蘇建彬

汽車焊接毛刺發(fā)生真因的探討*

蘇建彬

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108）

汽車白車身中焊接生產(chǎn)中出現(xiàn)毛刺是汽車焊接中最常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題之一，對(duì)毛刺發(fā)生的真因進(jìn)行探討與解決有助于提高汽車焊接質(zhì)量。文章對(duì)某汽車制造主機(jī)廠焊接車間汽車焊接毛刺發(fā)生真因進(jìn)行探討，給汽車制造主機(jī)廠提供了理論依據(jù)，可為降低焊接毛刺的發(fā)生提供有效的改善方向。

汽車焊接；焊接質(zhì)量問(wèn)題；毛刺

前言

自汽車問(wèn)世來(lái)，已經(jīng)有200多年的發(fā)展歷史，給人們生活帶來(lái)極大的便利。隨著汽車工業(yè)業(yè)的不斷革新和發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)第二大產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)的主要經(jīng)濟(jì)支柱[1]。人們對(duì)汽車性能與質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格，特別是汽車的安全性。汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益劇烈，讓主機(jī)廠不得不對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的把控越來(lái)越嚴(yán)。汽車白車身一般是由200多個(gè)分離的鈑金件在焊接車間生產(chǎn)線上快速大批量裝夾定位焊接而成，整車的焊點(diǎn)多達(dá)4000-5000個(gè)，因此點(diǎn)焊質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到汽車整車質(zhì)量與安全性能[2]。而出現(xiàn)毛刺是汽車焊接中最常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題之一，對(duì)毛刺發(fā)生的真因進(jìn)行探討與解決有助于提高汽車焊接質(zhì)量。

1 汽車車身電阻焊常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)外焊接技術(shù)，除了傳統(tǒng)的焊接技術(shù)外有：激光釬焊、激光熔焊、激光復(fù)合焊、摩擦攪拌點(diǎn)焊[3]等。在汽車主機(jī)廠焊裝車間汽車車身焊接中運(yùn)用到的焊接技術(shù)主要有電阻焊、氣體保護(hù)焊、氬弧焊、激光拼焊、氣焊等，這些焊接方法中運(yùn)用最廣泛的是電阻焊，電阻焊主要是利用電阻熱將分離的鈑金件焊接組立在一起。

在汽車車身焊接生產(chǎn)中，不管是機(jī)器人作業(yè)還是人工作業(yè)，都仍然存在許多焊接質(zhì)量問(wèn)題。如在電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問(wèn)題有：焊點(diǎn)出現(xiàn)燒穿、焊穿、虛焊、脫焊、毛刺、飛濺、焊點(diǎn)小等[4]。這些焊接缺陷會(huì)使焊接生產(chǎn)合格率降低增加廢品率，從而導(dǎo)致汽車主機(jī)廠造成資源浪費(fèi)增加生產(chǎn)成本。所以如何降低焊接質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生率，成為所有汽車主機(jī)廠焊裝車間最需要攻堅(jiān)的難題，提高焊接質(zhì)量控制生產(chǎn)成本是當(dāng)今汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)選擇的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)焊接問(wèn)題弄清問(wèn)題本質(zhì)解決焊接問(wèn)題，改善焊接工藝，是汽車主機(jī)廠焊接車間未來(lái)重點(diǎn)工作。

2 汽車車身焊接毛刺的定義、種類及危害

2.1 毛刺的定義

點(diǎn)焊過(guò)程中熔化金屬飛向熔池之外，冷卻后形成的余屑和表面細(xì)小的金屬顆粒，這些被稱為毛刺，如圖1所示。

圖1 毛刺

2.2 毛刺的種類

外部毛刺和內(nèi)部毛刺，如圖2所示。

圖2 毛刺種類

2.3 毛刺的危害

毛刺的產(chǎn)生會(huì)引起很多不良的后果，如毛刺不但影響整車美觀還會(huì)刺傷客戶，發(fā)生車身滲水腐蝕縮短汽車使用壽命，焊點(diǎn)強(qiáng)度降低從而使整車焊接質(zhì)量乃至安全性能大大降低。所以說(shuō)汽車白車身焊接中出現(xiàn)毛刺是不被允許的。

3 毛刺產(chǎn)生的原因

3.1 產(chǎn)生毛刺的本質(zhì)原因

3.1.1 內(nèi)部毛刺的產(chǎn)生

（1）熔核和塑性環(huán)未形成。焊件接觸面急劇加熱的金屬氣化，并以飛濺的形式噴向板間縫隙，稱為前期內(nèi)部飛濺；如圖3所示：

（2）熔核和塑性環(huán)形成后不斷向外擴(kuò)展。當(dāng)局部電阻熱急劇變大時(shí)，熔核沿徑向的擴(kuò)展速度大于塑性環(huán)擴(kuò)展速度時(shí)，產(chǎn)生后期板間毛刺。

3.1.2 外部毛刺的產(chǎn)生

當(dāng)局部電流密度增大，電阻熱過(guò)大使熔化核心軸向增長(zhǎng)過(guò)高，在電極壓力的作用下，液態(tài)金屬?zèng)_破塑性環(huán)向表面噴射，外部毛刺形成。

圖3 電阻點(diǎn)焊熔核和塑性環(huán)未形成（左）

（1—熔化核心；2—塑性環(huán)）

圖4 電阻點(diǎn)焊熔核和塑性環(huán)形成后不斷向外擴(kuò)展（右）

（1—熔化核心；2—塑性環(huán)）

因此，焊接過(guò)程瞬間過(guò)大的局部電阻熱量會(huì)導(dǎo)致毛刺形成。

3.2 電流密度對(duì)毛刺產(chǎn)生的影響分析

當(dāng)電極頭與鈑金件、鈑金件與鈑金件間接觸面積發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)橫截面的電量會(huì)變的不均勻，為了研究這些因素對(duì)電阻熱的影響，本人設(shè)計(jì)了一個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)，主要研究當(dāng)汽車車身電阻焊焊接電流為定值時(shí)，通過(guò)被焊接的鈑金件的電流密度與接觸面直徑之間的關(guān)系。

引入電流密度概念：

J電流密度 (A/mm ) 、I電流值（A）、S接觸面的截面積 (mm )，J=I/S

由公式可知：

①電流變大，電流密度變大。

②接觸面積減少，電流密度急劇增大。

汽車車身電阻焊焊接電流為10000A，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1：

表1

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入design-expert進(jìn)行模擬并制圖得到，當(dāng)汽車車身電阻焊焊接電流為10000A時(shí)，不同接觸面直徑與電流密度之間的關(guān)系如圖：

由圖可得出當(dāng)接觸面直徑從Φ6.0mm 減少到Φ3.0mm時(shí)，電流密度增加了約297%。由此可得出結(jié)論當(dāng)接觸面積變小，電流密度劇增，使接觸電阻瞬間產(chǎn)生局部過(guò)高的電阻熱，導(dǎo)致毛刺形成。也就是說(shuō)，毛刺的發(fā)生率跟通過(guò)被焊接鈑金件的電流密度成正相關(guān)關(guān)系。

3.3 實(shí)際作業(yè)中導(dǎo)致毛刺產(chǎn)生的原因

汽車車身焊接電阻焊毛刺質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生不但存在客觀因素在實(shí)際作業(yè)中也有很多因素導(dǎo)致毛刺的產(chǎn)生。主要因素有：人員作業(yè)因素、熔接條件因素、焊接設(shè)備因素、物料因素等其他因素，具體如圖5所示：

圖5 實(shí)際作業(yè)中導(dǎo)致毛刺產(chǎn)生的原因

3.3.1 人員作業(yè)

（1）焊槍的角度不當(dāng)

當(dāng)工作人員使用焊槍的角度不當(dāng)時(shí)，接觸面變小，電阻變大，局部電流密度增大，從而導(dǎo)致電阻熱過(guò)大，焊點(diǎn)發(fā)生扭曲，毛刺產(chǎn)生。如圖6所示。

（2）電極頭（TIP）研磨先端徑表面不平

電極頭與鈑金件接觸表面不平，電極壓強(qiáng)分布嚴(yán)重不均勻，造成局部電流密度過(guò)高引起早期熔化發(fā)生毛刺。電極頭（TIP）研磨先端徑表面不平對(duì)毛刺產(chǎn)生的影響如圖7所示。

圖6 焊槍的角度對(duì)毛刺產(chǎn)生的影響（左）

圖7 電極頭研磨先端徑表面不平對(duì)毛刺產(chǎn)生的影響（右）

3.3.2 焊接設(shè)備

電極頭TIP中心不對(duì)正。電極頭接觸面偏心，導(dǎo)致接觸面上電極壓強(qiáng)分布嚴(yán)重不勻，造成局部電流密度過(guò)高引起電阻熱增大，早期熔化發(fā)生毛刺。電極頭TIP中心不對(duì)正對(duì)毛刺產(chǎn)生的影響如圖8所示。

3.3.3 物料

（1）鈑金件和電極頭TIP表面臟污

鈑金件和電極頭TIP表面上的氧化物、污垢、油或其它雜質(zhì)增大了焊接時(shí)的接觸電阻，從而導(dǎo)致接觸面局部電阻熱過(guò)大，產(chǎn)生毛刺。如圖9所示。

圖8 電極頭中心不對(duì)正對(duì)毛刺產(chǎn)生影響

圖9 鈑金件和電極頭TIP表面臟污

（2）鈑金件搭接間隙大

搭接鈑金件間間隙過(guò)大，部分電極壓力將消耗于壓緊這些間隙，導(dǎo)致實(shí)際焊接壓力減小，因此焊接時(shí)容易形成毛刺。電極壓力一部分用于使鈑金件變形，所以鈑金件與鈑金件間的壓力減小，同時(shí)由于鈑金件發(fā)生變形，使電極與鈑金件、鈑金件與鈑金件之間不能緊密貼合，形成局部接觸，局部電流密度過(guò)高引起早期熔化發(fā)生飛濺。

3.3.4 熔接條件

（1）加壓力不足

加壓力不足使電極與鈑金件未緊密貼合，接觸面積減小電阻變大，電流密度增加，接觸部位電阻熱增加，接觸面溫度升高容易產(chǎn)生毛刺。當(dāng)加壓壓力減小，焊接時(shí)的接觸電阻就會(huì)增大，隨著電阻的增大電阻熱也增加，熱量增加會(huì)增大毛刺發(fā)生的次數(shù)。

（2）初期加壓時(shí)間過(guò)短

初期加壓時(shí)間過(guò)短無(wú)法完全優(yōu)化鈑件間間隙，造成局部接觸電阻變大，電阻熱增加易產(chǎn)生毛刺。

（3）熔接電流過(guò)大

電阻熱與電流的平方成正比，焊接電流對(duì)焊點(diǎn)性能影響最大。若電流過(guò)大產(chǎn)生電阻熱隨之增大，從而易發(fā)生毛刺。

4 降低毛刺的方法

通過(guò)對(duì)毛刺產(chǎn)生原因的分析，我們可以從其產(chǎn)生本質(zhì)和外部原因兩方面入手，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取最佳的焊接工藝參數(shù)，完善焊接工藝流程，制定規(guī)范的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從而降低毛刺的產(chǎn)生。

基于以上對(duì)車身焊接毛刺產(chǎn)生原因的分析，本文只對(duì)焊槍電極頭與鈑金面的焊接角度作為毛刺產(chǎn)生的變量進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。選取GS左側(cè)輪弧增打站C-2653，X-2630，X-2604，X-2603四把焊槍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在熔接條件穩(wěn)定的情況下，通過(guò)作業(yè)者持槍角度改善前和改善后（調(diào)整焊接電極頭與焊槍電極頭與鈑金面的焊接角度使兩者垂直）的毛刺點(diǎn)數(shù)對(duì)比得出影響情況。具體數(shù)據(jù)如下表2：

表2

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，調(diào)整焊接電極頭與焊槍電極頭與鈑金面的焊接角度使兩者垂直，毛刺產(chǎn)生的次數(shù)得到很好的控制，從而提高了焊接質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文是在某汽車主機(jī)廠焊接生產(chǎn)中對(duì)存在的焊接質(zhì)量問(wèn)題毛刺進(jìn)行研究，主要從問(wèn)題本質(zhì)和實(shí)際作業(yè)兩個(gè)方面分析了毛刺產(chǎn)生的原因，羅列出導(dǎo)致毛刺產(chǎn)生的主要原因，為從事相關(guān)工作者找出問(wèn)題原因所在，有利于他們?cè)诤附幼鳂I(yè)生產(chǎn)中采取相應(yīng)措施改進(jìn)焊接手法、改善焊接工藝，從而提高汽車焊接質(zhì)量。由于條件限制，本文主要從目視方法和工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)評(píng)判焊接質(zhì)量好壞，建議如若條件允許，在檢測(cè)汽車點(diǎn)焊質(zhì)量時(shí)可以運(yùn)用先進(jìn)的電氣測(cè)量法、紅外檢測(cè)法、X射線檢測(cè)方法、渦流檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)方法[5-6]等。未來(lái)在研究如何提高焊接質(zhì)量上，如何設(shè)計(jì)出一套能夠?qū)崟r(shí)有效監(jiān)控焊接質(zhì)量的系統(tǒng)是個(gè)很有價(jià)值的研究方向。

[1] 付于武.深刻認(rèn)識(shí)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律[J].中國(guó)工程科學(xué),2019,21-3: 98-102.

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Discussion on the true cause of automobile welding burrs*

Su Jianbin

( Fuzhou Vocational and Technical College, Fujian Fuzhou 350108 )

The occurrence of burrs in welding production of automobile body-in-white is one of the most common quality problems in automobile welding. It is helpful to improve the quality of automobile welding by discussing and solving the true cause of burr. This paper discusses the true cause of automobile welding burrs in the welding workshop of a car manufacturing mainframe factory, and provides a theoretical basis for the automobile manufacturing OEM, which can provide an effective improvement direction for reducing the occurrence of welding burrs.

Automobile welding; Welding quality problem; Burr

E

1671-7988(2019)21-136-04

蘇建彬（1990.11-）， 男，助教，碩士研究生，就職于福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向： 汽車新能源、汽車制造。

U466

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1671-7988(2019)21-136-04

福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2017HGKC014）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.048

CLC NO.: U466