螺柱焊缺陷分析

摘要：螺柱焊是汽车行业一种成熟的焊接工艺。螺柱焊在实际应用过程中易出现掉落、焊瘤等质量缺陷，严重影响总装装配。影响螺柱焊焊接质量的因素是多方面的，包括焊接参数、工装、螺柱及制件表面质量、螺柱焊设备、人员操作方法、地线布置等。如何从开发过程中避免焊接缺陷的产生，前期的设计尤为重要。

Analysis on Stud Welding Defect

Abstract: Stud welding is a mature welding technology in auto manufacturing industry. It often has the serious qualityproblems in the real application, such as sealing off and welding beading which affect the assembly. The factors thatinfluence the welding quality include welding parameters, fixture, quality of stud and the manufactured parts, equipment,operation rules and ground wire layout. The design in the early stage is very important in order to avoid the welding defectsin the development process.

螺柱焊是将螺柱一端与板件（或管件）表面接触，通电引弧，待接触面融化后给螺柱一定的压力形成牢固连接的工艺方法，螺柱焊分为储能式螺柱焊和拉弧式螺柱焊，汽车行业应用最多的是拉弧式螺柱焊。螺柱焊焊接缺陷的原因是多方面的，需要对各影响因素熟悉了解，从而更好地找到问题真因，快速解决问题。

1 螺柱焊焊接质量影响因素分析

1.1 焊接工艺参数

螺柱焊的焊接参数主要为焊接电流 I 和通电时间T，一般螺柱焊接端面直径与焊接电流的管线为 I=（ φ +1）×100 A，与焊接时间的关系为 T= φ ×4ms，螺柱焊接端面直径以 mm 计算，如果是镀锌板，在此基础上焊接电流和通电时间各增加 10%，过大的工艺参数导致焊接熔池过大，形成焊瘤或焊穿，螺柱焊接强度反而下降，若工艺参数较小，焊接熔池小，易导致虚焊。

以 M5，M6 螺柱为例，M5 的螺柱端面直径尺寸一般为 6 mm，焊接电流 I=（6+1）×100 A=700 A，通电时间 T=6×4 ms=24 ms。M6 的螺柱端面直径尺寸一般为7.5 mm，焊接电流 I=（7.5+1）×100 A=850 A，通电时间T=7.5×4 ms=30 ms。

螺柱焊焊接电流与通电时间互相补充，通常选用大的焊接电流，小的通电时间，俗称强规范进行焊接，强规范能够快速形成熔池，减少热量损失，焊缝成型好，一般不建议使用弱规范进行焊接。

1.2 螺柱焊工装夹具的影响

（1）螺柱焊夹具的影响只针对人工螺柱焊，人工螺柱焊依靠螺柱焊夹具导套进行定位焊接，在焊接过程中夹具导套的直径直接影响焊接质量。合理的夹具导套直径能够保证焊枪焊接时与制件的法向垂直，如图 1 所示。如果螺柱焊导套直径过大，会导致在螺柱焊操作时焊枪与制件不垂直，造成引弧不良或偏弧焊接，螺柱焊接质量差，易掉落，同时也会导致螺柱位置精度发生变化，如图 2 所示，所以对螺柱导套的直径需严格控制。通常导套的磨损量大于 0.5 mm 时需要更换，以保证螺柱位置精度及焊接质量。

图 1 夹具导套直径合理的情况

图 2 夹具导套直径过大的情况

为保证螺柱焊接时与制件的法向垂直，夹具设计过程中可采取夹具导套上端面与焊枪端面基本平齐的方法，夹具导套上端面与焊枪端面存在间隙时，不能保证焊枪焊接时与制件垂直，如图 3 所示。反之，夹具导套上端面与焊枪端面贴合，可保证焊接过程焊枪与制件垂直，得到好的焊接质量，如图 4 所示。

图 3 夹具导套上端面与焊枪端面存在间隙

图 4 夹具导套上端面与焊枪端面贴合

（2）夹具结构及材料的影响。在工件上的一侧聚集铁磁材料时，由于铁磁材料的导磁性能比空气要好，电弧的方向会朝向铁磁性物质的方向，通常夹具制造以铁为主，如果夹具设计螺柱排布紧密，铁磁性物质比较集中，极易导致偏弧现象的发生，使焊接熔核不均，如图 5 所示。解决方法为：a.更改夹具结构，分布铁磁性物质，减少铁磁性物质集中，如图 6 所示；b. 更改夹具材质，使用没有铁磁性物质材料，如铜或者铝，如图 7 所示。

图 6 夹具结构优化，减少铁磁性物质聚集

图 7 使用没有铁磁性物质材料

图 7 使用没有铁磁性物质材料

（3）夹具导套结构的影响。夹具设计过程中为保证制件能够顺利取出及夹具的功能性，夹具螺柱焊导向套设计不为圆形，而是存在一定的缺口设计，较小的缺口对螺柱焊定位无影响，通常夹具导套缺口尺寸不得大于整圆的 1/4，如图 8 所示。但是缺口过大时（缺口尺寸大于 1/4），如图 9 所示。螺柱焊枪作业时也保证不了操作的垂直度，会导致偏弧、焊接不良及螺柱位置偏差。

图 8 夹具导套缺口约 1/4

图 9 夹具导套缺口远大于 1/4

（4）螺柱焊焊接方向的影响。对于板材较厚的车身件，需要的焊接参数较大，形成的熔池大，在重力作用下熔池会发生偏移，导致焊缝不均，在夹具设计时要考虑螺柱的焊接方向。当焊接方向与重力方向成 90°时，易使熔池在重力作用下发生偏移，导致焊缝不均，焊接强度降低，如图 10 所示。当焊接方向与重力方向一致时，会形成均匀的焊缝，如图 11 所示。

图 10 焊接方向与重力方向呈 90°、焊接方向与重力方向一致.

1.3 螺柱及制件表面质量的影响

螺柱焊表面处理方式通常分为 2 种，一种为表面涂防锈油，减少螺柱锈蚀，如图 12 所示。实验证明油污对螺柱焊引弧过程影响很大，制件及螺柱表面过多的油污会导致焊接引弧困难，造成焊接不良，所以对于制件及螺柱表面要求是比较严格的。另一种为螺柱表面采用镀铜或镀铬处理，如图 13 所示。镀铜或镀铬处理不仅提高其焊接导电性，而且起到防锈蚀的作用，使螺柱焊接过程更稳定，提高焊接质量。

1.4 螺柱焊设备的影响

螺柱焊机输出电流的稳定性，直接影响焊接质量。相对而言，逆变整流焊机有更稳定的电流输出，螺柱焊提升高度设定不合理会导致引弧不良，提升高度标准为 1.5～2 mm，一般要求下可以满足焊接要求。

1.5 地线布置的影响

地线布置符合对称的原则，且地线接触良好，对称的布置能够减少电弧因电磁场的影响而导致的偏弧现象，一般的螺柱焊机地线至少有 2 根，根据实际需要可以增加，地线与制件连接的部位最好使用铜块接触，以保持良好的导电性。

2 应用案例分析

前围下横梁总成制件在焊接过程中出现较大焊瘤，导致总装无法进行装配，如图 14 所示。影响因素分析，如图 15 所示。

2.1 原因分析

（1）焊接工艺参数偏大，导致焊接熔池过大；

（2）柱焊提升高度大，范围为 1.5～2 mm，螺柱提升高度越大，电弧引弧过程越不稳定，易产生偏弧；

（3）铁磁性物质及地线的连接导致焊接磁偏吹；

（4）螺柱焊机输出电流不稳定，影响焊接质量；

（5）焊接角度不垂直，导致焊接熔池不均，产生较大焊瘤。

2.2 整改措施及效果

（1）现场使用焊机为可控硅焊机，由于板材较厚，需更换为逆变整流螺柱焊机，提高焊接质量稳定性；

（2）使用螺柱焊枪，螺柱提升高度为 2 mm，考虑铁磁性物质及焊接位置的影响，必须压低电弧来减少焊瘤，螺柱提升高度降低为 1.5 mm；

（3）更改夹具结构，焊枪焊接时使焊枪拖面与夹具导套上平面贴合，提高工人操作稳定性，减少不垂直操作；

（4）将铁磁性物质密集区域更改为铝型材，减少铁磁性物质的影响。经过以上整改，螺柱焊焊接质量满足工艺要求，螺柱焊熔池均匀，螺柱焊焊瘤缺陷消除。

3 结论

综上，螺柱焊焊接缺陷的产生是多种影响因素共同作用的结果，从产品设计到焊接工装设计、焊接参数设计、螺柱的表面处理方式及焊接设备的选型等各个环节进行控制，才能得到良好的焊接质量，从现场调试过程中需要注意总结设计中的不足，及时改正并横展至后续车型开发中，在前期设计对产生螺柱焊缺陷的因素进行规避，缩短白车身开发调试周期，降低车型的开发成本。