白車身電阻點焊飛濺原因及控制淺析

目前國內外白車身焊接技術仍廣泛采用電阻點焊工藝，在很長一段時間內，仍將是主流焊接方式。電阻點焊工藝，因其經濟可靠性，成為汽車焊接最常見的金屬鈑材連接工藝。但在實際生產中，因為諸多因素的影響，焊接時會產生金屬熔液飛濺現象。這些飛濺不僅會導致焊點強度的降低，其衍生物焊渣及金屬毛刺更是對車輛防腐性能、整車線束安全、外觀漆面質量等造成不必要的安全隱患[1]，工廠需要耗費額外的人力、物力、財力進行檢查和返工。焊接飛濺率是衡量工廠車間質量水平的重要指標之一，也是所有從業者一直致力于對飛濺有效控制甚至是杜絕飛濺研究的重點方向。本文將工廠實際運行情況與理論研究相結合，分析總結了焊接飛濺發生的原理和控制飛濺發生的標準措施、方法等。

飛濺的原理及定義

飛濺是電阻點焊過程中融化的金屬熔液從熔核中劇烈地向外噴射產生大量火花的現象，由于兩電極尖端之間融化的金屬缺少限制而導致。嚴重的飛濺可能由于噴射出過量的金屬熔液而在熔核中或表面形成孔洞，導致接頭力學性能下降，通過以往的拉剪力試驗得到的數據可知，在焊接條件相同的情況下，出現飛濺后的焊點拉剪力相比正常焊點拉剪力下降約 0鈑金表面出現焊渣、毛刺是電阻點焊最常見的一種焊接缺陷。

1.電阻點焊原理

電阻點焊是電阻焊接時，待連接部件中間的焊接區域被電阻產生的熱量和同時施加的電極力加熱到可熔化狀態。在電極力的作用下，工件在熔化物凝固時被互相連接在一起。在這過程中核狀物所產生的熔核連接被稱為點焊，如圖1所示。

電阻點焊每焊接一個焊點為一個循環，常規的點焊過程可分為四個階段：預壓、通電加熱、維持及休止。焊接過程中，隨著時間的增加，電極壓力、電流各階段示意如圖2所示3。

化，最終液態金屬在電極壓力及自身膨脹力的作用下沖破塑性環的束縛發生飛濺。根據飛濺位置的表現形式，可分為工件間內飛濺和工件與電極接觸面外飛濺，如圖4所示[4，5]。

2.飛濺發生類型及階段

在通電加熱階段，在液態熔核周圍存在一圈高溫固態金屬，在電極壓力的作用下產生塑性變形和強烈的再結晶，形成包裹著液態熔核的高溫塑性金屬環，如圖3所示。隨著加熱過程持續，融化金屬增多，由于金屬受熱膨脹，融化區壓力逐步增大。熔核區域及塑性環逐步向外擴展，當加熱過程過于劇烈時，熔核區的擴展速度大于塑性環擴展速度，塑性環被逐步融

綜上，飛濺在通電加熱階段熔核形成過程中產生，為液態金屬在電極壓力及自身膨脹力的作用下沖破了塑性環的束縛過程現象。

飛濺發生理論分析及影響要素

液態金屬沖破塑性環的束縛原因如下：

1）熔核生產速度過快，突破塑性環的束縛。

2）塑性環約束力不足。

熔核產生的核心為熱輸入過程，熱輸入大，則熔核生成速度快。由熱量計算公式 可以得出產生的熱量Q與焊接電流1、兩電極間電阻R、焊接時間t三者呈正比關系，兩電極間動態電阻R受鈑材本身與工藝過程因素影響，電流1與焊接時間t由焊接參數設定，故本研究從動態電阻及焊接參數兩個維度開展分析。

1.電阻R的影響

點焊電阻R的計算公式為

式中 兩鈑材本身電阻； 鈑材間接觸電阻；Rcw 電極與鈑材間接觸電阻。

1）電極與鈑材間的接觸電阻 對于點焊過程熔核的形成影響很小。

2）鈑材的電阻 指電流流經兩電極直徑所限定的金屬圓柱體內的電阻，該電阻與鈑材厚度、材料的電阻率成正比，與電極與鈑材間接觸面直徑的平方成反比。

鈑材電阻計算公式為

式中 ρ 電阻率；

L 制件厚度；

S- 一電極頭與制件接觸面積（其中制件電阻率和制件厚度在產品設計開發調試過程已固定）。

因此，當電極接觸端面S降低造成電流密度（ j=I I S）增加，導致 增大，使電阻熱Q值增大。

3）任何兩平面接觸時，從微觀看都只能在個別凸出點上發生接觸，電流須沿這些接觸點通過，因此構成接觸電阻 ，鈑材和電極表面有高電阻率的氧化物或臟物層，也構成接觸電阻。接觸電阻大小與電極壓力、材料性質及表面狀態有關。

綜上，電極與鈑材接觸面積為影響動態電阻主要原因。實際焊接過程中，電極與鈑材間接觸面面積減小，導致接觸電阻R增大，熱輸入 Q 增加，液態金屬突破塑性環產生飛濺，通過現場總結可知影響接觸面積的因素共6項：焊接角度超差、上下電極帽對中度超差、電極帽修模軌跡不合格、焊點位置不合理、焊接軌跡不合理以及鈑金間隙超差。

2.焊接參數I、t分析

在飛濺調試優化過程中，在上述工藝過程因素排除后，仍存在飛濺情況。通過現場焊接試驗數據，統計分析得出：電流和熔核直徑、飛濺呈增強相關，通電時間和熔核直徑、飛濺呈正相關，如圖5和圖6所示。

綜上可以得出，當通電電流/通電時間設置超出合格區參數時，熱輸入Q值超過合格標準，焊接過程將產生飛濺。飛濺的核心為電流大小和通電時間的匹配。

3.現場典型飛濺問題失效庫

雖有各種各樣的潛在失效模式，如圖7所示，但實際生產中往往是過程影響因素較多，不考慮參數設置不合理原因，對某車型記錄數據進行統計，其中電極帽垂直度超差原因占約 6 0 % ，電極帽貼合度差原因占30 % ，其他如搭接間隙大等原因合計占 10 % ，如圖8所示。因此實際生產中設備原因導致的焊接軌跡偏差為導致焊接飛濺最主要原因。當設備垂直度、對中度、貼合度等外部條件均滿足標準的情況下仍存在飛濺的時候，需要再從焊接參數角度進行優化。

飛濺控制要素及標準

根據失效樹圖及缺陷問題庫案例，歸納整理了焊接飛濺過程控制要素及點檢標準。

1）第一類，焊鉗狀態控制。需要對焊鉗電極桿垂直度（ 以內）、電極帽對中度（ lt; 0 . 5 m m ）、焊鉗壓力狀態、焊鉗電極冷卻狀態進行控制點檢，需要檢查氣壓表、水流量表等。當焊鉗與制件平面焊接角度不垂直時，會使得鈑金通電截面上的電阻值不均勻，生產熱量分布不均勻，焊核位置也會發生偏移，最終導致塑性環不能較好地包裹熔液而產生飛濺]。

2）第二類，電極帽質量控制。需要對電極帽端面修磨軌跡或修磨后電極帽表面質量進行確認控制，包括表面清潔度、修磨端面平整度、端面直徑（6～8 m m ）等。不能使用焊接端面有缺口、凹坑，氧化皮及端面直徑不合格等的電極帽，如圖9所示。

3）第三類，焊點及焊接邊相關控制要求。焊接過程需要對焊點位置、靜臂貼件狀態、焊鉗與制件干涉狀態進行控制，做到焊點位置分布合理，靜臂保持貼合制件，焊鉗無分流。比如當焊點位置處于制件止口邊緣或R角處時，由于焊核位置靠近邊緣，無法形成完整的塑性環對液態熔液進行有效包裹，此時則易發生飛濺。因此對其位置進行要求：焊點邊緣至工件板邊的距離 不小于焊點直徑的1/2，如圖10所示。

4）第四類，鈑材狀態控制。根據鈑材間是否有間隙 （間隙 lt; 1 m m ）、是否有鍍層、是否有涂膠層等，需要在常規參數下額外增加焊接加壓力、預熱、脈沖頻次等，例如帶鍍層鈑件的焊接電流比不帶鍍層的要大，兩者之間的差異最大在 30 % 左右，同時焊鉗電極壓力需增加 120 % 左右，預壓時間需增加 10 % 左右。為了降低鍍鋅板焊接飛濺的產生，可采取預熱以及預壓的方式，對表面的鍍層進行提前破壞。當鈑金表面或鈑金之間存在涂膠層時，接觸電阻明顯變大，此時可采用斜坡焊接的功能，先使用大電流破壞膠層，后用小電流焊接，用減少熱量產生的方式減少焊接飛濺現象的出現[8]。

5）第五類，焊接參數控制。影響焊接質量的參數主要有通電時間、通電電流、焊接加壓力。焊接參數對塑性環的影響主要是熱量產生的快慢，當熔核的生成速度大于塑性環的擴展速度時，塑性環就無法對熔核產生有效的包裹，從而發生熔核飛濺。因此，工廠車間需要定期對參數進行測量校準，要求電流、壓力按照工藝要求進行定期標定及核對，做到電流、壓力參數波動滿足控制計劃要求，與受控參數表一致。

采用大的電流、短的焊接時間的參數稱為硬規范；采用小的電流、長的焊接時間的參數稱為軟規范。通常工廠車間為了生產效率較多采用硬規范。硬規范應用情況下，熱量增加迅速，熔核生成速度快，易產生飛濺現象。軟規范情況下，熱量增長較緩慢，塑性環生長溫和，飛濺相對容易控制，但易造成焊點壓痕深、表面品質差、電極磨損快等問題，工廠企業需要根據情況適當調整軟、硬規范應用場景9。

結語

焊接飛濺作為影響白車身連接強度和外觀的重要質量問題，必須進行控制和優化。通過分析，確定了塑性環不完整或者破裂是導致白車身點焊產生飛濺的主要原因，進而從影響塑性環和熔液金屬生長的因素、條件揭示了相互間的關系，重點分析了接觸電阻及焊接參數對點焊飛濺的影響，通過試驗，得到的主要結論如下。

1）焊接飛濺主要發生在通電加熱階段，飛濺主要是因為液態金屬在電極壓力及自身膨脹力的作用下沖破了塑性環的束縛過程現象。2）電極與鈑材接觸面積為影響動態電阻主要原因，也是造成最終生成熱量Q值不合理的主要因素。3）實際生產過程中飛濺產生主要是由電極帽不垂直與電極帽不對中引起，比例約占 90 % 。4）相同條件下，焊接電流對熱量生成及飛濺影響最大，通電時間次之。通過制定合理的規范參數，可以有效緩解或消除過程中的焊接飛濺。

同時，本文制定了飛濺控制要素及點檢標準，對飛濺現象的改善和控制、對設備的合理化使用、對提高焊接效率及以對工廠車間質量提升都有積極的促進作用[10]。

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