汽車焊接毛刺發生真因的探討*

蘇建彬

汽車焊接毛刺發生真因的探討*

蘇建彬

（福州職業技術學院，福建 福州 350108）

汽車白車身中焊接生產中出現毛刺是汽車焊接中最常見的質量問題之一，對毛刺發生的真因進行探討與解決有助于提高汽車焊接質量。文章對某汽車制造主機廠焊接車間汽車焊接毛刺發生真因進行探討，給汽車制造主機廠提供了理論依據，可為降低焊接毛刺的發生提供有效的改善方向。

汽車焊接；焊接質量問題；毛刺

前言

自汽車問世來，已經有200多年的發展歷史，給人們生活帶來極大的便利。隨著汽車工業業的不斷革新和發展，汽車產業已經成為我國第二大產業，是我國的主要經濟支柱[1]。人們對汽車性能與質量要求越來越嚴格，特別是汽車的安全性。汽車市場競爭的日益劇烈，讓主機廠不得不對產品質量的把控越來越嚴。汽車白車身一般是由200多個分離的鈑金件在焊接車間生產線上快速大批量裝夾定位焊接而成，整車的焊點多達4000-5000個，因此點焊質量的好壞直接關系到汽車整車質量與安全性能[2]。而出現毛刺是汽車焊接中最常見的質量問題之一，對毛刺發生的真因進行探討與解決有助于提高汽車焊接質量。

1 汽車車身電阻焊常見質量問題

目前國內外焊接技術，除了傳統的焊接技術外有：激光釬焊、激光熔焊、激光復合焊、摩擦攪拌點焊[3]等。在汽車主機廠焊裝車間汽車車身焊接中運用到的焊接技術主要有電阻焊、氣體保護焊、氬弧焊、激光拼焊、氣焊等，這些焊接方法中運用最廣泛的是電阻焊，電阻焊主要是利用電阻熱將分離的鈑金件焊接組立在一起。

在汽車車身焊接生產中，不管是機器人作業還是人工作業，都仍然存在許多焊接質量問題。如在電阻點焊生產中經常會出現的焊接質量問題有：焊點出現燒穿、焊穿、虛焊、脫焊、毛刺、飛濺、焊點小等[4]。這些焊接缺陷會使焊接生產合格率降低增加廢品率，從而導致汽車主機廠造成資源浪費增加生產成本。所以如何降低焊接質量問題的發生率，成為所有汽車主機廠焊裝車間最需要攻堅的難題，提高焊接質量控制生產成本是當今汽車市場競爭選擇的結果。發現焊接問題弄清問題本質解決焊接問題，改善焊接工藝，是汽車主機廠焊接車間未來重點工作。

2 汽車車身焊接毛刺的定義、種類及危害

2.1 毛刺的定義

點焊過程中熔化金屬飛向熔池之外，冷卻后形成的余屑和表面細小的金屬顆粒，這些被稱為毛刺，如圖1所示。

圖1 毛刺

2.2 毛刺的種類

外部毛刺和內部毛刺，如圖2所示。

圖2 毛刺種類

2.3 毛刺的危害

毛刺的產生會引起很多不良的后果，如毛刺不但影響整車美觀還會刺傷客戶，發生車身滲水腐蝕縮短汽車使用壽命，焊點強度降低從而使整車焊接質量乃至安全性能大大降低。所以說汽車白車身焊接中出現毛刺是不被允許的。

3 毛刺產生的原因

3.1 產生毛刺的本質原因

3.1.1 內部毛刺的產生

（1）熔核和塑性環未形成。焊件接觸面急劇加熱的金屬氣化，并以飛濺的形式噴向板間縫隙，稱為前期內部飛濺；如圖3所示：

（2）熔核和塑性環形成后不斷向外擴展。當局部電阻熱急劇變大時，熔核沿徑向的擴展速度大于塑性環擴展速度時，產生后期板間毛刺。

3.1.2 外部毛刺的產生

當局部電流密度增大，電阻熱過大使熔化核心軸向增長過高，在電極壓力的作用下，液態金屬沖破塑性環向表面噴射，外部毛刺形成。

圖3 電阻點焊熔核和塑性環未形成（左）

（1—熔化核心；2—塑性環）

圖4 電阻點焊熔核和塑性環形成后不斷向外擴展（右）

（1—熔化核心；2—塑性環）

因此，焊接過程瞬間過大的局部電阻熱量會導致毛刺形成。

3.2 電流密度對毛刺產生的影響分析

當電極頭與鈑金件、鈑金件與鈑金件間接觸面積發生變化時，通過橫截面的電量會變的不均勻，為了研究這些因素對電阻熱的影響，本人設計了一個單因素實驗，主要研究當汽車車身電阻焊焊接電流為定值時，通過被焊接的鈑金件的電流密度與接觸面直徑之間的關系。

引入電流密度概念：

J電流密度 (A/mm ) 、I電流值（A）、S接觸面的截面積 (mm )，J=I/S

由公式可知：

①電流變大，電流密度變大。

②接觸面積減少，電流密度急劇增大。

汽車車身電阻焊焊接電流為10000A，實驗結果如下表1：

表1

將試驗數據導入design-expert進行模擬并制圖得到，當汽車車身電阻焊焊接電流為10000A時，不同接觸面直徑與電流密度之間的關系如圖：

由圖可得出當接觸面直徑從Φ6.0mm 減少到Φ3.0mm時，電流密度增加了約297%。由此可得出結論當接觸面積變小，電流密度劇增，使接觸電阻瞬間產生局部過高的電阻熱，導致毛刺形成。也就是說，毛刺的發生率跟通過被焊接鈑金件的電流密度成正相關關系。

3.3 實際作業中導致毛刺產生的原因

汽車車身焊接電阻焊毛刺質量問題的產生不但存在客觀因素在實際作業中也有很多因素導致毛刺的產生。主要因素有：人員作業因素、熔接條件因素、焊接設備因素、物料因素等其他因素，具體如圖5所示：

圖5 實際作業中導致毛刺產生的原因

3.3.1 人員作業

（1）焊槍的角度不當

當工作人員使用焊槍的角度不當時，接觸面變小，電阻變大，局部電流密度增大，從而導致電阻熱過大，焊點發生扭曲，毛刺產生。如圖6所示。

（2）電極頭（TIP）研磨先端徑表面不平

電極頭與鈑金件接觸表面不平，電極壓強分布嚴重不均勻，造成局部電流密度過高引起早期熔化發生毛刺。電極頭（TIP）研磨先端徑表面不平對毛刺產生的影響如圖7所示。

圖6 焊槍的角度對毛刺產生的影響（左）

圖7 電極頭研磨先端徑表面不平對毛刺產生的影響（右）

3.3.2 焊接設備

電極頭TIP中心不對正。電極頭接觸面偏心，導致接觸面上電極壓強分布嚴重不勻，造成局部電流密度過高引起電阻熱增大，早期熔化發生毛刺。電極頭TIP中心不對正對毛刺產生的影響如圖8所示。

3.3.3 物料

（1）鈑金件和電極頭TIP表面臟污

鈑金件和電極頭TIP表面上的氧化物、污垢、油或其它雜質增大了焊接時的接觸電阻，從而導致接觸面局部電阻熱過大，產生毛刺。如圖9所示。

圖8 電極頭中心不對正對毛刺產生影響

圖9 鈑金件和電極頭TIP表面臟污

（2）鈑金件搭接間隙大

搭接鈑金件間間隙過大，部分電極壓力將消耗于壓緊這些間隙，導致實際焊接壓力減小，因此焊接時容易形成毛刺。電極壓力一部分用于使鈑金件變形，所以鈑金件與鈑金件間的壓力減小，同時由于鈑金件發生變形，使電極與鈑金件、鈑金件與鈑金件之間不能緊密貼合，形成局部接觸，局部電流密度過高引起早期熔化發生飛濺。

3.3.4 熔接條件

（1）加壓力不足

加壓力不足使電極與鈑金件未緊密貼合，接觸面積減小電阻變大，電流密度增加，接觸部位電阻熱增加，接觸面溫度升高容易產生毛刺。當加壓壓力減小，焊接時的接觸電阻就會增大，隨著電阻的增大電阻熱也增加，熱量增加會增大毛刺發生的次數。

（2）初期加壓時間過短

初期加壓時間過短無法完全優化鈑件間間隙，造成局部接觸電阻變大，電阻熱增加易產生毛刺。

（3）熔接電流過大

電阻熱與電流的平方成正比，焊接電流對焊點性能影響最大。若電流過大產生電阻熱隨之增大，從而易發生毛刺。

4 降低毛刺的方法

通過對毛刺產生原因的分析，我們可以從其產生本質和外部原因兩方面入手，通過實驗獲取最佳的焊接工藝參數，完善焊接工藝流程，制定規范的作業標準，從而降低毛刺的產生。

基于以上對車身焊接毛刺產生原因的分析，本文只對焊槍電極頭與鈑金面的焊接角度作為毛刺產生的變量進行單因素實驗。選取GS左側輪弧增打站C-2653，X-2630，X-2604，X-2603四把焊槍進行實驗。在熔接條件穩定的情況下，通過作業者持槍角度改善前和改善后（調整焊接電極頭與焊槍電極頭與鈑金面的焊接角度使兩者垂直）的毛刺點數對比得出影響情況。具體數據如下表2：

表2

通過實驗數據可以得出，調整焊接電極頭與焊槍電極頭與鈑金面的焊接角度使兩者垂直，毛刺產生的次數得到很好的控制，從而提高了焊接質量。

5 結論

本文是在某汽車主機廠焊接生產中對存在的焊接質量問題毛刺進行研究，主要從問題本質和實際作業兩個方面分析了毛刺產生的原因，羅列出導致毛刺產生的主要原因，為從事相關工作者找出問題原因所在，有利于他們在焊接作業生產中采取相應措施改進焊接手法、改善焊接工藝，從而提高汽車焊接質量。由于條件限制，本文主要從目視方法和工作經驗來評判焊接質量好壞，建議如若條件允許，在檢測汽車點焊質量時可以運用先進的電氣測量法、紅外檢測法、X射線檢測方法、渦流檢測法、超聲波檢測方法[5-6]等。未來在研究如何提高焊接質量上，如何設計出一套能夠實時有效監控焊接質量的系統是個很有價值的研究方向。

[1] 付于武.深刻認識汽車產業發展規律[J].中國工程科學,2019,21-3: 98-102.

[2] 郭志福.汽車點焊超聲檢測信號處理技術研究[D].湖南大學,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] 施雅麗.汽車白車身焊接質量控制及常用檢測與評價方法[J].機電技術,2017(04):67-72+95.

[5] Rogeon P, Carre P, Costa J, et al. Characterization of Electrical Contact Conditions in Spot Welding Assemblies[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 195(1-3): 117-124.

[6] Hench, Christensen K W, Lopez W, et al. An Optimization Technique for the Evaluation of Eddy Current Inspection Data to Determine Weld Quality[J]. IEEE International Conference on Systems Man & Cybernetics, 2005, 2: 1535-1539.

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

蘇建彬（1990.11-）， 男，助教，碩士研究生，就職于福州職業技術學院，研究方向： 汽車新能源、汽車制造。

U466

E

1671-7988(2019)21-136-04

福州職業技術學院教改項目（項目編號：2017HGKC014）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.048

CLC NO.: U466