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螺柱焊缺陷分析

2015-09-04张彭陈国强魏普张涵

汽车工程师 2015年6期
关键词:焊机焊枪制件

张彭 陈国强 魏普 张涵

(长城汽车股份有限公司技术中心;河北省汽车工程技术研究中心)

螺柱焊是将螺柱一端与板件(或管件)表面接触,通电引弧,待接触面融化后给螺柱一定的压力形成牢固连接的工艺方法,螺柱焊分为储能式螺柱焊和拉弧式螺柱焊,汽车行业应用最多的是拉弧式螺柱焊。螺柱焊焊接缺陷的原因是多方面的,需要对各影响因素熟悉了解,从而更好地找到问题真因,快速解决问题。

1 螺柱焊焊接质量影响因素分析

1.1 焊接工艺参数

螺柱焊的焊接参数主要为焊接电流I和通电时间T,一般螺柱焊接端面直径与焊接电流的管线为I=(φ+1)×100 A,与焊接时间的关系为T=φ×4 ms,螺柱焊接端面直径以mm计算,如果是镀锌板,在此基础上焊接电流和通电时间各增加10%,过大的工艺参数导致焊接熔池过大,形成焊瘤或焊穿,螺柱焊接强度反而下降,若工艺参数较小,焊接熔池小,易导致虚焊。

以M5,M6螺柱为例,M5的螺柱端面直径尺寸一般为 6 mm,焊接电流 I=(6+1)×100 A=700 A,通电时间T=6×4 ms=24 ms。M6的螺柱端面直径尺寸一般为7.5 mm,焊接电流 I=(7.5+1)×100 A=850 A,通电时间T=7.5×4 ms=30 ms。

螺柱焊焊接电流与通电时间互相补充,通常选用大的焊接电流,小的通电时间,俗称强规范进行焊接,强规范能够快速形成熔池,减少热量损失,焊缝成型好,一般不建议使用弱规范进行焊接。

1.2 螺柱焊工装夹具的影响

1)螺柱焊夹具的影响只针对人工螺柱焊,人工螺柱焊依靠螺柱焊夹具导套进行定位焊接,在焊接过程中夹具导套的直径直接影响焊接质量。合理的夹具导套直径能够保证焊枪焊接时与制件的法向垂直,如图1所示。如果螺柱焊导套直径过大,会导致在螺柱焊操作时焊枪与制件不垂直,造成引弧不良或偏弧焊接,螺柱焊接质量差,易掉落,同时也会导致螺柱位置精度发生变化,如图2所示,所以对螺柱导套的直径需严格控制。通常导套的磨损量大于0.5 mm时需要更换,以保证螺柱位置精度及焊接质量。

为保证螺柱焊接时与制件的法向垂直,夹具设计过程中可采取夹具导套上端面与焊枪端面基本平齐的方法,夹具导套上端面与焊枪端面存在间隙时,不能保证焊枪焊接时与制件垂直,如图3所示。反之,夹具导套上端面与焊枪端面贴合,可保证焊接过程焊枪与制件垂直,得到好的焊接质量,如图4所示。

2)夹具结构及材料的影响。在工件上的一侧聚集铁磁材料时,由于铁磁材料的导磁性能比空气要好,电弧的方向会朝向铁磁性物质的方向,通常夹具制造以铁为主,如果夹具设计螺柱排布紧密,铁磁性物质比较集中,极易导致偏弧现象的发生,使焊接熔核不均,如图5所示。解决方法为:a.更改夹具结构,分布铁磁性物质,减少铁磁性物质集中,如图6所示;b.更改夹具材质,使用没有铁磁性物质材料,如铜或者铝,如图7所示。

3)夹具导套结构的影响。夹具设计过程中为保证制件能够顺利取出及夹具的功能性,夹具螺柱焊导向套设计不为圆形,而是存在一定的缺口设计,较小的缺口对螺柱焊定位无影响,通常夹具导套缺口尺寸不得大于整圆的1/4,如图8所示。但是缺口过大时(缺口尺寸大于1/4),如图9所示。螺柱焊枪作业时也保证不了操作的垂直度,会导致偏弧、焊接不良及螺柱位置偏差。

4)螺柱焊焊接方向的影响。对于板材较厚的车身件,需要的焊接参数较大,形成的熔池大,在重力作用下熔池会发生偏移,导致焊缝不均,在夹具设计时要考虑螺柱的焊接方向。当焊接方向与重力方向成90°时,易使熔池在重力作用下发生偏移,导致焊缝不均,焊接强度降低,如图10所示。当焊接方向与重力方向一致时,会形成均匀的焊缝,如图11所示。

1.3 螺柱及制件表面质量的影响

螺柱焊表面处理方式通常分为2种,一种为表面涂防锈油,减少螺柱锈蚀,如图12所示。实验证明油污对螺柱焊引弧过程影响很大,制件及螺柱表面过多的油污会导致焊接引弧困难,造成焊接不良,所以对于制件及螺柱表面要求是比较严格的。另一种为螺柱表面采用镀铜或镀铬处理,如图13所示。镀铜或镀铬处理不仅提高其焊接导电性,而且起到防锈蚀的作用,使螺柱焊接过程更稳定,提高焊接质量。

1.4 螺柱焊设备的影响

螺柱焊机输出电流的稳定性,直接影响焊接质量。相对而言,逆变整流焊机有更稳定的电流输出,螺柱焊提升高度设定不合理会导致引弧不良,提升高度标准为1.5~2 mm,一般要求下可以满足焊接要求。

1.5 地线布置的影响

地线布置符合对称的原则,且地线接触良好,对称的布置能够减少电弧因电磁场的影响而导致的偏弧现象,一般的螺柱焊机地线至少有2根,根据实际需要可以增加,地线与制件连接的部位最好使用铜块接触,以保持良好的导电性。

2 应用案例分析

前围下横梁总成制件在焊接过程中出现较大焊瘤,导致总装无法进行装配,如图14所示。影响因素分析,如图15所示。

2.1 原因分析

1)焊接工艺参数偏大,导致焊接熔池过大;

2)柱焊提升高度大,范围为1.5~2 mm,螺柱提升高度越大,电弧引弧过程越不稳定,易产生偏弧;

3)铁磁性物质及地线的连接导致焊接磁偏吹;

4)螺柱焊机输出电流不稳定,影响焊接质量;

5)焊接角度不垂直,导致焊接熔池不均,产生较大焊瘤。

2.2 整改措施及效果

1)现场使用焊机为可控硅焊机,由于板材较厚,需更换为逆变整流螺柱焊机,提高焊接质量稳定性;

2)使用螺柱焊枪,螺柱提升高度为2 mm,考虑铁磁性物质及焊接位置的影响,必须压低电弧来减少焊瘤,螺柱提升高度降低为1.5 mm;

3)更改夹具结构,焊枪焊接时使焊枪拖面与夹具导套上平面贴合,提高工人操作稳定性,减少不垂直操作;

4)将铁磁性物质密集区域更改为铝型材,减少铁磁性物质的影响。

经过以上整改,螺柱焊焊接质量满足工艺要求,螺柱焊熔池均匀,螺柱焊焊瘤缺陷消除。

3 结论

综上,螺柱焊焊接缺陷的产生是多种影响因素共同作用的结果,从产品设计到焊接工装设计、焊接参数设计、螺柱的表面处理方式及焊接设备的选型等各个环节进行控制,才能得到良好的焊接质量,从现场调试过程中需要注意总结设计中的不足,及时改正并横展至后续车型开发中,在前期设计对产生螺柱焊缺陷的因素进行规避,缩短白车身开发调试周期,降低车型的开发成本。

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