拉弧焊接技術(shù)的應(yīng)用

汽車白車身屬于典型的焊接結(jié)構(gòu)件，它由數(shù)百種薄板通過電阻焊、銅釬焊、CO2焊和螺柱焊等多種焊接方式聯(lián)結(jié)組成。傳統(tǒng)方式的螺柱焊焊接性能較差，植焊螺栓的焊接強(qiáng)度常常無法滿足裝配要求，需要采用CO2補焊來保證強(qiáng)度。拉弧焊機(jī)采用逆變式電源，具備參數(shù)設(shè)置簡單、焊接螺柱直徑范圍大和焊接速度快等特點，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時可顯著提升產(chǎn)量和效率，目前在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

螺柱焊

螺柱焊是指在無其他填充材料的參與下，在螺柱及母材將要焊接的兩端引燃電弧熔化，并施以壓力，最終使之熔合為一個整體的焊接方法。相比于其他焊接工藝，螺柱焊可以在極短時間內(nèi)(1?ms～1.5?s)實現(xiàn)低變量的焊接，操作簡捷，所焊接的結(jié)構(gòu)不需要鉆孔、沖孔、鉚接和精整等過程，大大提高了生產(chǎn)效率。根據(jù)原理不同，螺柱焊機(jī)可以分為儲能式螺柱焊機(jī)和拉弧焊螺柱焊機(jī)。拉弧式螺柱焊根據(jù)焊接時間不同可以分為短周期螺柱焊和長周期螺柱焊。目前汽車行業(yè)應(yīng)用較多的是短周期拉弧螺柱焊機(jī)，其由逆變式焊接電源和焊槍組成，可焊接螺釘直徑一般為3～30?mm。

拉弧焊原理

拉弧式螺柱焊機(jī)基本原理(見圖1)是將螺柱裝入夾頭，待螺柱與板件接觸后，通過焊槍中的提升裝置提升螺柱，利用較低電流產(chǎn)生次級電弧(維持燃燒電弧)，然后引燃螺柱尖端與工件之間的主電弧，使工件和螺柱熔融，待焊接時間結(jié)束，將螺柱移動至工件處，使其連接熔合;切斷電源，熔池凝固、冷卻，完成整個焊接過程。根據(jù)熔池保護(hù)方式區(qū)分，存在熔池?zé)o保護(hù)(NP)、磁環(huán)保護(hù)的拉弧焊(CF)和惰性氣體保護(hù)(SG)三種拉弧式螺柱焊工藝。

拉弧焊的焊接參數(shù)

螺柱焊焊接質(zhì)量的好壞主要取決于參數(shù)設(shè)置的有效性，拉弧焊焊接具有質(zhì)量穩(wěn)定、焊接速度快等特點，其焊接質(zhì)量主要受以下常用參數(shù)影響：

1.焊接電流

焊接電流I主要由螺柱的直徑D決定，從300?A到3?000?A不等。在正常位置焊接低碳鋼螺柱時的經(jīng)驗公式為：I(A)=80×D(mm)，最大直徑為16?mm;I(A)=90×D(mm)，直徑大于16?mm。對合金鋼來說，焊接電流相比于低碳鋼可適當(dāng)減少10%。

2.焊接時間

拉弧焊的焊接時間tw是指從點火到主弧消失的時間，焊接平焊位置的低碳鋼計算公式為：tw(ms)=20×D(mm)，最大直徑為12?mm;tw(ms)=40×D(mm)，直徑大于12?mm。

3.提升高度

螺柱的提升高度L可以通過使用螺柱提升裝置，將螺柱尖端和工件表面的距離予以定位并進(jìn)行提升，一般為1～7?mm(根據(jù)螺柱的直徑比例進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié))，隨著提升高度增加，電弧長度增加，會導(dǎo)致磁偏吹問題增加。

4. 侵入距離及速度

侵入距離是指螺釘向工件表面軸向移動的距離，可根據(jù)螺柱的直徑比例進(jìn)行調(diào)整，約為2～8?mm;主要受所需熔深形狀、螺柱尖端形狀和磁環(huán)類型影響。侵入速度主要根據(jù)螺柱直徑設(shè)定，一般螺柱直徑小于14?mm，侵入速度為200?mm/s;螺柱直徑大于14?mm時，侵入速度為100?mm/s(加阻尼)，選擇侵入速度時，要做好防飛濺工作。

5. 電弧電壓

電弧電壓取決于提升高度和焊接電流，與工件表面油污及保護(hù)均有關(guān)系，一般設(shè)置為20～40?V。

為消除工件表面的油污或涂層，短周期拉弧焊還有兩個特殊參數(shù)：引弧電流和引弧時間。引弧電流一般設(shè)置為30～50?A，引弧時間為20～40?ms，這個參數(shù)在出廠時已被設(shè)定為固定值，不可調(diào)節(jié)。

螺柱焊的質(zhì)量檢驗

螺柱焊的質(zhì)量直接影響總裝的裝配可靠性，檢驗手段顯得尤為重要。目前常用的檢驗手段有以下幾種：

1.目視檢驗

目視檢驗主要檢查焊縫的形狀、尺寸的均衡性以及焊接后螺柱的位置、數(shù)量、長度和角度。

2.彎曲試驗

彎曲實驗(見圖2)是通過對選定焊接參數(shù)進(jìn)行大致檢查的一種簡單彎曲檢驗方式。使用手錘擊打(或用套管壓)螺柱頭部，如彎曲到一定角度，在焊縫區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，則焊縫通過了檢驗。

一般來說，使用帶瓷環(huán)或氣保護(hù)的拉弧螺柱焊接或短周期拉弧螺柱焊接，螺柱彎曲60°。使用帶凸臺的儲能螺柱焊接或儲能拉弧螺柱焊接，螺柱彎曲30°。

3.拉力試驗

使用適合的檢查裝置(見圖3)將螺柱向軸的方向拉直，當(dāng)螺柱達(dá)到要求的檢查拉力或達(dá)到要求的拉伸位移時，焊接部位不發(fā)生破壞，則焊接強(qiáng)度合格;若未達(dá)到要求發(fā)生斷裂，則焊接強(qiáng)度不合格。

4.轉(zhuǎn)矩試驗

通過對完全擰緊于螺柱上的螺帽施加轉(zhuǎn)矩T來檢測焊接的抗力(見圖4)，直至該焊接件產(chǎn)生裂紋，若螺柱與板件焊接位置被扭曲后沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，則螺柱通過了試驗。T的大小由螺栓直徑?jīng)Q定。

拉弧焊焊機(jī)應(yīng)用案例

江淮汽車某產(chǎn)品為滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求和功能要求，整車前圍模塊、發(fā)艙模塊、前地板模塊和后地板總成模塊共計使用各類植焊螺柱78個，具體位置數(shù)量如表1所示。

車輛量產(chǎn)上市后，在總裝經(jīng)常出現(xiàn)前圍板總成部分安裝用植焊螺栓(M6×20)在安裝過程中脫落，需要動火返修，影響整車轉(zhuǎn)序合格率。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求相關(guān)供應(yīng)商在根部增加CO2來保證焊接強(qiáng)度。為從根源上解決此類焊接質(zhì)量問題，技術(shù)人員出差學(xué)習(xí)，對供應(yīng)商植焊設(shè)備進(jìn)行了換代升級，引入HBS公司的短周期拉弧焊機(jī)，焊機(jī)采用IT1002逆變式電源(見圖5)，電源具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。

在設(shè)備出廠時，引弧電流40?A、引弧時間25?ms已完成設(shè)定。現(xiàn)場根據(jù)調(diào)試螺栓高度20?mm，設(shè)定提升高度1.2?mm、侵入距離4?mm、侵入速度100?mm/s以及通氣時間300?ms。

現(xiàn)場根據(jù)板厚、節(jié)拍要求重點調(diào)試焊接電流和焊接時間兩個參數(shù)。具體調(diào)試內(nèi)容如表3所示，現(xiàn)場實物調(diào)試狀態(tài)如圖6所示。

針對相應(yīng)位置，開展轉(zhuǎn)矩試驗，根據(jù)最終試驗結(jié)果和節(jié)拍要求，最終調(diào)試確定工藝參數(shù)：焊接電流為900?A、焊接時間為15?ms。

根據(jù)調(diào)試參數(shù)進(jìn)行焊接，開展樣件、小批量和批量過線驗證，總裝反饋效果良好，螺柱焊質(zhì)量得到了明顯的提升，有效地降低了總裝的返修率，降低了車身CO2的使用。目前，江淮乘用車公司均已采購拉弧焊機(jī)來保證植焊產(chǎn)品質(zhì)量。

結(jié)語

汽車行業(yè)的發(fā)展離不開先進(jìn)的設(shè)備和工藝，如何提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，是一個持續(xù)的過程。拉弧焊焊接技術(shù)正被國內(nèi)越來越多的汽車廠家所采用，它對于提升車身品質(zhì)，解決車身氣密性、防泄漏及降低成本等方面做出了巨大貢獻(xiàn)。未來，汽車焊接工藝將會向著自動化、智能化和數(shù)字化方向闊步前進(jìn)。