何道聰

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州545007)

0 前言

引出焊是電阻點(diǎn)焊的一種焊接方式,主要應(yīng)用于車身及零部件焊裝結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、焊點(diǎn)密集、接頭搭邊小、操作困難、焊接質(zhì)量難以保證等因素的工件的焊接。其具有低成本、高效率、表面加工質(zhì)量較好、便于操作、能有效解決人機(jī)工程問題等特點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。門蓋焊裝線引出焊常用于門包邊后周圍翻邊的焊接,焊接時焊鉗電極直接與門外板的A面的接觸,由于門的型面復(fù)雜,而且外板A面的表面質(zhì)量要求很高,如何保證焊點(diǎn)強(qiáng)度的同時,又能獲得很高外觀質(zhì)量要求,是本文論述的重點(diǎn)。

1 引出焊的結(jié)構(gòu)及原理

引出焊主要有自動和手動引出焊兩種形式,兩者的區(qū)別在于:自動引出焊由PLC電氣系統(tǒng)控制焊鉗自動焊接,自動化程度高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高;手動引出焊則由人工操作實現(xiàn)焊接,結(jié)構(gòu)簡單,成本低。

門蓋引出焊主要采用手工引出焊的形式,引出焊機(jī)構(gòu)主要由四部分組成:通用手工焊接設(shè)備(含焊機(jī)、焊鉗整套設(shè)備)、引出焊導(dǎo)流板、連接電纜、專用點(diǎn)焊焊鉗,如圖1所示。

圖1 引出焊結(jié)構(gòu)

門蓋引出焊一般為單次焊接雙焊點(diǎn)的形式,其工作原理:首先接通氣源,對專用焊鉗通氣,專用焊鉗動電極壓緊工件,然后手工操作通用焊鉗點(diǎn)焊導(dǎo)流板引出端的正負(fù)電極,電流從正電極經(jīng)過導(dǎo)流板、連接電纜傳遞到焊點(diǎn)1專用焊鉗的動電極,再經(jīng)過工件,傳遞到焊點(diǎn)2專用焊鉗的動電極,然后經(jīng)連接電纜和導(dǎo)流板流向負(fù)電極形成電流回路,利用工件本身的電阻及工件間接觸電阻產(chǎn)生的熱量使連接處熔化或達(dá)塑性狀態(tài),在持續(xù)的壓力作用下形成焊點(diǎn),焊點(diǎn)的形成過程與電阻點(diǎn)焊基本相同,區(qū)別在于加壓過程不是由焊機(jī)控制,而是由集成在焊接拼臺上的氣控系統(tǒng)控制,焊機(jī)輸出的電流經(jīng)過中間環(huán)節(jié)比較多,能量損耗較大。

2 引出焊常見的焊接缺陷及因素分析

2.1 引出焊常見的焊接缺陷

焊接缺陷是指焊接中產(chǎn)生的不符合設(shè)計或工藝文件要求的缺陷,引出焊常見焊接缺陷種類很多,主要有:虛焊、裂紋、燒穿等影響強(qiáng)度的缺陷;還有壓痕過深、表面隆起、毛刺、飛濺等影響外觀質(zhì)量的缺陷。其中門蓋線引出焊缺陷中,顧客抱怨最多的是門外板凹陷、虛焊、過燒缺陷,我們應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并采取有效措施來改善。

2.2 影響引出焊焊接缺陷的因素

引出焊是電阻點(diǎn)焊的一種形式,其原理是用電極對被焊物施加一定的壓力,將其夾緊同時通電、利用電極間產(chǎn)生的熱量融化金屬而達(dá)到焊接的目的。電極壓力對兩電極間總電阻R有明顯的影響,隨著電極壓力的增大,R顯著減小,焊接熱量與電極壓力的關(guān)系如公式(1)所示:

其中,Q為熱量,I為電流,t為時間,R1為材料本身的電阻,KC為與接觸材料,表面情況,接觸方式等有關(guān)的系數(shù),Fm為接觸壓力。

由公式(1)可知,影響焊接質(zhì)量的因素主要有焊接電流、壓力、時間、零件工作表面狀況和電極端面的大小等五個方面。

(1)焊接電流:電流偏小,熱源強(qiáng)度不足以形成熔核或熔核過小,是造成虛焊的主要原因;電流過大時會導(dǎo)致焊點(diǎn)過熱,容易產(chǎn)生前期飛濺,壓痕過深,焊接穿孔,從而削弱焊接強(qiáng)度,造成焊接不良。

(2)電極壓力:壓力不足時,接觸電阻會比較大,焊接過程中瞬時間會產(chǎn)生大量熱量,導(dǎo)致熔核過大甚至出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象。電極壓力過大,將使焊接區(qū)接觸面積增大,總電阻和電流密度均減小,因此熔核尺寸變小,嚴(yán)重會出現(xiàn)虛焊。

(3)通電時間:通電時間過短,產(chǎn)生熱量過少,熔核尺寸下降,強(qiáng)度下降,通電時間過長,產(chǎn)生熱量過多,容易產(chǎn)生后期飛濺。

(4)零件工作表面狀況:表面有氧化物、污垢等雜質(zhì),增大了接觸電阻,有時使電流不能通過,局部導(dǎo)通使電流密度過大,會產(chǎn)生噴濺和表面燒損,引起焊接質(zhì)量波動。

(5)電極端部:電極端面太大,電流密度降低,散熱效果增強(qiáng),加熱程度減弱,熔核尺寸減小,容易產(chǎn)生虛焊;電極端面太小,電流密度過高,可能導(dǎo)致過燒,同時容易形成較深凹陷,門蓋的引出焊中,由于下電極直接與外板A面接觸,要獲得良好焊接質(zhì)量,選擇合適的電極端面尺寸尤其重要。

此外,由于引出焊相對普通點(diǎn)焊來說,機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜,電流傳送到工件的過程中,中間環(huán)節(jié)較多,導(dǎo)流板、連接電纜和專用焊鉗電級之間連接環(huán)節(jié)很多,尤其是導(dǎo)流板搭接復(fù)雜,容易出現(xiàn)接觸不良,分流,甚至出現(xiàn)短路,造成導(dǎo)電性能下降,從而影響焊接質(zhì)量,因此引出焊機(jī)構(gòu)設(shè)計、加工及安裝質(zhì)量的好壞也是影響焊接質(zhì)量重要因素。

3 引出焊焊接質(zhì)量的改善

3.1 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)通常是根據(jù)工件的材料和厚度,參考該種材料的焊接條件來選取。首先確定電極的端面形狀和尺寸,其次初步選定電極壓力和焊接時間,然后調(diào)節(jié)焊接電流,以不同的電流焊接試樣。經(jīng)檢驗熔核直徑符合要求后,再在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)電極壓力,焊接時間和電流,進(jìn)行試樣的焊接和檢驗,直到焊點(diǎn)質(zhì)量完全符合技術(shù)條件所規(guī)定的要求為止。門蓋的引出焊是比較特殊的焊接工藝,是門蓋包完邊后,在門周圍翻邊處實行的內(nèi)板與外板之間的焊接,主要用于加固門內(nèi)板與外板之間的連接強(qiáng)度,屬于工藝焊點(diǎn),其焊接強(qiáng)度要求不像車身其他地方的焊點(diǎn)那么高,焊核尺寸可以比標(biāo)準(zhǔn)焊核小,但是由于引出焊直接焊接門外板,外板屬于A面,外觀質(zhì)量要求很高,外板面的焊點(diǎn)不允許有輕微的凹陷、毛刺等缺陷產(chǎn)生,凹陷主要由于電極壓力、電流過大造成的,因此為了獲得較高的焊點(diǎn)外觀質(zhì)量,在參考標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定焊接參數(shù)時,應(yīng)適當(dāng)減小電極壓力和電流值。以某車型前門為例、門材料為低碳鋼,內(nèi)、外板厚度為0.8mm 和0.7mm,主導(dǎo)板厚為0.7mm,根據(jù)主導(dǎo)板厚查下表可得焊接參數(shù):電極壓力2.1KN,電流8k A,焊接時間8周波,用這組參數(shù)進(jìn)行焊接時,能獲得較好的焊核直徑,有較好的焊接強(qiáng)度,但外觀質(zhì)量很差,有明顯的凹陷、飛濺等焊接缺陷的產(chǎn)生。通過減小電極壓力和電流值,經(jīng)過數(shù)次調(diào)節(jié)和驗證,當(dāng)電流值為0.6k A,壓力值為1.9KN時,有較好外觀質(zhì)量,同時又能獲得滿足強(qiáng)度要求的較小焊核。通過以上實踐可知,由于門蓋引出焊工藝的特殊性,焊點(diǎn)外觀質(zhì)量要求很高,焊點(diǎn)強(qiáng)度要求相對不高的情況下,我們在設(shè)定焊接參數(shù)時,適當(dāng)減小電流和壓力可獲得理想的焊點(diǎn)。

表1 焊接參數(shù)(推薦值)

3.2 優(yōu)化引出焊機(jī)構(gòu)設(shè)計及調(diào)試方法

引出焊機(jī)構(gòu)的導(dǎo)電性能和下電極結(jié)構(gòu)和尺寸是影響焊接質(zhì)量重要因素,因此通過改進(jìn)引出焊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,合理設(shè)計下電極結(jié)構(gòu)和尺寸可以有效改善引出焊焊接質(zhì)量。

影響引出焊導(dǎo)電性能的因素主要有導(dǎo)流板的材料,導(dǎo)流板的橫截面積,導(dǎo)流板之間的絕緣性能,導(dǎo)流板接頭的設(shè)計,連接電纜的選材等。

引出焊的導(dǎo)流板相當(dāng)于焊鉗電極的延伸,用于向被焊零件傳送電流,由于電流較大(6k A左右),通過導(dǎo)流板時會產(chǎn)生很高的溫度,阻抗也很大,應(yīng)選具有良好電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性的材料,由于導(dǎo)流板的引出端正負(fù)電極板經(jīng)常與焊鉗接觸受較大壓力,選材應(yīng)具有高溫強(qiáng)度和硬度。鉻鋯銅具有良好的電導(dǎo)率、導(dǎo)熱性高溫強(qiáng)度和硬度,常用來做導(dǎo)流板引出端電極板,導(dǎo)流板的連接銅板由于不與焊鉗接觸,選用黃銅可滿足要求。以往的設(shè)計,采用黃銅作為引出端電極板,在生產(chǎn)中由于經(jīng)常受熱和壓力影響變形,導(dǎo)致接觸不良從而影響焊接質(zhì)量,因此在設(shè)計中應(yīng)選擇合適的材料改善引出焊質(zhì)量。

導(dǎo)流板的橫截面積:橫截面積越大,導(dǎo)電性越好,反之導(dǎo)電性越差。經(jīng)分析電流為6000A,通過的橫截面積＜385mm時,散熱速度較慢,電熱損耗嚴(yán)重,銅板容易燒壞,為獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量,設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)增加導(dǎo)流板的橫截面積。門蓋引出焊的導(dǎo)流板一般制成厚20mm、寬35mm的長形板件,經(jīng)生產(chǎn)驗證可以獲得良好的導(dǎo)電性能。

絕緣設(shè)計:為了避免短路和電流分流引起虛焊,相鄰導(dǎo)流板之間,導(dǎo)流板與安裝座之間需要用絕緣墊板隔開,銅板連接處用絕緣墊片、套筒隔開,絕緣材料選用環(huán)氧層壓玻璃布板,絕緣板設(shè)計常見的問題如下圖2所示,雖然導(dǎo)流板間有絕緣墊板隔開,但導(dǎo)流板之間存在縫隙,在焊接過程中由于產(chǎn)生大量的焊渣,容易堆積在導(dǎo)流板之間的縫隙處導(dǎo)致短路,嚴(yán)重時會導(dǎo)致虛焊。改進(jìn)方法是加大絕緣板寬度,周圍超出導(dǎo)流板3mm左右,可有效隔離焊渣,避免短路,詳見圖3。

圖2 縫隙

圖3 加寬絕緣板

接頭設(shè)計:導(dǎo)流板接頭常見問題是相互接觸的表面沒有經(jīng)過加工,粗糙度大造成表面接觸不良,導(dǎo)電性降低,影響焊接質(zhì)量。改進(jìn)方法是在相互接觸面精銑一個臺階面,表面粗糙度為0.8,使接觸面緊密貼合,可以有效改善導(dǎo)電性。表面接觸不良往往在接頭處產(chǎn)生大量的火花,生產(chǎn)時應(yīng)注意觀察并及時維修。

下電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計:下電極直接與門外板接觸,在壓力一定的情況下,下電極端面越小,在外板產(chǎn)生的壓強(qiáng)越大,零件變形越大,由于在單次焊接雙焊點(diǎn)的引出焊結(jié)構(gòu)中,下電極(靜電極)是不導(dǎo)通電流的,只是對零件起支撐作用,因此下電極端面的大小對焊核的形成沒有影響,增加下電極端面尺寸有利減小零件受力變形,從而改善焊接外觀質(zhì)量。圖4和圖5下電極端面小,不符合要求,改進(jìn)后的下電極結(jié)構(gòu)如圖6所示,下電極的受力面大于上電極,而且應(yīng)大于由上電極通電對零件加熱產(chǎn)生的塑性環(huán)區(qū)域,使下電極有效的托住外板而不易變形。

下電極應(yīng)該有足夠的剛性,受力不易變形。下圖7下電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,端面受力方向與安裝面不垂直,在力矩作用下容易產(chǎn)生彎曲變形。改進(jìn)的結(jié)構(gòu)見圖8所示。

圖4 下電板1

圖5 下電板2

圖6 改進(jìn)后的下電板

圖7 下電板結(jié)構(gòu)不合理的設(shè)計

圖8 改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)

引出焊的調(diào)試方法:引出焊的下電極與外板A面接觸,型面的匹配程度非常重要,匹配不好,外板在壓力下會產(chǎn)生明顯的壓痕或凸點(diǎn),由于加工精度,定位精度等因素,下電極型面與外板型面不可能完全貼合。引出焊的調(diào)試主要是對下電極進(jìn)行修磨,其修磨的效果優(yōu)劣直接影響引出焊的質(zhì)量,修磨的方法主要是研磨,研磨前首先對零件進(jìn)度定位,門蓋主要靠導(dǎo)向桿進(jìn)行定位,導(dǎo)向桿與門四周輪廓的距離要調(diào)整到0.5mm左右,研磨時在樣件上與定位接觸面上涂色,依據(jù)定位面上接觸顏色的面積,判定兩者貼合狀況,確定研磨量。研磨過程中,當(dāng)著色定位面逐漸貼近樣件接觸面時,每次研磨著色部位量逐漸減少,反復(fù)研磨直到合格,避免一次研磨量過大,低于樣件接觸面。經(jīng)生產(chǎn)驗證,這種調(diào)試方法取得了良好的焊接外觀質(zhì)量。

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