汽車鈑金工藝中焊接技術的優化研究

摘要：針對汽車鈑金焊接過程中出現的變形、強度不足及焊接效率低等問題，通過對焊接工藝參數進行系統優化研究。實驗采用正交試驗法，重點分析了焊接電流、電壓、速度等關鍵參數對焊縫質量的影響。研究結果表明：在焊接電流380～420 A、電壓18～20 V、焊接速度500～550 mm/min的工藝參數組合下，焊縫成形美觀、熔深適中、接頭抗拉強度達到母材的92%（469 MPa）。同時，采用脈沖MIG焊接工藝可使變形量降低35%，焊接效率提升25%。該優化方案為汽車鈑金焊接質量提升了技術支撐。

關鍵詞：汽車鈑金；焊接工藝；參數優化；焊縫質量；變形控制；優化研究

中圖分類號：U466" 收稿日期：2025-01-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503030

1 汽車鈑金焊接工藝概述

汽車鈑金焊接工藝涉及材料科學、焊接工藝學和熱力學等多個學科領域。焊接過程中的熱輸入、熔池流動及金屬凝固等物理現象直接影響焊縫質量[1]。根據焊接熱力學理論，焊接溫度場分布與熱輸入量、熱源移動速度等參數密切相關，這些參數決定了焊縫熔深、寬度及熱影響區大小。金屬在高溫下發生相變，產生體積膨脹和收縮，引起應力集中和變形。通過控制焊接工藝參數，可以調節熱輸入量，優化溫度場分布，從而改善焊縫成形質量，減小焊接變形。

材料力學理論指出，焊接接頭的強度受焊縫金相組織、殘余應力等因素影響。焊接熱循環過程中，熱影響區發生組織轉變，形成馬氏體、貝氏體等不同相態，這些組織的力學性能差異導致焊接接頭性能不均勻。通過控制冷卻速度和熱輸入量，可以調控金相組織演變過程，獲得理想的力學性能。焊接應力與工件約束條件、焊接順序等因素相關，合理的工藝設計可以降低殘余應力水平[2]。

隨著汽車輕量化進程加快，高強度鋼、鋁合金等新型材料在車身制造中廣泛應用，對焊接工藝提出更高要求。傳統焊接方法難以滿足這些材料的焊接需求，產生氣孔、裂紋等缺陷，影響車身結構可靠性。同時，汽車制造業競爭加劇，生產效率和質量控制要求不斷提高，迫切需要開發先進的焊接工藝技術。焊接工藝優化研究對提升汽車制造質量、降低生產成本具有重要意義。通過系統的工藝參數優化，建立科學的工藝規范，可以提高焊接質量穩定性，減少返修率，提升生產效率[3]。優化后的焊接工藝具有重要的工程應用價值，可為汽車鈑金焊接質量提升提供技術支持。

2 汽車鈑金焊接存在的問題

21 焊接變形問題分析

汽車鈑金件在焊接過程中普遍存在變形問題，主要表現為角變形、縱向收縮和橫向彎曲等形式[4]。焊接熱循環導致金屬局部受熱膨脹，冷卻后產生不均勻收縮，引起殘余應力，造成工件變形。高強度鋼板因其屈服強度高，在焊接過程中容易積累大量內應力，冷卻后釋放應力導致變形量增大。鈑金件厚度小，剛度較弱，對焊接變形特別敏感。實測數據顯示，傳統焊接工藝下，15 mm厚度的車門外板焊接后最大變形量可達25 mm，嚴重影響零件裝配精度。變形量與焊接熱輸入呈正相關，焊接電流過大或焊接速度過慢都會加劇變形。同時，不合理的焊接順序和工裝夾具設計也是導致變形的重要因素。

22 焊縫質量控制難點

焊縫質量控制面臨多重技術難題。焊接熔池溫度高達1 500 ℃以上，金屬液體在電弧力、表面張力等多種力的作用下發生復雜流動，容易形成氣孔、夾渣等內部缺陷。高強鋼焊接過程中，合金元素燒損嚴重，焊縫區域硬度分布不均勻，降低接頭強度。熱影響區組織演變復雜，快速冷卻易形成馬氏體組織，增加開裂傾向。實驗數據表明，焊接接頭抗拉強度比母材降低15%～20%，接頭韌性下降明顯。焊縫成形質量受多個工藝參數影響，參數間存在復雜的交互作用，難以找到最優參數組合。焊接過程還易受環境因素干擾，如氣流、溫度變化等都會影響焊縫質量穩定性。

23 工藝效率瓶頸

汽車鈑金焊接效率受到多方面制約。傳統焊接工藝采用單一熱源，熱輸入集中，為避免過熱變形，焊接速度受限，只能達到300～400 mm/min。焊接變形導致零件尺寸超差，需要大量返修工作，降低生產效率。焊接工藝參數調試耗時長，每更換一種規格鋼板都需要重新優化參數，工藝適應性差。焊接設備調試和維護周期長，設備可靠性不足影響連續生產[5]。工裝夾具結構復雜，更換調試時間長，制約生產節拍提升。自動化焊接系統智能化水平不足，對工件位置偏差、間隙變化等異常情況適應能力差，需要人工干預。這些因素導致焊接工位成為生產線瓶頸，制約整體生產效率提升。

3 焊接工藝參數優化

31 試驗方案設計

試驗采用Q235鋼板作為研究對象，規格為200 mm×100 mm×15 mm。焊接設備選用KUKA機器人配套的數字化MIG焊機，最大輸出電流500 A?；谡辉囼灧椒ㄔO計參數優化方案，選取焊接電流、電壓、速度、氣體流量和焊絲伸出長度5個工藝參數作為考察因素。每個參數設置4個水平，構建L16（45）正交試驗表。焊接工藝參數取值范圍為：焊接電流320～440 A，電壓16～22 V，焊接速度400～600 mm/min，保護氣流量12～18 L/min，焊絲伸出長度12～18 mm。為保證試驗數據可靠性，每組參數重復測試3次，取平均值進行分析。試驗過程中采用高速攝影機記錄熔池行為，使用紅外測溫儀監測溫度場分布。焊后檢測項目包括焊縫外觀檢查、射線探傷、金相分析、力學性能測試和變形量測量。通過綜合評分法對焊接質量進行評價，建立參數-質量關系數學模型。

32 參數影響規律研究

焊接電流對熔深和熔寬影響顯著，電流增大導致熱輸入增加，熔池尺寸增大。試驗數據顯示，當電流從320 A增加到440 A時，熔深增加57%，熔寬增加43%。但電流過大會導致飛濺增多，焊縫成形變差。電壓主要影響電弧穩定性和焊縫成形，電壓升高使電弧長度增加，焊縫寬度增大。實驗發現最佳電壓范圍在18～20 V之間，此時電弧穩定，飛濺少，焊縫成形美觀。焊接速度與單位長度熱輸入成反比，速度過快會導致焊縫余高過大，咬邊等缺陷。金相分析表明，在500～550 mm/min速度范圍內，焊縫組織細化，力學性能最佳。保護氣流量影響熔池保護效果和焊縫表面氧化程度，適當提高氣體流量可改善焊縫表面質量。焊絲伸出長度影響電阻加熱程度，進而影響熔滴過渡行為，試驗確定最佳伸出長度為15 mm。

33 工藝參數優化

基于正交試驗數據，采用方差分析法確定各參數對焊接質量的影響權重。計算結果顯示：焊接電流影響權重為38%，焊接速度32%，電壓18%，氣體流量8%，焊絲伸出長度4%。通過建立二次回歸模型，優化各參數取值。優化后的工藝參數組合為：焊接電流400 A，電壓19 V，焊接速度520 mm/min，保護氣流量15 L/min，焊絲伸出長度15 mm。在該參數下進行驗證試驗，焊縫外觀平整光滑、無氣孔、裂紋等缺陷。X射線探傷結果顯示焊縫內部質量達到Ⅱ級標準。力學性能測試數據表明，焊接接頭抗拉強度達到母材的90%以上，接頭硬度分布均勻，塑性良好。相比優化前的工藝參數，焊接變形量降低35%，焊接效率提高25%。

34 多參數交互作用分析

通過響應面法研究工藝參數間的交互作用規律。電流與電壓存在顯著交互作用，隨著電流增大，最佳電壓值相應提高。當電流為400 A時，最佳電壓范圍為185～195 V。速度與電流的交互作用表現為：高電流下需采用較快的焊接速度以平衡熱輸入。氣體流量與電壓間存在弱交互作用，高電壓條件下略微增加氣體流量可改善保護效果。焊絲伸出長度與電流的交互效應主要體現在預熱效果上，高電流時可適當減小伸出長度?；诮换プ饔梅治鼋Y果，建立工藝參數優化數學模型。模型計算結果與試驗數據吻合度達到95%，可用于預測不同參數組合下的焊接質量?？紤]參數間交互作用后的優化方案具有更好的工藝適應性，對工件尺寸和位置偏差具有較強的容錯能力。

4 工藝驗證與應用

41 焊接質量檢測與評價

焊接質量檢測采用多種方法綜合評價。外觀檢測結果顯示，優化后的工藝參數下焊縫成形飽滿，表面平整光滑、余高均勻、無咬邊、氣孔等表面缺陷。超聲波探傷檢測發現，焊縫內部質量顯著提升，未發現明顯的內部缺陷。金相組織分析表明，焊縫區晶粒細化，組織均勻，熱影響區寬度減小。力學性能測試數據見表1，焊接接頭抗拉強度達到母材的92%，延伸率提高15%，接頭硬度分布更加均勻。顯微硬度測試結果如圖1所示，熱影響區硬度梯度減小，過渡更加平緩，有效降低應力集中。掃描電鏡觀察結果顯示，斷口形貌呈典型韌性斷裂特征，撕裂棱和韌窩分布均勻，表明接頭塑性良好。X射線探傷結果評定達到GB/T 3323—2012標準中的Ⅰ級水平，各項檢測指標均滿足汽車制造技術要求。

42 工藝穩定性驗證

工藝穩定性驗證通過批量試驗和長期跟蹤評估完成。連續生產100件試樣進行工藝穩定性測試，焊縫外觀合格率達98%，內部質量合格率96%，尺寸精度合格率97%。通過在線監測系統記錄的電流、電壓波形分析表明，優化后的工藝參數下電弧穩定性提高，飛濺量減少50%以上。對焊接過程中的關鍵工藝參數進行統計分析，工藝參數波動范圍控制在設定值的±5%以內，滿足工藝穩定性要求。環境適應性測試顯示，在溫度15～35 ℃，濕度45%～75%范圍內，工藝參數保持穩定，焊接質量波動小。設備連續運行200 h可靠性測試中，未出現重大工藝故障，設備穩定性良好。不同操作人員條件下的工藝重復性試驗結果表明，工藝參數具有良好的適應性，操作者因素影響小。長期跟蹤數據顯示，焊接質量各項指標持續穩定，返修率較優化前降低60%。

43 應用效果分析

優化后的焊接工藝在某汽車制造企業車門外板生產線上進行應用驗證。通過6個月的實際生產數據統計，工藝改進效果顯著。焊接變形量較原工藝降低35%，工件尺寸合格率提升至98%。焊接效率提高25%，生產節拍由原來的45 s/件提升到36 s/件。產品質量一次合格率由85%提升至95%，每百件產品的返修數量從15件降低到5件。能源消耗分析顯示，優化后的工藝參數組合使焊接電源利用率提高，單件產品能耗降低20%。設備維護成本降低30%，焊絲和保護氣體消耗減少15%。經濟效益分析表明，新工藝每年可節省生產成本約120萬元。生產現場跟蹤發現，焊接煙塵排放量減少，工作環境得到改善。操作工人反饋顯示，新工藝參數穩定性好，調試維護工作量減少，工作強度降低?？蛻魸M意度調查結果表明，產品外觀質量和裝配精度提升明顯，市場反饋良好。

44 推廣應用建議

優化后的焊接工藝推廣應用需注意以下關鍵點：工藝參數轉移時應充分考慮不同生產線設備特性差異，進行針對性微調。建立完善的工藝標準化文件，包括工藝規程、操作規范和質量控制標準。加強操作人員技能培訓，提高工藝執行能力。配置必要的在線監測設備，實時監控焊接過程，及時發現和處理工藝異常。建立預防性維護制度，確保設備穩定運行。針對不同型號產品建立工藝參數數據庫，實現快速切換。定期進行工藝評審和優化，持續改進工藝水平。在其他鈑金焊接領域推廣應用時，需結合具體工況特點進行工藝驗證和優化。對于新材料、新結構的焊接，應開展專項工藝研究，確保工藝適用性。推廣過程中注重經驗總結和技術積累，形成完整的技術支持體系。制定合理的推廣計劃，分步實施，確保工藝穩定轉移。

5 結語

通過系統的工藝參數優化試驗，確定了適用于汽車鈑金焊接的最優工藝參數組合。研究發現焊接電流與熔深呈正相關關系，而焊接速度對焊縫成形質量影響顯著。采用脈沖MIG焊接工藝，結合優化后的焊接順序，可有效降低工件變形，提高焊接效率。優化后的焊接工藝具有良好的工業應用價值，可推廣應用于其他類似鈑金焊接領域。

參考文獻：

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作者簡介：

葉好，男，1989年生，助教，研究方向為汽車檢測與維修。