汽车焊接毛刺发生真因的探讨*

苏建彬

汽车焊接毛刺发生真因的探讨*

苏建彬

（福州职业技术学院，福建 福州 350108）

汽车白车身中焊接生产中出现毛刺是汽车焊接中最常见的质量问题之一，对毛刺发生的真因进行探讨与解决有助于提高汽车焊接质量。文章对某汽车制造主机厂焊接车间汽车焊接毛刺发生真因进行探讨，给汽车制造主机厂提供了理论依据，可为降低焊接毛刺的发生提供有效的改善方向。

汽车焊接；焊接质量问题；毛刺

前言

自汽车问世来，已经有200多年的发展历史，给人们生活带来极大的便利。随着汽车工业业的不断革新和发展，汽车产业已经成为我国第二大产业，是我国的主要经济支柱[1]。人们对汽车性能与质量要求越来越严格，特别是汽车的安全性。汽车市场竞争的日益剧烈，让主机厂不得不对产品质量的把控越来越严。汽车白车身一般是由200多个分离的钣金件在焊接车间生产线上快速大批量装夹定位焊接而成，整车的焊点多达4000-5000个，因此点焊质量的好坏直接关系到汽车整车质量与安全性能[2]。而出现毛刺是汽车焊接中最常见的质量问题之一，对毛刺发生的真因进行探讨与解决有助于提高汽车焊接质量。

1 汽车车身电阻焊常见质量问题

目前国内外焊接技术，除了传统的焊接技术外有：激光钎焊、激光熔焊、激光复合焊、摩擦搅拌点焊[3]等。在汽车主机厂焊装车间汽车车身焊接中运用到的焊接技术主要有电阻焊、气体保护焊、氩弧焊、激光拼焊、气焊等，这些焊接方法中运用最广泛的是电阻焊，电阻焊主要是利用电阻热将分离的钣金件焊接组立在一起。

在汽车车身焊接生产中，不管是机器人作业还是人工作业，都仍然存在许多焊接质量问题。如在电阻点焊生产中经常会出现的焊接质量问题有：焊点出现烧穿、焊穿、虚焊、脱焊、毛刺、飞溅、焊点小等[4]。这些焊接缺陷会使焊接生产合格率降低增加废品率，从而导致汽车主机厂造成资源浪费增加生产成本。所以如何降低焊接质量问题的发生率，成为所有汽车主机厂焊装车间最需要攻坚的难题，提高焊接质量控制生产成本是当今汽车市场竞争选择的结果。发现焊接问题弄清问题本质解决焊接问题，改善焊接工艺，是汽车主机厂焊接车间未来重点工作。

2 汽车车身焊接毛刺的定义、种类及危害

2.1 毛刺的定义

点焊过程中熔化金属飞向熔池之外，冷却后形成的余屑和表面细小的金属颗粒，这些被称为毛刺，如图1所示。

图1 毛刺

2.2 毛刺的种类

外部毛刺和内部毛刺，如图2所示。

图2 毛刺种类

2.3 毛刺的危害

毛刺的产生会引起很多不良的后果，如毛刺不但影响整车美观还会刺伤客户，发生车身渗水腐蚀缩短汽车使用寿命，焊点强度降低从而使整车焊接质量乃至安全性能大大降低。所以说汽车白车身焊接中出现毛刺是不被允许的。

3 毛刺产生的原因

3.1 产生毛刺的本质原因

3.1.1 内部毛刺的产生

（1）熔核和塑性环未形成。焊件接触面急剧加热的金属气化，并以飞溅的形式喷向板间缝隙，称为前期内部飞溅；如图3所示：

（2）熔核和塑性环形成后不断向外扩展。当局部电阻热急剧变大时，熔核沿径向的扩展速度大于塑性环扩展速度时，产生后期板间毛刺。

3.1.2 外部毛刺的产生

当局部电流密度增大，电阻热过大使熔化核心轴向增长过高，在电极压力的作用下，液态金属冲破塑性环向表面喷射，外部毛刺形成。

图3 电阻点焊熔核和塑性环未形成（左）

（1—熔化核心；2—塑性环）

图4 电阻点焊熔核和塑性环形成后不断向外扩展（右）

（1—熔化核心；2—塑性环）

因此，焊接过程瞬间过大的局部电阻热量会导致毛刺形成。

3.2 电流密度对毛刺产生的影响分析

当电极头与钣金件、钣金件与钣金件间接触面积发生变化时，通过横截面的电量会变的不均匀，为了研究这些因素对电阻热的影响，本人设计了一个单因素实验，主要研究当汽车车身电阻焊焊接电流为定值时，通过被焊接的钣金件的电流密度与接触面直径之间的关系。

引入电流密度概念：

J电流密度 (A/mm ) 、I电流值（A）、S接触面的截面积 (mm )，J=I/S

由公式可知：

①电流变大，电流密度变大。

②接触面积减少，电流密度急剧增大。

汽车车身电阻焊焊接电流为10000A，实验结果如下表1：

表1

将试验数据导入design-expert进行模拟并制图得到，当汽车车身电阻焊焊接电流为10000A时，不同接触面直径与电流密度之间的关系如图：

由图可得出当接触面直径从Φ6.0mm 减少到Φ3.0mm时，电流密度增加了约297%。由此可得出结论当接触面积变小，电流密度剧增，使接触电阻瞬间产生局部过高的电阻热，导致毛刺形成。也就是说，毛刺的发生率跟通过被焊接钣金件的电流密度成正相关关系。

3.3 实际作业中导致毛刺产生的原因

汽车车身焊接电阻焊毛刺质量问题的产生不但存在客观因素在实际作业中也有很多因素导致毛刺的产生。主要因素有：人员作业因素、熔接条件因素、焊接设备因素、物料因素等其他因素，具体如图5所示：

图5 实际作业中导致毛刺产生的原因

3.3.1 人员作业

（1）焊枪的角度不当

当工作人员使用焊枪的角度不当时，接触面变小，电阻变大，局部电流密度增大，从而导致电阻热过大，焊点发生扭曲，毛刺产生。如图6所示。

（2）电极头（TIP）研磨先端径表面不平

电极头与钣金件接触表面不平，电极压强分布严重不均匀，造成局部电流密度过高引起早期熔化发生毛刺。电极头（TIP）研磨先端径表面不平对毛刺产生的影响如图7所示。

图6 焊枪的角度对毛刺产生的影响（左）

图7 电极头研磨先端径表面不平对毛刺产生的影响（右）

3.3.2 焊接设备

电极头TIP中心不对正。电极头接触面偏心，导致接触面上电极压强分布严重不匀，造成局部电流密度过高引起电阻热增大，早期熔化发生毛刺。电极头TIP中心不对正对毛刺产生的影响如图8所示。

3.3.3 物料

（1）钣金件和电极头TIP表面脏污

钣金件和电极头TIP表面上的氧化物、污垢、油或其它杂质增大了焊接时的接触电阻，从而导致接触面局部电阻热过大，产生毛刺。如图9所示。

图8 电极头中心不对正对毛刺产生影响

图9 钣金件和电极头TIP表面脏污

（2）钣金件搭接间隙大

搭接钣金件间间隙过大，部分电极压力将消耗于压紧这些间隙，导致实际焊接压力减小，因此焊接时容易形成毛刺。电极压力一部分用于使钣金件变形，所以钣金件与钣金件间的压力减小，同时由于钣金件发生变形，使电极与钣金件、钣金件与钣金件之间不能紧密贴合，形成局部接触，局部电流密度过高引起早期熔化发生飞溅。

3.3.4 熔接条件

（1）加压力不足

加压力不足使电极与钣金件未紧密贴合，接触面积减小电阻变大，电流密度增加，接触部位电阻热增加，接触面温度升高容易产生毛刺。当加压压力减小，焊接时的接触电阻就会增大，随着电阻的增大电阻热也增加，热量增加会增大毛刺发生的次数。

（2）初期加压时间过短

初期加压时间过短无法完全优化钣件间间隙，造成局部接触电阻变大，电阻热增加易产生毛刺。

（3）熔接电流过大

电阻热与电流的平方成正比，焊接电流对焊点性能影响最大。若电流过大产生电阻热随之增大，从而易发生毛刺。

4 降低毛刺的方法

通过对毛刺产生原因的分析，我们可以从其产生本质和外部原因两方面入手，通过实验获取最佳的焊接工艺参数，完善焊接工艺流程，制定规范的作业标准，从而降低毛刺的产生。

基于以上对车身焊接毛刺产生原因的分析，本文只对焊枪电极头与钣金面的焊接角度作为毛刺产生的变量进行单因素实验。选取GS左侧轮弧增打站C-2653，X-2630，X-2604，X-2603四把焊枪进行实验。在熔接条件稳定的情况下，通过作业者持枪角度改善前和改善后（调整焊接电极头与焊枪电极头与钣金面的焊接角度使两者垂直）的毛刺点数对比得出影响情况。具体数据如下表2：

表2

通过实验数据可以得出，调整焊接电极头与焊枪电极头与钣金面的焊接角度使两者垂直，毛刺产生的次数得到很好的控制，从而提高了焊接质量。

5 结论

本文是在某汽车主机厂焊接生产中对存在的焊接质量问题毛刺进行研究，主要从问题本质和实际作业两个方面分析了毛刺产生的原因，罗列出导致毛刺产生的主要原因，为从事相关工作者找出问题原因所在，有利于他们在焊接作业生产中采取相应措施改进焊接手法、改善焊接工艺，从而提高汽车焊接质量。由于条件限制，本文主要从目视方法和工作经验来评判焊接质量好坏，建议如若条件允许，在检测汽车点焊质量时可以运用先进的电气测量法、红外检测法、X射线检测方法、涡流检测法、超声波检测方法[5-6]等。未来在研究如何提高焊接质量上，如何设计出一套能够实时有效监控焊接质量的系统是个很有价值的研究方向。

[1] 付于武.深刻认识汽车产业发展规律[J].中国工程科学,2019,21-3: 98-102.

[2] 郭志福.汽车点焊超声检测信号处理技术研究[D].湖南大学,2015.

[3] Kyung-Min Hong,Yung C. Shin.Prospects of laser welding techn -ology in the automotive industry:Areview[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2017,245: 46-69.

[4] 施雅丽.汽车白车身焊接质量控制及常用检测与评价方法[J].机电技术,2017(04):67-72+95.

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Discussion on the true cause of automobile welding burrs*

Su Jianbin

( Fuzhou Vocational and Technical College, Fujian Fuzhou 350108 )

The occurrence of burrs in welding production of automobile body-in-white is one of the most common quality problems in automobile welding. It is helpful to improve the quality of automobile welding by discussing and solving the true cause of burr. This paper discusses the true cause of automobile welding burrs in the welding workshop of a car manufacturing mainframe factory, and provides a theoretical basis for the automobile manufacturing OEM, which can provide an effective improvement direction for reducing the occurrence of welding burrs.

Automobile welding; Welding quality problem; Burr

E

1671-7988(2019)21-136-04

苏建彬（1990.11-）， 男，助教，硕士研究生，就职于福州职业技术学院，研究方向： 汽车新能源、汽车制造。

U466

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1671-7988(2019)21-136-04

福州职业技术学院教改项目（项目编号：2017HGKC014）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.048

CLC NO.: U466