工藝開發過程中的螺柱焊質量控制要點

羅光盛，梁剛，保靜瑜

宜賓凱翼汽車有限公司 四川宜賓 644000

螺柱焊是一種將螺柱或類似緊固件通過拉弧焊接于工件上的工藝方法。螺柱焊工藝有以下幾個優點：操作相對簡單，生產效率較高；熱影響區小，焊接變形極小；單面焊接，不需開孔，對焊接空間和密封要求低；不需要填充材料及氣體保護，制造成本較低。基于以上優點，螺柱焊工藝廣泛應用于車身連接上，如管路、線束、內飾及隔熱墊等承載力較小部位的固定，以及電子電器搭鐵連接等。螺柱焊質量問題主要有虛焊、偏弧、焊穿及氣孔等，此類問題如不加以控制，在總裝裝配過程中出現螺柱脫焊，經常導致車輛下線返修和停線，造成人員、動能的巨大浪費。

工藝開發過程的螺柱焊質量控制

螺柱焊接質量的產生是多種因素共同作用的結果，需從產品設計、設備選擇、工裝設計到參數設置、地線連接和設備保養維護等各個環節加以控制，才能保證良好的焊接質量。在前期開發階段明確螺柱焊控制要點，不僅提前規避了焊接缺陷，而且降低了質量風險和開發成本。

按照產品開發逐漸成熟的各階段，整車工藝開發分為工藝策劃、工藝分析、工藝設計、設備工裝開發、工藝驗證和工藝維護優化等六個過程。在車型開發中，螺柱焊質量的控制側重點各不相同，現就工藝開發各個過程中控制方法分別闡述。

工藝策劃和工藝分析

螺柱焊質量策劃為質量專項策劃其中一個模塊，主要通過人機料法環測6個維度，針對影響螺柱焊接質量的33項內容進行分析，如圖1所示。通過影響螺柱焊質量的因素正向確認，以及歷史問題排查，制定相應的解決措施和改善建議，按產品開發各階段逐步確認。

圖1 螺柱焊質量策劃全景

螺柱焊的工藝分析主要包含焊接材料、料厚、焊接結構、工藝干擾距離以及防錯要求的分析，以改善產品可制造性，輔助產品實現。

1.焊接材料及板厚

被焊零件一般為車身常用的低碳鋼、鍍鋅鋼、高強度鋼及不銹鋼等，材料厚度建議≥0.7mm，尤其是在薄板上焊接搭鐵螺栓時易導致焊穿。

2.焊接結構

螺柱焊接面盡可能為平面，為增加板件剛度建議設計凸臺。如圖2所示，一般取A≥B+4.0mm（其中A為凸臺尺寸，B為螺柱焊槍槍頭直徑），如M6普通螺柱參考值為25mm，M6搭鐵螺柱參考值為30mm。弧面等特殊部位焊接螺柱，曲率半徑需＞400mm。

圖2 螺柱凸臺平面尺寸要求

為防止出現磁偏吹，螺柱需避免過于靠近L形零件的根部，螺柱中心距折邊距離應＞60mm。如圖3所示，搭鐵螺柱中心與L形立面距離僅30mm，焊接后向根部方向偏弧。

圖3 螺柱位于L形零件根部

3.工藝干擾距離

1）點焊與焊接螺柱之間最小距離。以M6螺柱為例，如螺柱在點焊之后焊接，則要求螺柱焊與點焊中心距最少為27mm，如螺柱在點焊之前焊接，則要求螺柱焊與點焊中心距最小25mm。

2）螺柱與螺柱之間最小距離。以M6螺柱為例，螺柱與螺柱中心距最少為19mm，如圖4a所示。

3）零件料邊、孔與螺柱之間最小距離。以M6螺柱為例，零件料邊、孔與螺柱之間最小距離為14mm，如圖4b所示。

圖4 螺柱工藝之間距離要求

4）防錯。工序排布時，螺柱焊接一般集中在少數工位，減少設備投入，利于生產組織。因此，同工位焊接的螺柱種類越少，防錯能力越高，作業效率也越高。根據經驗，同工位螺柱種類應不超過3種。同時外形差異較小的螺柱，應與產品部門討論統一型號，避免僅存在螺柱長度差異的在同一工位焊接。

工藝設計和設備工裝開發

1.設備選型

為保證螺柱焊后接頭可靠，工件不變形，焊機需具有抗電磁干擾能力，以及自動補償電網電壓波動，確保電流輸出穩定。

2.焊槍選型

人工焊槍要使用輕便，符合人機工程學；同時可靠性高，動作重復性好，控制精確，焊槍自身也要有焊接螺柱垂直角度調節功能。

3.參數設置

螺柱焊的工藝參數主要包括極性、焊接電流、焊接時間，以及提升高度設置。

1）極性。一般鋼質螺釘采用正極性接法，即工件接電源正極，其余材質螺釘采用負極性連接方式。

2）焊接電流與焊接時間。焊接電流的選取與螺柱的公稱直徑有關，焊接電流一般取螺柱公稱直徑的100～120倍，焊接時間一般取公稱直徑的4～5倍。若焊接板材為鍍鋅板，焊接電流需在此基礎上增加20%。

3）提升高度。提升高度一般在0.8～2mm，需結合焊接過程調試確認。當提升高度過大時，電弧引弧不穩定，容易產生磁偏吹；提升高度過小時，易產生短路而導致斷弧。

4.夾具技術要求。

在夾具圖樣會簽階段，需重點針對螺柱焊夾具的人機工程、結構及材質、地線設置及防錯等要求進行確認。

1）人機工程。在夾具設計中，應預留充分的焊接通道，焊槍作業范圍內不應有干涉。夾具設計在滿足定位精度和一致性的原則下，同時結構要簡潔，保證有良好的操作性。

2）夾具結構及材質。連接座部位采用不銹鋼材質，植釘套筒采用碳鋼材料，并盡量保證整圓結構，表面發黑處理，植釘套筒的軸線需垂直于焊接平面，套筒設計時距離焊接件3～5mm。

3）焊接面反面支撐。所焊接零件料厚在0.8mm及以下的薄板，夾具設計時，需在植釘背面相應位置設計支撐塊，支撐塊采用45鋼，表面發黑處理。而當支撐塊在螺柱的正下方時，支撐塊的中心需與套筒中心線基本重合，支撐塊中心位置開φ10mm、深度為2～3mm的孔（見圖5），支撐塊的材料需選用鉻鋯銅。

圖5 螺柱焊反面支撐

4）焊接地線設置。螺柱焊植釘夾具在夾具UNIT單元處要做絕緣處理，板件較大夾具需要布置2～3處接地裝置防止焊接磁偏弧。螺柱焊夾具地線需要與車身零件直接連接，不通過夾具BASE進行連接，與車身零件接觸的夾具定位塊、壓緊塊、定位銷都需要做絕緣處理。螺柱焊接地裝置盡量采用浮動式，以保證工件與零件貼合度。

圖6 螺柱焊接地裝置

5）夾具防錯。一套夾具上不同型號的螺柱焊，槍套采用不同顏色進行識別，槍與套筒的顏色相對應，顏色標識要清晰，不可脫落。不同車型螺柱防錯方式首選夾具機構切換防錯，特殊情況（如空間限制）無法做工裝防錯的采用顏色防錯等人工輔助防錯方式。

工藝驗證和維護

工藝驗證階段主要對前期策劃和開發的工藝工裝進行驗證確認，以滿足達到既定的質量目標和過程質量能力。

（1）焊接面、焊槍清潔度 螺柱焊前應清潔焊接面油污、銹蝕、漆層及灰塵雜質等，同時焊槍防濺罩以及夾具反面支撐的焊渣應定期清理，避免焊接時電流密度不均焊接質量不穩定，產生虛焊、氣孔等，如圖7所示。

圖7 焊槍及夾具清潔度影響

（2）焊接垂直度 螺柱焊槍在導套中與焊接面應垂直，偏差不超過3°。驗證表明，當螺柱垂直度誤差大于3°時，螺柱與板件焊接接觸面積減少，導致虛焊率大幅上升。

（3）磁偏吹問題排查 焊接時如發生磁偏吹，應在磁偏吹的背向端增加地線或引鐵驗證，以此達到“吸引”電弧，減少磁偏吹的目的，如圖8所示。

圖8 磁偏吹原理及解決方法示意

（4）螺柱焊質量檢驗 主要有彎曲檢驗和扭轉檢驗兩種方式。彎曲檢驗是焊接完成后用相應的螺柱套筒使螺柱彎曲10°～15°，觀察螺柱形態，螺柱不脫落，焊縫無裂紋，則為合格焊縫，反之需補焊處理。扭轉檢驗是在焊接的螺柱上手擰雙螺母，然后使用扭力扳手對不同規格的螺柱加載相應的扭矩，驗證螺柱是否脫焊。要求加載到扭矩值標準時，螺柱不與鈑材剝離；如果在螺柱剝離前，焊接鈑材被撕出孔洞或有損壞，即認為螺柱滿足扭矩值要求。

工藝優化及維護階段除了對影響螺柱焊接質量的作業方法、參數設定、工裝設備維護及檢驗方法規范受控，還要針對焊裝過程檢驗及總裝裝配過程發現的螺柱焊質量問題進行排查和控制。根據對螺柱焊失效產生的原因和影響因素的分析，結合生產現場的螺柱焊質量控制經驗，制定了螺柱焊質量問題排查方法和流程，如圖9所示。流程共包含6項主要素及16項子要素，涵蓋焊接面表面狀態、設備維護保養、焊槍垂直度保證、板件剛度、地線布置及焊接參數等，為螺柱焊質量問題排查和優化提供參考。

圖9 螺柱焊質量問題排查方法和流程

結語

隨著汽車焊接工藝的發展和提升，螺柱焊的自動焊接已逐漸應用于車身制造中，自動焊接過程不需要工裝夾具精確定位，其生產高效、設備穩定、焊接一致性好，也將成為未來的螺柱焊自動化、智能化的發展方向。工藝技術人員要不斷深入研究，總結經驗，推動焊接技術的不斷發展。