參數，經過生產驗證，掉釘率明顯降低，得到了良好的效果。這種參數設置方法，也可應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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