车架焊缝质量改进方法

张鹏

（长城汽车股份有限公司徐水哈弗分公司）

车架作为汽车的承载基体，一般用于商用车、皮卡和具有较强越野功能的SUV车型。由于车架使用的钢板较厚，一般采用气体保护焊焊接或铆接。在使用CO2保护焊焊接过程中产生的氧化物会造成焊缝表面涂装质量变差，防腐效果远不及车架基材，因此必须通过技术方法制定合理的焊接工艺，消除表面氧化物，提高车架焊缝的防锈能力。

1 车架制造工艺及存在问题

SUV、皮卡车架的基材主要有汽车大梁用热连轧钢板、碳素结构钢及汽车结构用热连轧钢板等。焊接工艺使用CO2保护焊，焊丝一般采用型号为ER50-6的焊丝，保护气体为工业用CO2。涂装工艺需符合“QC/T 484—1999汽车油漆涂层”的要求，涂装工艺选用防腐能力较好的阴极电泳漆[1]。

但在实际生产过程中，焊接氧化物随着焊接的过程产生，外观为柿黄色、漆片松香状，如图1所示。经试验室检验，主要成分为Si和Mn元素，用万用表测量，氧化物为非导体，附着于焊缝表面，对焊缝能够起到防锈保护作用。由于不导电，故在电泳时表面无电泳漆。但在汽车使用过程中，氧化物受颠簸振动脱落，露出焊缝基材从而造成焊缝锈蚀。焊接氧化物的增加是Si和Mn烧损增加的表现，不但影响车架的涂装效果，而且会使焊缝金属力学性能降低，造成焊缝强度降低。

2 焊接氧化物的产生原因

焊接氧化物的主要成分为MnO和SiO2，它的产生与焊丝、母材中Si和Mn的质量分数及保护气体的氧化成分有关，而Si和Mn作为焊丝中的脱氧元素，是有益元素。当使用CO2气体保护焊时，CO2气体受热分解，直接对Si和Mn进行氧化，生成SiO2及MnO熔渣浮于表面，CO从液体金属中逸出。同时Si和Mn作为焊丝中的脱氧元素把Fe从FeO中置换出来而自身被氧化，其产物MnO及SiO2的混合物浮出熔池形成熔渣[2]。

3 问题的分析及解决

3.1 目标设定

通过与进口、合资的部分品牌的非承载式SUV车型进行对比，同样存在焊接氧化物，但面积要小。为此，以进口品牌车型为标杆，根据产品定位，将目标确定为：单个焊接氧化物面积不超过0.15 cm2；长度为1 m的焊道，面积超过0.1 cm2的焊接氧化物数量不超过2个。因焊接氧化物对表面进行保护同样可保证耐腐蚀性能，故增加平行目标，焊道处抗石击性能不低于其他电泳部位（试板电泳膜厚为 20 μm）[1]。

3.2 问题产生原因分析

通过使用特性要因图工具，如图2所示，从“人机料法环”着手，对产生焊接氧化物问题的主要原因分析如下：焊接人员技能不熟练，造成焊接氧化物分布不均；焊接设备的工艺参数匹配问题；使用的焊丝含Si和Mn较高；使用的CO2保护气易氧化Si和Mn；车间施工环境对焊接的影响；缺少去除氧化物的方法和设备。

3.3 问题的解决措施

分析出焊接氧化物产生的主要原因后，使用TRIZ理论，运用物-场模型一般解法来解决问题。

3.3.1 确定相关的元素（第1步）

根据冲突问题的分析，确定相关的元素为：S1（焊接形成的焊缝）；S2（焊接氧化物）；S3（焊接过程，包括人机料法）；F1（氧化物附着于焊缝上的机械力）；F2（硅、锰氧化产生焊接氧化物的化学能）。

3.3.2 联系问题情形 确定并完成物-场模型的绘制（第2步）

本问题是一个串联的物质-场，属于在物-场模型类型中的“有害效应的完整模型”和“效应不足的完整模型”，对应模型，如图3所示。

3.3.3 选择物-场模型的解法（第3步）

1）对有害效应的完整模型的解法是：a.加入第3种物质S4，用来阻止有害作用，S4可以是通过S1或S2改变而来，或者是S1和S2共同改变而来，如图4所示；b.增加另外一个场F3来抵消原来有害场F1的效应，如图5所示。

根据对冲突问题的分析，将技术冲突问题一般化，使用39个通用工程参数中的第31项“物体产生的有害因素”，对应40项发明中的第18项“振动”、第37项“热膨胀”及第40项“符合材料”。得出方案为：S4（焊缝涂布防锈产品）；F3（机械力，采用人工打磨的方法）；F3（机械力，采用抛丸、喷砂去除氧化物）；F3（热能，局部高温处理）；F3（化学能，酸洗）。

2）对效应不足的完整模型的解法是：a.增加另外一个场F4来强化有用的效应和，如图6所示；b.用另一个物质S5代替原来的物质S3，如图7所示。

根据对冲突问题的分析，使用39个工程参数中第29项“制造精度”，对应40项发明中的第35项“参数变化”、第36项“状态变化”、第39项“惰性环境”及第40项“符合材料”。从“人机料法”改善方向得出方案为：S5（更换焊丝或控制焊丝中硅、锰的质量分数）；S5（将CO2保护焊改为MAG焊）；S5（提高操作人员的技能）；F4（电能，匹配合适的焊接参数）。

以上方法对去除焊接氧化物都是有效的，通过验证获得了各种改善方法的实施效果、施工条件、成本投入及优缺点，如表1所示。

表1 去除焊接氧化物改善方法验证结果

经过综合分析各方案得到的较优方案有：将CO2保护焊改为MAG焊；焊接参数匹配；提高人员技能。

将CO2保护焊改为MAG焊的方案是将保护气体由 CO2改为“Ar+CO2”（Φ（Ar）=80%，Φ（CO2）=20%），使焊接氧化物的面积大幅减小，明显改善焊道的防腐性能，且在此前提下单个车架成本增加较低。同时混合气体为富氩混合气体，可用低锰、低硅焊丝，来进一步降低氧化物的产生。由于车架属于大批量生产，一般采用专用的气体存储罐。使用混合气体焊接，需增加氩气储存罐和配气柜等设备，配气柜的流量通常按“0.6～0.8 m3/枪”配备。

使用DOE试验设计方法，通过试验找出较优的焊接匹配参数，优化焊接性能，如表2所示。同时通过培训提高人员焊接技能，保证焊接稳定性。

表 2 Ar＋CO2混合气体保护焊参数表（Φ（Ar）=80%，Φ（CO2）=20%）

4 实施效果

在对保护气体切换后，焊接氧化物的面积大幅减小，在对产品市场跟踪后，经检测单点表面腐蚀的面积不超过0.1 cm2，深度不超过0.1 mm（与标准厚度的用于校准膜厚仪的膜片进行比较），实现了预期目标。焊接后效果，如图8所示。

5 结论

文章将TRIZ理论应用在车架焊缝质量改进设计过程中，利用TRIZ理论中“冲突的分类”找到问题核心，并应用TRIZ理论物-场模型解决方法，快速高效地解决了问题。TRIZ理论的研究与广泛应用，不仅为快速解决制造领域的工程技术问题提供了方向和思路，还消除了解决问题的知识局限性，确保进入市场的汽车品质稳定，具有广阔的应用前景。