螺母凸焊的焊接工艺参数探究

姜朝辉 林敏

摘要：当前，螺母凸焊已很广泛应用在设备制造上，对比传统方法焊接螺母有很多优点，最突出的是生产效率快，保护螺母，减少对螺母螺纹的烧损，简化焊前生产准备步骤，降低劳动强度。试验使用表面处理的板材按不同的焊接参数分组进行焊接工艺研究，从焊接外观、断裂扭矩等方面对比焊接结果，分析焊接结果，优化焊接工艺，为实际焊接生产提供参考。

关键词：凸焊；焊接；工艺；试验

DOI：10.12433/zgkjtz.20240717

螺母凸焊是电阻点焊的形式之一，螺母带有凸点，主要通过螺母凸点提高焊接面电流密度，增大凸焊点位置压强。凸焊工艺和点焊工艺很相似，设备上可以通过电极更换做到生产通用，优点包括：

第一，生产率高，焊接凸点比点焊电极细，电流密度大，螺母其余部位不接触母材，没有分流现象，不受点距限制。

第二，螺母凸点的数量、型式、尺寸更加容易制造和控制，保证凸点的位置尺寸，焊接后各点的熔核大小也较均匀。

第三，凸焊后螺母外观质量好，相对于点焊板材，螺母凸焊压痕更加轻微，螺母散热比板材更快，焊接参数容易调整和搭配。

第四，对于电网条件和设备一般的情况下，可用较小的电流进行焊接，降低生产条件的要求。

第五，螺母更容易去油、去锈和氧化物，按批次、按需求灵活切换，减少因生产任务变更而造成的返工。

凸焊的不足之处是：需要特制凸焊使用的螺母；当同时焊接多个螺母，需要更大的焊机功率；电极压力和垂直运动精度较高；电极设计较点焊电极复杂。由于螺母凸焊焊接质量由多个参数共同决定，在工厂实际的生产过程中，螺母凸焊存在虚焊、过烧、螺纹变形等质量缺陷，严重时，螺母脱落、螺纹无法使用。因此，有效预防和消除焊接缺陷对提高生产效率、提升产品品质具有重要意义。

一、实验条件和方法

（一）试验设备

本文采用的设备为ZKDM－160固定式凸焊机。焊机主要由机身、变压器、上、下凸焊平台、气路（加压）系统、水路（冷却）系统、控制器及脚踏开关等组成。焊机的使用过程中应有足够的水量，并保持水路畅通。检查水路、气体软管接头，水路、气路系统，不能有渗漏现象；紧固部位不允许有松动现象。电极直径超出固定范围时，应及时维修或更换，上电极与下电极安装时要保持同轴，咬合无间隙。

在焊接工作前，焊机都需机械调整。通过面板“加压”开关进行：“加压”开关闭合时，调整主气阀；设置一个规范的各控制参数，启动脚踏开关，控制器只有动作输出，没有焊接电流输出，调整增压阀和辅助气阀。

（二）试验方法和步骤

第一，调试设备，保证焊接设备状态正常、稳定。螺母焊接时内部提前进行绝缘处理、螺母及钢板除油除锈。

第二，按照预先设定的工艺参数焊接，不能对试件进行除工艺要求外的其他焊接行为。

第三，焊接后分别在焊接试样上标记，确保试样与参数一一对应。焊后应平稳放置物料框内，禁止摔碰。

第四，焊接后进行外观检测、螺纹检测。使用可读取示数的扭矩扳手进行扭矩试验，对比螺母焊接扭矩标准进行判定。

二、试验准备工作

（一）试验物料

本文准备两种螺母形式，分别是焊接四方型螺母和焊接圆形螺母，进行试样的制备。焊前应避免螺母及钢板表面附着含绝缘的杂质（除油、除锈）。凸焊螺母及板材相关参数如表１所示。

（二）焊接装配

控制焊接单件对于焊接工件的焊接质量有着很大影响。凸点的尺寸和形状会影响焊接电流的密度和焊接的热量，螺母的凸点形状如图1所示。如果凸点过早被压溃，通过凸点达到高电流密度的作用就没有意义，但过小则无法包裹住融化的金属液。

（三）试验的焊接工艺

涉及螺母凸焊的焊接工艺参数主要有焊接电流、电极压力和焊接时间。

第一，焊接电流。根据以往经验，凸焊焊点焊接电流比点焊的小，但所需电流通过螺母和母材，产生的热量可以将螺母凸点均匀熔化。随着焊接电流的增大，螺母分离拉力呈现先增大后减小又增大的趋势，如果电流过大，电阻热过多，热输入过大，则易出现螺纹牙烧毁的情况。

第二，电极压力。根据被焊金属的性能、凸点的尺寸确定螺母凸焊的电极压力，电极压力应保证焊接过程中被焊螺母和母材压紧。当焊接结合面热量达到焊接要求时，将螺母凸点压崩溃并锁住金属液体，在螺母和母材间形成熔核。如果电极压力过大，会导致螺母螺纹变形及损坏，失去凸焊作用；如果电极压力过小，又会引起严重的飞溅。

第三，焊接时间是确保焊接熔池形成及熔池大小的关键参数。对于已定工件的材料和厚度，焊接时间由凸点刚度和焊接電流决定；因此设定好参数的焊机，将螺母和母材在凸焊机上下两电极之间压紧后的通电时间，一般由焊接母材及螺母的厚度及材质决定。焊接工艺参数如表2所示。

三、试验检测

（一）外观检测

根据上表焊接参数完成试样制备。

合格标准：焊接完成后，螺母螺纹面及电极接触面边缘完整，无毛刺、飞溅、无融化变形现象；螺母外观形态无明显过热；板材没有明显的变形、扭曲；同时螺母与板材连接紧密，未见明显缝隙。检测结果如表3所示。

（二）螺纹及扭矩试验

试验过程：

第一，把外观合格的试件放在专用的试验台上，使用压紧工装把试板压紧。

第二，使用螺纹塞规检查螺纹，螺纹旋入光滑不卡涩。

第三，退出螺纹塞规，旋入螺栓，确保螺栓轻松旋入螺母之中。

第四，取130Nm扭力扳手，套入待测螺母上螺栓，进行试验，并填入记录单。该扭矩要求借鉴QCAYJ422009焊接质量检验，结果如表4所示。

四、试验结果

综合上述两个试验，对数据进行分析对比得出：

第一，对于M6螺母与2mm钢板焊接组别，在试验焊接规范下螺母焊接达到有效熔深，满足扭矩要求；但加大焊接电流会使螺母过热明显。所以，应避免螺纹焊后过热氧化而影响使用性能。

第二，对于M8螺母与2mm钢板焊接组别，在试验焊接规范下，螺母焊接达到有效熔深，满足扭矩要求；适当减小焊接时间，满足外观要求，同时注重螺纹焊后质量，避免螺纹焊后过热退火而影响使用性能。

第三，对于M10与3mm钢板焊接组别，在试验焊接规范下螺母焊接達到有效熔深，满足扭矩要求，外观质量也较好，说明M10螺母可以承载焊接时的热输入。其中，一件M10螺栓焊接试件背面与下电极接触面存在明显压痕，判断是下电极与零件焊接装配时，角度未摆正，导致背面烧伤。其余试样未见明显的压痕。

结果分析：

第一，试验编号2、4压痕超过标准，外观检测不合格。压痕深度计算经验公式一般为焊件表面压痕深度为（0.1～0.15）T（mm），其中T是板厚。超过要求的压痕会造成变形表面的受力不均，焊接处不能连续过渡，出现应力尖点的情况。尖点处的强度下降，特别是处在震动并有交变载荷的情况下，严重影响疲劳强度，导致寿命下降和快速崩坏。崩坏的原因是压力焊接时电极球面半径太小，两试样接触面积过小、局部的应力值变大、电极压力过大、焊接软规范下产生飞溅等。

第二，试验编号2、4组别中螺纹存在过热情况。主要原因是：第一，焊件与电极之间电阻大，接触面热量过大，电极或工件表面不干净，使电极与工件接触位置局部过热氧化。第二，通过电极的电流密度过大，导致与电极接触面过热严重，有电极与工件接触面积小，焊接参数不匹配。过热严重会造成晶粒粗大，大幅降低接头的力学性能、影响其抗腐蚀性和外观质量。

五、试验结论

第一，采用ZKDM－160固定式点焊机应用上述的焊接参数，焊接钢板与凸焊螺母（M8、M10）可以满足工厂对凸焊螺母的外观、强度和螺纹使用要求；但应满足一定的条件，正确选择板厚和落实尺寸，以此得到合格的焊接产品。

第二，M6凸焊螺母与2mm钢板焊接参数需要优化，从降低压力、增大焊接电流、减少焊接时间出发，进一步解决螺母虚焊的问题。

六、结语

（一）焊接参数关系

焊接电流对焊接质量起着主导作用。如果焊接电流不断增大，熔深就会显著增加，顶部拉力会随之增大，提高螺纹变形概率。电极压力不易包裹住金属，易导致飞溅，而过大的电极压力易导致压痕和虚焊。电极压力增大，会缓慢增加熔深，也会提高螺纹变形概率。焊接时间对质量的影响不大，但过长的焊接时间易引起螺纹变形。

（二）焊接参数调节

低压力时，试验优先使用低电流，相应增加适量的焊接时间；使用的电流较大，应适当减少焊接时间。电流较小时，需要减小电极压力；电流较大时，需要使用大电极压力，以避免飞溅。

参考文献：

[1]罗滏.螺母凸焊工艺研究及模拟分析[D].南京：南京理工大学，2015.

[2]陈发书.凸焊螺母在汽车上的应用[J].焊接技术，1999，

04（02）：47-48.

作者简介：姜朝辉（1983），男，黑龙江省佳木斯市人，中级工程师，学士，主要研究方向为焊接工艺研究及工装设计。