杜偉國

（上海通用汽車有限公司　上海 201206） 

摘要：分析了電弧螺柱焊的焊接原理，為生產中出現的焊接問題從本質上加以闡述，并在此基礎上介紹有關焊接缺陷的形成和質量檢測手段。

關鍵詞：螺柱焊  焊接質量

Abstract: The basic principle of the arc stub welding was introduced and the problems, aniseed in the welding process, were analyzed. Based on those analyses, the causes of the defects in the weld were founded and the quality testing was introduced

Key words: stud welding, welding quality

O  前    言

隨著現代汽車工業的發展，使用者對汽車功能的要求更高、更多、更具個性化，這就需要白車身的制造工藝更具柔性，同時成本要精益，可制造性好，車身結構要緊湊合理。螺柱焊系統在滿足和實現當代造車理念上起著舉足輕重的作用，、這可將許多巧妙的設計轉化成易于制造的工藝。

從廣義上講，將螺柱或類似的其他緊固件通過電弧熔化金屬的途徑焊于工件上的方法統稱螺柱焊，這有別于傳統汽車制造中的電阻點焊和凸焊。螺柱焊的電弧可由直流電源或一組儲能電容產生，螺柱焊焊接普通碳鋼時應采用直流正接，焊接有色金屬時則采用直流反接。螺柱焊是焊接緊固件的一種快速方法，不僅效率高而且可以通過專用設備對焊接質量進行有效的控制，從而保證接頭的導熱性、導電性和接頭強度。

在該特殊焊接領域，占有領先地位的兩家公司為Emhart和TRW，該兩種品牌占據著全世界90%以上的市場份額。近年來，由于TRW的退出，Emhart幾乎在該領域沒有對手。上海通用汽車就采用Emhart的螺柱焊系統，焊接別克轎車和別克GI8的螺柱機器人焊接系統是目前中國最先進的生產系統，焊接質量穩定可靠。

1           Emhart 螺柱焊的焊接過程

Emhart螺柱焊實質是一種電弧焊，其焊接過程由以下4個主要階段構成。

1．1    第一階段

當螺柱與工件接觸時（SOW），初始電流值約為40A，電壓為0V。初始電流的存在，一方面可激活焊接處的被焊金屬表面，以便順利起弧；另一方面為控制器反饋所診斷的信息（見圖1）。在實際的生產過程中，由于焊接板材的形狀原因，或車體尺寸的配合原因，在機器人焊接時，有時會出現螺柱與車身接觸困難，同時如果車體鋼板強度偏軟，也會影響焊接的質量。這就需要在工裝夾具上做相應的調整，增強被焊處鋼板的剛度，從而保證該階段的可靠和穩定。

1．2    第二階段

緊接著焊槍中的提升線圈得到70V（DC）的電壓，線圈動作，將螺柱提升到（0.45″1.2mm），已被激活的金屬表面在電壓作用下由此而產生拉弧，由于提升高度一定，電弧電壓最終約為24V(DC)。該電壓為維弧電壓，為主電弧的順利導入創造了條件，如圖2所示。

1．3    第三階段

主焊接電流導通，在電弧的作用下，被焊工件的被焊接處熔化成焊接熔池，由于提升高度相同，電弧電壓保持不變（見圖3）。

1．4    第四階段

提升線圈失掉電壓，螺柱下降，下落到焊接熔池中，下落時間為12ms。從而完成整個焊接過程（見圖4）。

2 焊接時間對質量的影響

EMHART焊機對焊接時間的定義是：從焊接主電流導通到焊接電弧電壓為0所需的時間（見圖5）。

焊接時間是影響焊接質量的關鍵因素之一，由于Emhart控制器對焊接時間的控制是通過電弧電壓的反饋信號而加以控制，所以焊頭的工作狀態非常重要。在生產過程中，焊接時間常因下落時間（drop time）的變長而相應增長。焊接時間超出焊接規范，導致焊接質量的下降、出現焊穿、螺柱的法蘭過渡熔化等。出現以上情況，主要有4個方面的原因：①夾頭位置不對而導致提升距離變長。②支撐彈簧超出疲勞極限。③焊頭污染，其滑板滑動不暢。④反饋線接觸不好或與接地線的連接斷路（見圖6）。

EMHART的螺柱焊系統分為手工螺柱焊系統、半自動焊接系統和機器人焊接系統，其焊接原理基本一致，只是系統構成有所不同，此處不再贅述。

3   工藝過程控制和質量檢驗

通用汽車“造入質量”（build in quality）的先進生產理念，使得在實際生產中對過程的控制更嚴格，穩定的車身質量才能切實得以保證。

3．1    工藝過程控制

1）   精確設置焊接參數：車身板材厚度、有無鍍層、螺柱位置等，都是在設置參數時應當考慮的問題。

2）   保證焊接回路的通暢和連接的可靠，盡量使焊接處與地線靠近，減少中間過渡環節。

3）   焊槍或焊頭的角度開關有一定的范圍，調節時應盡量使螺柱與焊接板材垂直，特別是對手工焊槍，角度開關調節的范圍越小，質量就越穩定，人為的影響因素就越小。

4）   盡量保持焊接表面的清潔。雖然EMHART的螺柱焊系統有自適應系統，當表面有油污時，由于反饋

的焊接電壓比正常的值高，焊接自適應系統會將電流相應提高，但畢竟有一個滯后過程和范圍。

3．2    質量檢驗

⑴目視檢測   對于T形螺柱、帶法蘭的螺柱，其焊接質量可以通過目視檢測螺柱底端焊縫外觀形狀來判斷焊接的質量，如圖7所示。

圖7a所示是一個合格的螺柱焊縫，其角焊縫均勻，成形連續且熔合好。

圖7b所示為虛焊，表明螺柱沒有完全插入熔池。這種情況應檢查夾頭的位置是不正確，焊槍的頂桿彈簧是否超出疲勞強度和焊頭滑動是否自如。

圖7c所示表明焊接熱量不足。解決的途徑是檢查夾頭與防飛濺套的位置是否等于1.2mm，是否所有導線接點可靠，以確保電流的順利導通，同時可根據情況增加焊接電流或焊接時間。

圖7d所示表明熱量過高。在確保夾頭位置正確的前提下，可降低焊接電流或焊接時間。

圖7e所示表明螺柱傾斜，只有局部的焊縫。通過矯正焊槍位置，使其與焊接表面垂直即可解決。

圖7f所示表明接頭一側焊縫堆積而另一側沒有焊縫。這是由于電弧偏吹所致，可通過改變接地方式和位置來解決。

⑵彎矩檢測    上海通用汽車采用專用的測力工具對`螺柱進行檢測。該專用工具如圖8所示，在檢測螺柱前，先按不同螺柱的尺寸調整好工具，檢測時手柄擺動角度為50°，如果螺柱在檢測時無斷裂和焊縫開裂，該螺柱為合格。

總之，先進的螺柱焊接生產系統結合有效的焊接質量控制程序，為汽車柔性生產工藝和生產高質量的轎車提供了有力的保證。

參    考    文    獻

1   TMP STUD WELDER（美）．Emhart automotive

2   焊接手冊．北京：中國機械工程學會焊接學會

作者簡介：杜偉國，男，1970年，大學本科，工程師。