汽車車身緊固件焊接探析及應(yīng)用

汽車是一個集成了車身結(jié)構(gòu)、電子電氣、管路系統(tǒng)、內(nèi)外飾系統(tǒng)和底盤懸架系統(tǒng)等綜合性能結(jié)合體的裝置。其中車身結(jié)構(gòu)是整個裝置的基礎(chǔ)，其他子系統(tǒng)都是安裝在車身上的附屬裝置。附屬裝置需要通過安裝點(diǎn)固定在車身上，目前大多數(shù)都是通過螺栓連接固定，因此需要提前在車身相應(yīng)位置植焊螺柱或者螺母。螺柱焊是指將金屬螺柱或類似的其他金屬緊固件（栓、釘?shù)龋┖附拥焦ぜ系姆椒ā崿F(xiàn)螺柱焊的方法有電弧式螺柱焊、儲能式螺柱焊、電阻焊或凸焊等[1]。螺柱焊焊接設(shè)備比較簡單，工藝過程少，操作便捷。

隨著汽車工業(yè)和螺柱焊技術(shù)的不斷發(fā)展，螺栓連接固定已經(jīng)逐步替代了電弧焊、電阻焊或鉆孔等傳統(tǒng)連接工藝，發(fā)展為制造業(yè)中一種基本的熱加工方法[2]。本文從車身緊固件類型、規(guī)格應(yīng)用出發(fā)，對車身緊固件焊接工藝及常見缺陷進(jìn)行分析，總結(jié)緊固件的焊接工藝參數(shù)、焊接質(zhì)量要求及缺陷防治措施。文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

01 車身緊固件應(yīng)用文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

汽車緊固件一般指螺紋緊固件，結(jié)構(gòu)簡單，品種較多，主要包含螺柱、螺栓、螺母和螺釘?shù)取Ｔ谝惠v汽車上，緊固件的使用數(shù)量占到了全部零件的30%～40%，是汽車的主要連接件。總裝線上裝配汽車的過程，幾乎都是在裝配螺紋緊固件。為了減少開孔，保證汽車車身的密封性能，同時滿足整車子系統(tǒng)的安裝需求，約30%的緊固件需要提前焊接在白車身上。應(yīng)用于白車身上的焊接緊固件主要有焊接螺栓、承面凸焊螺栓、端面凸焊螺栓、焊接方螺母、焊接六角螺母以及焊接六角法蘭面螺母等，需要根據(jù)安裝點(diǎn)固定零件類型、扭矩等條件選擇相應(yīng)的緊固件。在上述緊固件類型中，螺栓類緊固件一般可以直接植焊在鈑金件上，無需開孔；而螺母類緊固件由于在總裝安裝零件時需要穿過螺栓，因此鈑金件上在焊接螺母的位置需要開一個光孔，孔的直徑比螺母螺紋的公稱直徑大0.5～1.0 mm。文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

02 車身緊固件的焊接工藝文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

2.1 螺柱焊接文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

螺柱焊接是將直徑2.0～25.0 mm 的螺柱或柱狀金屬，高效、低成本以及全斷面地熔合焊接在金屬表面的一種特種焊接工藝[3]。根據(jù)螺柱焊機(jī)工作原理的不同，一般將螺柱焊機(jī)分為儲能式螺柱焊機(jī)和拉弧式螺柱焊機(jī)兩大類。電容放電螺柱焊是以儲能電容快速放電產(chǎn)生的電弧作為熱源，這種焊接方法具有焊接時間短、無需保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，但是需要使用專用螺柱，因此應(yīng)用范圍較窄。在汽車制造行業(yè)應(yīng)用較多的是拉弧式螺柱焊機(jī)，這種焊接方式的前提條件是螺柱的端面與工件表面相互接觸，下面重點(diǎn)介紹拉弧式螺柱焊接設(shè)備和工藝。2.1.1 拉弧式螺柱焊接設(shè)備拉弧式螺柱焊機(jī)由焊接電源、控制器、地線鉗和焊槍組成（圖1），焊接電源一般為晶閘管控制或逆變式弧焊整流器控制。文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

大部分拉弧式螺柱焊機(jī)的焊接電源與控制器合并在一起，稱為主機(jī)[1]，作用是把電網(wǎng)電壓和電流調(diào)制成適合螺柱焊工藝需求的電壓和電流，同時驅(qū)動控制輸入和輸出。手動焊槍是螺柱焊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它通過線纜與主機(jī)連接，可以靈活移動，能夠適應(yīng)不同位置的焊接需求。控制面板左上角的紅色旋鈕是電源開關(guān)，開關(guān)右側(cè)的是參數(shù)顯示窗口，工作狀態(tài)下會顯示當(dāng)前的焊接參數(shù)。面板右下方是根據(jù)螺柱規(guī)格確定的焊接參數(shù)推薦表；面板最下面一排是輸入/輸出接口，用于連接輸入/輸出部件。文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

圖1 拉弧式螺柱焊接設(shè)備文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

2.1.2 拉弧式螺柱焊接工藝文章源自好焊孫輝博客 http://www.surpass-tech.com.cn好焊孫輝-http://www.surpass-tech.com.cn/weldgyzb/autoweld202411503.html

在實際生產(chǎn)中，一般選用短周期拉弧式的焊接模式，這種模式焊接可靠、效率高。其焊接過程可以分為3 個階段（圖2）。首先，起始電源穩(wěn)定之后，焊槍的電磁線圈會產(chǎn)生一個向上的電磁力，把螺柱提升起來離開工件表面，引燃起始電流的電弧。其次，焊接螺柱達(dá)到其回程高度后，主焊接電流把電弧強(qiáng)化，從而熔化螺柱端面和工件表面。最后，電弧在工件上以及螺柱端面生成一個熔池，焊槍內(nèi)部的壓縮彈簧把焊接螺柱壓入熔池，熔池冷卻后焊接螺柱就固定在工件上了。

圖2 短周期拉弧式螺柱焊接過程

拉弧式螺柱焊接工藝參數(shù)一般包括焊接時間、螺柱焊的提升高度、焊接電流、凸出焊接的長度以及緩沖等[4]。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的焊機(jī)已經(jīng)把參數(shù)進(jìn)行了整合匹配，如螺柱提升高度、凸出焊接長度、緩沖等參數(shù)與焊接電流匹配，因此，實際生產(chǎn)中一般只需要調(diào)整焊接電流和焊接時間這2 個參數(shù)。焊接參數(shù)一般根據(jù)螺柱直徑選擇，表1所示為生產(chǎn)實踐總結(jié)的常用螺柱規(guī)格焊接參數(shù)。

表1 常用螺柱規(guī)格焊接參數(shù)表

2.1.3 螺柱焊質(zhì)量檢查及常見缺陷處理

螺柱焊質(zhì)量檢查一般包括外觀檢查及非破壞檢查。外觀檢查主要是檢查螺柱與工件的焊接區(qū)域的焊接情況，通過目視方法檢查熔合是否良好、螺紋上是否有飛濺。非破壞檢查是為了檢查螺柱焊接是否牢固，然后用橡膠錘把焊好的螺柱往一個方向敲到45°，再檢查螺柱根部與工件是否開裂。如果不開裂，即質(zhì)量合格，最后再用橡膠錘把螺柱敲回到原來的位置。常見的螺柱焊缺陷類型有飛濺、焊瘤、氣孔、開裂、焊穿、假焊、未熔合和螺柱不垂直等[2]。產(chǎn)生缺陷的原因主要有焊接參數(shù)不合理、板材表面有油污雜物、焊槍不垂直、設(shè)備分流或搭鐵不良等。螺柱焊常見缺陷類型及對應(yīng)的解決方法如表2所示。

表2 螺柱焊常見缺陷及解決方法匯總

2.2 螺母凸焊

2.2.1 凸焊設(shè)備

螺母焊接一般采用凸焊機(jī)進(jìn)行焊接，凸焊屬于電阻焊的一種。采用凸焊可以做到所有螺母焊接位置一致，焊縫強(qiáng)度均勻、美觀和牢固，同時可做到不傷及螺紋，不降低螺紋精度[5]。圖3為某固定式交流凸焊機(jī)示意圖，其結(jié)構(gòu)主要包含機(jī)身、加壓系統(tǒng)、二次回路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、變壓器和控制系統(tǒng)。

圖3 某凸焊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 螺母凸焊工藝及質(zhì)檢方法

在汽車白車身上常用的螺母類型有六角螺母和焊接方螺母。其中六角螺母分為A 型和B 型，兩者區(qū)別是：A 型六角螺母有定位凸臺，B 型六角螺母沒有定位凸臺。焊接方螺母有4 個較高的凸點(diǎn)，可以保證較高的焊接強(qiáng)度。螺母凸焊的焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、焊接時間和焊接壓力，一般根據(jù)螺母規(guī)格、工件板厚選擇合適的參數(shù)進(jìn)行焊接。下面介紹低碳鋼螺母常用焊接參數(shù)，這些參數(shù)是在做了大量試驗及生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的（表3）。表3 螺母凸焊推進(jìn)焊接參數(shù)

螺母凸焊的工藝如下：首先，根據(jù)焊接螺母的規(guī)格從參數(shù)表中選擇對應(yīng)的參數(shù)組合調(diào)節(jié)好設(shè)備；再把工件和螺母放在焊機(jī)電極上定位好，踩下踏板完成焊接。焊接完成后，需要對焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查。檢查時先是目視檢查外觀質(zhì)量，然后用扭矩扳手?jǐn)Q緊配套的螺栓。當(dāng)扭矩達(dá)到設(shè)計值后，檢查螺母是否有松動脫焊現(xiàn)象，如沒有松動，說明焊接質(zhì)量合格。2.2.3 螺母凸焊常見缺陷分析及預(yù)防措施螺母凸焊屬于電阻焊的其中一種，因此螺母凸焊的缺陷和電阻焊的缺陷類似，主要有虛焊、氣孔、焊穿、過燒以及螺紋內(nèi)粘附焊渣等。虛焊，表現(xiàn)為螺母與工件接觸部位的表面形成了熔核，但內(nèi)部沒有焊透，在外力的作用下很容易導(dǎo)致螺母松動脫離工件。出現(xiàn)這種缺陷的主要原因是焊接參數(shù)不合，焊接電流過小或者焊接壓力過小都會導(dǎo)致焊接不牢形成虛焊（圖4）。為了防止出現(xiàn)這種缺陷，需要在焊接前根據(jù)螺母規(guī)格和工件板厚正確選取焊接參數(shù)組合，并且對焊機(jī)進(jìn)行調(diào)試復(fù)測。

圖4 虛焊缺陷

焊接后目視檢查螺母與工件接觸的部位，如果發(fā)現(xiàn)有蜂窩狀的現(xiàn)象，這就是氣孔。導(dǎo)致氣孔的原因主要是因為工件表面存在油污雜物，影響焊接過程的冶金反應(yīng)。因此在焊接前要對工件表面進(jìn)行清潔，這樣可以有效預(yù)防氣孔的產(chǎn)生。焊穿和過燒主要是由于焊接電流過大所導(dǎo)致，也有可能是因為焊接壓力不足，導(dǎo)致焊接過程中螺母與工件接觸不良，從而形成瞬時局部大電流產(chǎn)生大量的熱量灼傷工件和螺母（圖5）。針對這種情況，也是需要正確選用焊接參數(shù)組合和調(diào)試好焊接設(shè)備。

圖5 焊穿和過燒缺陷

螺紋內(nèi)粘附焊渣是由于當(dāng)螺母和母材被急劇加熱，焊核周圈未完全封閉時金屬發(fā)生氣化，內(nèi)部壓力過大造成焊接時產(chǎn)生飛濺，形成焊渣粘附在螺紋內(nèi)。當(dāng)電極壓力過小或電流過大時易引起飛濺，從而在螺母內(nèi)部形成焊渣。

03 工程應(yīng)用

下面以某項目車型前圍板的緊固件焊接進(jìn)行實際工程應(yīng)用舉例。該車型前圍板上需要植焊3 種螺栓和1 種螺母（圖6）。

圖6 前圍板焊接緊固件示意圖

植焊螺栓使用拉弧式螺柱焊接方法，螺栓的規(guī)格有M5 和M6 兩種。根據(jù)前文表1所述的參數(shù)規(guī)范，焊接M5 螺栓時的焊接電流為400 A，焊接時間為50 ms。焊接后對螺栓進(jìn)行敲擊檢驗，螺栓沒有脫焊，質(zhì)量合格（圖7）。

圖7 前圍板螺栓植焊

植焊螺母采用凸焊方法，螺母的規(guī)格為M6，焊接在板厚1.2 mm 的支架上。根據(jù)螺母公稱直徑與工件光孔的同軸度要求，光孔的直徑設(shè)計值為φ7.0 mm（圖8）。按照前文表3所述的參數(shù)規(guī)范，選用如下的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接：焊接電流為11 kA，焊接時間為10 個周波，焊接壓力為2.4 kN。焊接后先檢查外觀質(zhì)量，再用扭矩扳手?jǐn)Q緊螺栓，待扭矩達(dá)到設(shè)計值后停止，檢查焊接部位沒有松脫，質(zhì)量合格（圖9）。

圖8 工件光孔直徑數(shù)模設(shè)計值

圖9 前圍板支架螺母植焊

本文主要對汽車車身緊固件的焊接進(jìn)行了分析，總結(jié)了常用的汽車車身緊固件類型，并在此基礎(chǔ)上引出焊接緊固件的概念。接著，從焊接設(shè)備、焊接工藝、質(zhì)檢方法及常見缺陷類型和預(yù)防措施三個方面詳細(xì)介紹了短周期拉弧螺柱焊和螺母凸焊，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)出不同規(guī)格緊固件的螺柱焊和螺母凸焊焊接參數(shù)組合和質(zhì)量檢測方法，針對不同類型的焊接缺陷分析其產(chǎn)生原因并給出相應(yīng)的預(yù)防措施。最后，以某車型前圍板上的緊固件焊接為例，闡述了螺柱焊和螺母凸焊的工程實踐應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

通過分析總結(jié)，得到以下結(jié)論：①無論是短周期拉弧螺柱焊還是螺母凸焊，都要根據(jù)緊固件的規(guī)格選擇匹配的焊接參數(shù)組合進(jìn)行焊接；②焊接電流、焊接時間和焊接壓力是緊固件焊接的主要焊接參數(shù)；③可以使用目視方法、錘擊方法和扭矩檢測法對焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查；④常見的焊接缺陷可以通過匹配調(diào)整焊接參數(shù)及清潔工件表面預(yù)防消除。