一起汽車短周期螺柱焊接質量事故分析

王海龍　趙繼成　靳立昆　王建　鄭君友

摘 要：分析汽車螺柱焊脫焊案例原因，發現焊縫區有氣孔、飛濺，熔合不良。觀察確認為焊槍導向夾套磨損和提升距離、伸出長度不合理影響焊接參數穩定性，進而影響焊接區熔化、成型、凝固過程導致脫焊。更換導向夾套，合理調整上述參數，調整提升距離為1.2 mm，伸出長度為1.5 mm，調整后未發現脫焊，拉脫力對比試驗獲取實驗結果，對引起脫焊電弧行為作用過程進行了分析，確認脫焊發生的直接原因。

關鍵詞：汽車螺柱焊；虛焊；偏焊；導向夾套；磨損；提升距離；伸出長度；氣孔

中圖分類號： TG444+.1 文獻標志碼： A 文章編號：1005-2550（2014）02-0048-06

某公司是專業生產汽車裝焊部件的企業，主要產品包括汽車白車身所需的側圍、前地板等白車身內部件。某日，現場質量檢查員發現，汽車側圍總成部件螺柱焊螺栓（公制6 mm）扭矩質量檢測中，使用BMT-2L-SB-0008-3（扭矩7 N）電動扭矩扳手檢測時，焊接螺栓從鈑金件上開焊脫落。焊接工程師根據問題情況，分析問題原因并尋找解決方案。

1 螺柱焊問題分析

螺柱焊（stud welding）是將螺柱一端與板件（或管件）表面接觸，通電引弧加壓使兩者連接，汽車工業中最常用的是短周期螺柱焊 [1] 。

生產現場發現焊接缺陷情況如表1所示，可見發生問題主要是虛焊（6個）和偏焊、焊核小（4個）。

2 缺陷原因分析及改進措施

2.1 設備、材料、設計、工裝分析

焊接設備為NELSON的N3短周期螺柱焊機，具有自適應功能。設定參數焊接電流700 A，焊接時間40 ms；使用MIYACHI公司的MM380A焊接監測儀測量焊接電流和時間，連續測量20份試樣及98輛份部件，電流和時間參數穩定未現異常，工藝參數合理。表2為前10個試樣的檢測電流和檢測焊接時間數值，數據值穩定，可排除設備問題。

表2 電流電壓測量儀前十個數據測量表

未發現設計和和材料缺陷問題[2]，焊接面平整，未發現弧面、坑包、油污。現場檢查工裝夾緊，未發現問題。加工人手法穩定。接地線布置合理。

2.2 焊槍問題

觀察焊槍問題較多，分析如表3，焊槍的伸出長度（預壓量）和提升距離不合理，鋼板尺測量，伸出長度2.5 mm，提升距離3 mm。根據文獻[3]，短周期螺柱焊提升距離和伸出長度在1.2 mm-1.6 mm為合理，可以獲得優良焊接質量。

表3中，調整前焊槍導向夾套疲勞磨損嚴重，整體變形，螺栓在導向夾套內定位不穩定，同時導向夾套在焊槍內晃動量也較大。

2.3 措施和對策

綜合上述，采取措施為：更換并緊固導向夾套，調節焊槍背部調節旋鈕和防濺罩位置，調整伸出長度和提升距離，根據文獻[4]，伸出長度調整為1.5 mm，提升距離調整為1.2 mm，調整后試驗焊接，并進行拉脫力試驗分析。

3 試驗分析確認

3.1 試驗數據結果

為對比驗證調整效果，在萬能試驗機UTM5504進行拉脫力試驗；試片與工件材質相同，共20件，查MBN10346標準，公制6 mm螺栓標準值要求>2 500 N，3 000N 以上為優良焊接；更換導向夾套和調整提升距離前后，各做一組試驗，每組10件，其他參數和加工人不變。

試片焊接后，先測量扭矩，調整前試樣扭矩檢測中2個脫落，表面虛焊，設定其拉脫力值為0；調整后無試樣脫落，無虛焊發生。

當天生產脫落比例為10%，有3件為同一包裝內連續脫落，與試驗狀態脫焊比例接近。確認調整前狀態不穩定。

試驗結果如下表4，調整前，3個試樣在1 500 N-2 000 N區間，6個試樣不合格，焊核小、偏，質量不穩定；調整后，全部達到標準，9個超過3 000 N，焊核飽滿。

3.2 試驗結果分析

表5為試樣焊核直徑與拉脫力報告，1號試樣為調整后，最大拉脫力為3 774 N，焊核直徑大于6 mm， 3號試樣為調整前，最大拉脫力為1 531 N，焊核橢圓形（5 mm*1.5 mm），2號是2 159 N，為調整前試樣；觀察1-3號試樣，焊核直徑和拉脫力數值正相關，焊核直徑大，拉脫力值大。

圖1 調整前后拉脫力對比圖

4 焊接螺栓脫落原因分析

試驗確認焊槍導向夾套疲勞磨損、設定伸出長度（預壓量）和提升距離不合理間接影響電弧熔化、熔池成型凝固，焊縫成形過程導致質量缺陷進而脫焊。

4.1 焊槍提升距離和螺栓伸出長度影響

4.1.1 提升距離對下落沖擊速度的影響

結合圖2，螺柱焊槍提升距離調整原理[4][8]：調節彈簧壓緊量來調整電磁鐵間距，通過防濺套位置調節提升距離和伸出長度分配，伸出長度+提升高度=電磁鐵間距；據表3調整前電磁鐵距離5.5 mm。參考文獻[2-4]，6 mm螺栓提升高度1.2 mm-1.6 mm、伸出長度1.2 mm-1.5 mm合適，電磁鐵間距2.4 mm-3 mm合適。

焊接區力學特征考慮，有重力、彈簧壓力、電磁力、熔滴表面張力，下落過程主導作用為重力和彈簧壓力。對整個下壓系統建模，將內部總彈簧力綜合考慮（簡化模型）：

（1）

式中：F是彈簧力；K為彈簧系數；S是下落高度，約等于提升高度。

在彈簧有一定壓緊量L前提下：

（2）

調整前總的電磁鐵間距是5.5 mm，其分配為提升距離3 mm，而伸出長度為2.5 mm。

因此調整前最大壓緊力是：

（3）

調整后總的電磁間距是2.7 mm：

（4）endprint

當螺栓下落沖擊熔池時，下落的沖擊速度是由自由落體運動速度V1和彈簧運動速度V2疊加，自由下落運動速度公式是：V1=gt，S= gt2，其中，g是重力加速度，t是時間。

（5）

而彈簧下落分速度V2，通過積分公式和常微分方程計算：

（6）

（7）

（8）

（9）

式中：a是彈簧瞬時加速度；m是整個下落系統質量。

（10）

用可分離變量常微分方程解得：

（11）

（12）

V=0，S=0，調整前：

（13）

（14）

式中：V為下落過程中任意時間t的速度。

調整前，S=0，L為一定值，設定下壓距離為3 mm：

（15）

調整后，S=0，因為預壓量增加2.8 mm，所以L后=L+2.8：

（16）

計算可見，V前-V后= >0，調整前下落速度大，沖力大導致金屬飛濺增加，如表1圖示。熔池液態金屬不足，同時溫度下降，液態金屬表面張力增大，熔合性變差；沖擊速度大可能造成回彈，撕扯焊縫，成型變差，以上兩者造成焊接質量不良。

4.1.2 提升距離對電弧行為的影響

參考圖3和圖4電弧靜特性曲線，了解短周期螺柱焊過程電流不變的特點[5-6]， a長度大于a長度，a電壓大于a電壓，因而提升距離變大，弧長增大，電壓變大，有文獻[7]給出計算公式。

當弧長L為0-6 mm時，弧壓Ua=17+2.2 L，據此計算，調整前 La=3mm，Ua=23.6 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=25.6-27.6 V，，調整后 La=1.2 mm，Ua=19.64 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=21.6-23.6 V，與文獻[3]所列螺柱焊通用參數吻合。調整前，電弧長度長，電壓高，相同電流下，電弧半徑增大，能量密度減小，熔池面積增大，熔池深度變淺，電弧變長，電弧區體積增大，氣體量增加，高溫時氣體溶解于熔池金屬中（如氮氣）；凝固時，氣體溶解度下降來不及逸出，導致焊縫區氣體殘留，表1見虛焊表面密布蜂窩狀氣孔，氮氣孔常見；凝固速度是影響氣體逸出的重要參數，速度慢氣體逸出容易，速度快逸出困難，調整前，熔池熔深淺，過冷梯度大，凝固速度快，不利于氣體逸出，氣體殘留多；同時冷卻速度快，金屬表面張力大，潤濕性變差，不易鋪展，熔合性能極度惡化，因此減少電弧長度，電弧區氣體含量少，溶解氣體量少，凝固速度相對變慢，氣體易于逸出，相對焊縫中氣孔所占比例少，且潤濕性相對足夠，熔合性變好。

圖2 電磁式螺柱焊槍結構原理[8]

圖3 螺柱焊電弧靜特性曲線

圖4 電弧長度對電壓的影響

IW-焊接電流；UA-電弧電壓；△S-螺柱位移；tp-先導電流；tw-焊接電流時間；td-螺柱下落（落釘）時間（stud dropout），大約50 ms tg-焊槍提升延長時間，大約50 ms； tm-螺柱埋入時間（plunge time）大約10 ms；ts-短路電流時間，大約50 ms。

圖5 短周期螺柱焊接過程參數變化曲線[4]

4.2 導向夾套磨損影響

結合圖6，夾套疲勞變形后，螺栓位置竄動。可在1、2、3、4、5任何位置。螺栓合理位置處于2，夾套疲勞后，引起電弧長度變化，結合圖5和文獻[2-4]，處于1時，已知提升距離和伸出長度有負相關性，造成tp和tw段電弧長，氣體體積增大，易于生成氣孔；電弧長受電磁影響造成偏弧，見表1。td階段，頂鍛下壓力度、速度和高度不夠，螺栓與工件接觸不充分，熔合不良加氣孔，造成虛焊[9]。

處于3時，提升距離變小，tw段焊接電壓低，熱輸入量小，熔化量不足；td頂鍛階段，下壓速度和高度大，沖擊熔池，飛濺量大，熔池溫度低，表面張力大，焊縫熔合不良；

處于4時，螺柱偏心，tp和tw引弧-燃弧段，基于電弧挺直特性，導致電弧偏心、產熱不均，td頂鍛階段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情況下，斜向沖入熔池中，局部未熔合，產生偏焊、小焊核，見表1；

處于5時，晃動量大，螺柱不穩定，焊接全程電弧不穩定，產熱不均勻，熔池不穩定，形狀和熔化量不均，熔合不良，焊縫成型差。焊接質量差；

當1與4或5共同發生，或者3與4或5共同發生，焊接質量不良[10]。

5 結論

分析螺柱焊脫焊原因，間接為焊槍提升距離過長，導向夾套疲勞變形，焊接質量下降。更換導向夾套，調整提升距離為1.2 mm，拉脫力試驗確認調整效果，證明焊接質量提升，未再發現脫焊，產品扭矩檢測全部合格。

深入分析質量下降原因，為焊接過程中電弧參數變化，焊接熔化-熔池成型-焊縫成型階段不穩定，引起焊縫氣孔、熔合不良、電弧偏離等，造成虛焊和偏焊。

參考文獻：

[1]池強，張建勛，付繼飛，張友權.拉弧式電弧螺柱焊質量影響因素[J].電焊機，2005，，35（4）：6-9.

[2]王大明，褚衛東，朱麟.汽車螺柱焊質量的影響因素分析[J].汽車與配件，2011，（46）：26-28.

[3]亢書生，王偉.電弧螺柱焊及其在轎車生產中的應用[J].電焊機，2000， 30（5）：30-32.

[4]張義.汽車制造用螺柱焊機的選擇與應用（三）[J].電焊機，2001，（9）：13-16，26.

[5]齊紹榮，葉振忠，王蕓.影響電弧螺柱焊焊接質量的幾個問題[J].焊接技術，2002，31（5）：27-28.

[6]安藤弘平，長谷川光熊.焊接電弧現象[M]，北京：機械工業出版社，1985.

[7]龔勝峰.螺柱焊接技術及工藝[J].電焊機，2006，（36）：1，11-15.

[8]梅從富，張德庫，王學敏，王克鴻.大功率自動螺柱焊槍的研制[J].機械制造與研究，2009，38（6）：43-46.

[9]朱麟.螺柱焊虛焊分析和解決措施[J].汽車與配件.2012，（5）：33-34

[10]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在車身焊接中的質量控制[J].上海汽車，2008，（10）：36-38.endprint

當螺栓下落沖擊熔池時，下落的沖擊速度是由自由落體運動速度V1和彈簧運動速度V2疊加，自由下落運動速度公式是：V1=gt，S= gt2，其中，g是重力加速度，t是時間。

（5）

而彈簧下落分速度V2，通過積分公式和常微分方程計算：

（6）

（7）

（8）

（9）

式中：a是彈簧瞬時加速度；m是整個下落系統質量。

（10）

用可分離變量常微分方程解得：

（11）

（12）

V=0，S=0，調整前：

（13）

（14）

式中：V為下落過程中任意時間t的速度。

調整前，S=0，L為一定值，設定下壓距離為3 mm：

（15）

調整后，S=0，因為預壓量增加2.8 mm，所以L后=L+2.8：

（16）

計算可見，V前-V后= >0，調整前下落速度大，沖力大導致金屬飛濺增加，如表1圖示。熔池液態金屬不足，同時溫度下降，液態金屬表面張力增大，熔合性變差；沖擊速度大可能造成回彈，撕扯焊縫，成型變差，以上兩者造成焊接質量不良。

4.1.2 提升距離對電弧行為的影響

參考圖3和圖4電弧靜特性曲線，了解短周期螺柱焊過程電流不變的特點[5-6]， a長度大于a長度，a電壓大于a電壓，因而提升距離變大，弧長增大，電壓變大，有文獻[7]給出計算公式。

當弧長L為0-6 mm時，弧壓Ua=17+2.2 L，據此計算，調整前 La=3mm，Ua=23.6 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=25.6-27.6 V，，調整后 La=1.2 mm，Ua=19.64 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=21.6-23.6 V，與文獻[3]所列螺柱焊通用參數吻合。調整前，電弧長度長，電壓高，相同電流下，電弧半徑增大，能量密度減小，熔池面積增大，熔池深度變淺，電弧變長，電弧區體積增大，氣體量增加，高溫時氣體溶解于熔池金屬中（如氮氣）；凝固時，氣體溶解度下降來不及逸出，導致焊縫區氣體殘留，表1見虛焊表面密布蜂窩狀氣孔，氮氣孔常見；凝固速度是影響氣體逸出的重要參數，速度慢氣體逸出容易，速度快逸出困難，調整前，熔池熔深淺，過冷梯度大，凝固速度快，不利于氣體逸出，氣體殘留多；同時冷卻速度快，金屬表面張力大，潤濕性變差，不易鋪展，熔合性能極度惡化，因此減少電弧長度，電弧區氣體含量少，溶解氣體量少，凝固速度相對變慢，氣體易于逸出，相對焊縫中氣孔所占比例少，且潤濕性相對足夠，熔合性變好。

圖2 電磁式螺柱焊槍結構原理[8]

圖3 螺柱焊電弧靜特性曲線

圖4 電弧長度對電壓的影響

IW-焊接電流；UA-電弧電壓；△S-螺柱位移；tp-先導電流；tw-焊接電流時間；td-螺柱下落（落釘）時間（stud dropout），大約50 ms tg-焊槍提升延長時間，大約50 ms； tm-螺柱埋入時間（plunge time）大約10 ms；ts-短路電流時間，大約50 ms。

圖5 短周期螺柱焊接過程參數變化曲線[4]

4.2 導向夾套磨損影響

結合圖6，夾套疲勞變形后，螺栓位置竄動。可在1、2、3、4、5任何位置。螺栓合理位置處于2，夾套疲勞后，引起電弧長度變化，結合圖5和文獻[2-4]，處于1時，已知提升距離和伸出長度有負相關性，造成tp和tw段電弧長，氣體體積增大，易于生成氣孔；電弧長受電磁影響造成偏弧，見表1。td階段，頂鍛下壓力度、速度和高度不夠，螺栓與工件接觸不充分，熔合不良加氣孔，造成虛焊[9]。

處于3時，提升距離變小，tw段焊接電壓低，熱輸入量小，熔化量不足；td頂鍛階段，下壓速度和高度大，沖擊熔池，飛濺量大，熔池溫度低，表面張力大，焊縫熔合不良；

處于4時，螺柱偏心，tp和tw引弧-燃弧段，基于電弧挺直特性，導致電弧偏心、產熱不均，td頂鍛階段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情況下，斜向沖入熔池中，局部未熔合，產生偏焊、小焊核，見表1；

處于5時，晃動量大，螺柱不穩定，焊接全程電弧不穩定，產熱不均勻，熔池不穩定，形狀和熔化量不均，熔合不良，焊縫成型差。焊接質量差；

當1與4或5共同發生，或者3與4或5共同發生，焊接質量不良[10]。

5 結論

分析螺柱焊脫焊原因，間接為焊槍提升距離過長，導向夾套疲勞變形，焊接質量下降。更換導向夾套，調整提升距離為1.2 mm，拉脫力試驗確認調整效果，證明焊接質量提升，未再發現脫焊，產品扭矩檢測全部合格。

深入分析質量下降原因，為焊接過程中電弧參數變化，焊接熔化-熔池成型-焊縫成型階段不穩定，引起焊縫氣孔、熔合不良、電弧偏離等，造成虛焊和偏焊。

參考文獻：

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[6]安藤弘平，長谷川光熊.焊接電弧現象[M]，北京：機械工業出版社，1985.

[7]龔勝峰.螺柱焊接技術及工藝[J].電焊機，2006，（36）：1，11-15.

[8]梅從富，張德庫，王學敏，王克鴻.大功率自動螺柱焊槍的研制[J].機械制造與研究，2009，38（6）：43-46.

[9]朱麟.螺柱焊虛焊分析和解決措施[J].汽車與配件.2012，（5）：33-34

[10]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在車身焊接中的質量控制[J].上海汽車，2008，（10）：36-38.endprint

當螺栓下落沖擊熔池時，下落的沖擊速度是由自由落體運動速度V1和彈簧運動速度V2疊加，自由下落運動速度公式是：V1=gt，S= gt2，其中，g是重力加速度，t是時間。

（5）

而彈簧下落分速度V2，通過積分公式和常微分方程計算：

（6）

（7）

（8）

（9）

式中：a是彈簧瞬時加速度；m是整個下落系統質量。

（10）

用可分離變量常微分方程解得：

（11）

（12）

V=0，S=0，調整前：

（13）

（14）

式中：V為下落過程中任意時間t的速度。

調整前，S=0，L為一定值，設定下壓距離為3 mm：

（15）

調整后，S=0，因為預壓量增加2.8 mm，所以L后=L+2.8：

（16）

計算可見，V前-V后= >0，調整前下落速度大，沖力大導致金屬飛濺增加，如表1圖示。熔池液態金屬不足，同時溫度下降，液態金屬表面張力增大，熔合性變差；沖擊速度大可能造成回彈，撕扯焊縫，成型變差，以上兩者造成焊接質量不良。

4.1.2 提升距離對電弧行為的影響

參考圖3和圖4電弧靜特性曲線，了解短周期螺柱焊過程電流不變的特點[5-6]， a長度大于a長度，a電壓大于a電壓，因而提升距離變大，弧長增大，電壓變大，有文獻[7]給出計算公式。

當弧長L為0-6 mm時，弧壓Ua=17+2.2 L，據此計算，調整前 La=3mm，Ua=23.6 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=25.6-27.6 V，，調整后 La=1.2 mm，Ua=19.64 V，考慮電纜壓降2-4 V，U=21.6-23.6 V，與文獻[3]所列螺柱焊通用參數吻合。調整前，電弧長度長，電壓高，相同電流下，電弧半徑增大，能量密度減小，熔池面積增大，熔池深度變淺，電弧變長，電弧區體積增大，氣體量增加，高溫時氣體溶解于熔池金屬中（如氮氣）；凝固時，氣體溶解度下降來不及逸出，導致焊縫區氣體殘留，表1見虛焊表面密布蜂窩狀氣孔，氮氣孔常見；凝固速度是影響氣體逸出的重要參數，速度慢氣體逸出容易，速度快逸出困難，調整前，熔池熔深淺，過冷梯度大，凝固速度快，不利于氣體逸出，氣體殘留多；同時冷卻速度快，金屬表面張力大，潤濕性變差，不易鋪展，熔合性能極度惡化，因此減少電弧長度，電弧區氣體含量少，溶解氣體量少，凝固速度相對變慢，氣體易于逸出，相對焊縫中氣孔所占比例少，且潤濕性相對足夠，熔合性變好。

圖2 電磁式螺柱焊槍結構原理[8]

圖3 螺柱焊電弧靜特性曲線

圖4 電弧長度對電壓的影響

IW-焊接電流；UA-電弧電壓；△S-螺柱位移；tp-先導電流；tw-焊接電流時間；td-螺柱下落（落釘）時間（stud dropout），大約50 ms tg-焊槍提升延長時間，大約50 ms； tm-螺柱埋入時間（plunge time）大約10 ms；ts-短路電流時間，大約50 ms。

圖5 短周期螺柱焊接過程參數變化曲線[4]

4.2 導向夾套磨損影響

結合圖6，夾套疲勞變形后，螺栓位置竄動。可在1、2、3、4、5任何位置。螺栓合理位置處于2，夾套疲勞后，引起電弧長度變化，結合圖5和文獻[2-4]，處于1時，已知提升距離和伸出長度有負相關性，造成tp和tw段電弧長，氣體體積增大，易于生成氣孔；電弧長受電磁影響造成偏弧，見表1。td階段，頂鍛下壓力度、速度和高度不夠，螺栓與工件接觸不充分，熔合不良加氣孔，造成虛焊[9]。

處于3時，提升距離變小，tw段焊接電壓低，熱輸入量小，熔化量不足；td頂鍛階段，下壓速度和高度大，沖擊熔池，飛濺量大，熔池溫度低，表面張力大，焊縫熔合不良；

處于4時，螺柱偏心，tp和tw引弧-燃弧段，基于電弧挺直特性，導致電弧偏心、產熱不均，td頂鍛階段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情況下，斜向沖入熔池中，局部未熔合，產生偏焊、小焊核，見表1；

處于5時，晃動量大，螺柱不穩定，焊接全程電弧不穩定，產熱不均勻，熔池不穩定，形狀和熔化量不均，熔合不良，焊縫成型差。焊接質量差；

當1與4或5共同發生，或者3與4或5共同發生，焊接質量不良[10]。

5 結論

分析螺柱焊脫焊原因，間接為焊槍提升距離過長，導向夾套疲勞變形，焊接質量下降。更換導向夾套，調整提升距離為1.2 mm，拉脫力試驗確認調整效果，證明焊接質量提升，未再發現脫焊，產品扭矩檢測全部合格。

深入分析質量下降原因，為焊接過程中電弧參數變化，焊接熔化-熔池成型-焊縫成型階段不穩定，引起焊縫氣孔、熔合不良、電弧偏離等，造成虛焊和偏焊。

參考文獻：

[1]池強，張建勛，付繼飛，張友權.拉弧式電弧螺柱焊質量影響因素[J].電焊機，2005，，35（4）：6-9.

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[7]龔勝峰.螺柱焊接技術及工藝[J].電焊機，2006，（36）：1，11-15.

[8]梅從富，張德庫，王學敏，王克鴻.大功率自動螺柱焊槍的研制[J].機械制造與研究，2009，38（6）：43-46.

[9]朱麟.螺柱焊虛焊分析和解決措施[J].汽車與配件.2012，（5）：33-34

[10]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在車身焊接中的質量控制[J].上海汽車，2008，（10）：36-38.endprint