摘要：本文通過介紹緊固件在汽車車身上的應用，分析總結了短周期螺柱焊接和螺母凸焊的設備以及工藝參數。結合生產實際情況，總結了螺柱焊接和螺母焊接常見的缺陷類型并分析缺陷產生原因，針對不同類型的缺陷給出了相應的解決措施。

關鍵詞：緊固件；螺柱焊；短周期拉弧焊；螺母凸焊；虛焊；氣孔

引言

汽車是一個集成了車身結構、電子電氣、管路系統、內外飾系統和底盤懸架系統等綜合性能結合體的裝置。其中車身結構是整個裝置的基礎，其他子系統都是安裝在車身上的附屬裝置。附屬裝置需要通過安裝點固定在車身上，目前大多數都是通過螺栓連接固定，因此需要提前在車身相應位置植焊螺柱或者螺母。

螺柱焊是指將金屬螺柱或類似的其他金屬緊固件（栓、釘等）焊接到工件上的方法。實現螺柱焊的方法有電弧式螺柱焊、儲能式螺柱焊、電阻焊或凸焊等[1]。螺柱焊焊接設備比較簡單，工藝過程少，操作便捷。隨著汽車工業和螺柱焊技術的不斷發展，螺栓連接固定已經逐步替代了電弧焊、電阻焊或鉆孔等傳統連接工藝，發展為制造業中一種基本的熱加工方法[2]。

本文從車身緊固件類型、規格應用出發，對車身緊固件焊接工藝及常見缺陷進行分析，總結緊固件的焊接工藝參數、焊接質量要求及缺陷防治措施。

1、車身緊固件應用

汽車緊固件一般指螺紋緊固件，結構簡單，品種較多，主要包含螺柱、螺栓、螺母和螺釘等。在一輛汽車上，緊固件的使用數量占到了全部零件的30%～40%，是汽車的主要連接件。總裝線上裝配汽車的過程，幾乎都是在裝配螺紋緊固件。

為了減少開孔，保證汽車車身的密封性能，同時滿足整車子系統的安裝需求，約30%的緊固件需要提前焊接在白車身上。應用于白車身上的焊接緊固件主要有焊接螺栓、承面凸焊螺栓、端面凸焊螺栓、焊接方螺母、焊接六角螺母以及焊接六角法蘭面螺母等，需要根據安裝點固定零件類型、扭矩等條件選擇相應的緊固件。

在上述緊固件類型中，螺栓類緊固件一般可以直接植焊在鈑金件上，無需開孔；而螺母類緊固件由于在總裝安裝零件時需要穿過螺栓，因此鈑金件上在焊接螺母的位置需要開一個光孔，孔的直徑比螺母螺紋的公稱直徑大0.5～1.0 mm。如焊接螺母的規格為M6，則光孔的直徑為 圖片這是基于焊接螺母的定位及螺栓安裝的需求。

 2、車身緊固件的焊接工藝

2.1 螺柱焊接

螺柱焊接是將直徑2.0～25.0 mm 的螺柱或柱狀金屬，高效、低成本以及全斷面地熔合焊接在金屬表面的一種特種焊接工藝[3]。根據螺柱焊機工作原理的不同，一般將螺柱焊機分為儲能式螺柱焊機和拉弧式螺柱焊機兩大類。電容放電螺柱焊是以儲能電容快速放電產生的電弧作為熱源，這種焊接方法具有焊接時間短、無需保護的優點，但是需要使用專用螺柱，因此應用范圍較窄。在汽車制造行業應用較多的是拉弧式螺柱焊機，這種焊接方式的前提條件是螺柱的端面與工件表面相互接觸，下面重點介紹拉弧式螺柱焊接設備和工藝。

2.1.1 拉弧式螺柱焊接設備

拉弧式螺柱焊機由焊接電源、控制器、地線鉗和焊槍組成（圖1），焊接電源一般為晶閘管控制或逆變式弧焊整流器控制。大部分拉弧式螺柱焊機的焊接電源與控制器合并在一起，稱為主機[1]，作用是把電網電壓和電流調制成適合螺柱焊工藝需求的電壓和電流，同時驅動控制輸入和輸出。手動焊槍是螺柱焊的執行機構，它通過線纜與主機連接，可以靈活移動，能夠適應不同位置的焊接需求。控制面板左上角的紅色旋鈕是電源開關，開關右側的是參數顯示窗口，工作狀態下會顯示當前的焊接參數。面板右下方是根據螺柱規格確定的焊接參數推薦表；面板最下面一排是輸入/輸出接口，用于連接輸入/輸出部件。

圖1 拉弧式螺柱焊接設備

2.1.2 拉弧式螺柱焊接工藝

在實際生產中，一般選用短周期拉弧式的焊接模式，這種模式焊接可靠、效率高。其焊接過程可以分為3 個階段（圖2）。首先，起始電源穩定之后，焊槍的電磁線圈會產生一個向上的電磁力，把螺柱提升起來離開工件表面，引燃起始電流的電弧。其次，焊接螺柱達到其回程高度后，主焊接電流把電弧強化，從而熔化螺柱端面和工件表面。最后，電弧在工件上以及螺柱端面生成一個熔池，焊槍內部的壓縮彈簧把焊接螺柱壓入熔池，熔池冷卻后焊接螺柱就固定在工件上了。

圖2 短周期拉弧式螺柱焊接過程

拉弧式螺柱焊接工藝參數一般包括焊接時間、螺柱焊的提升高度、焊接電流、凸出焊接的長度以及緩沖等[4]。隨著技術的發展，現在的焊機已經把參數進行了整合匹配，如螺柱提升高度、凸出焊接長度、緩沖等參數與焊接電流匹配，因此，實際生產中一般只需要調整焊接電流和焊接時間這2 個參數。焊接參數一般根據螺柱直徑選擇，表1所示為生產實踐總結的常用螺柱規格焊接參數。

表1 常用螺柱規格焊接參數表

2.1.3 螺柱焊質量檢查及常見缺陷處理

螺柱焊質量檢查一般包括外觀檢查及非破壞檢查。外觀檢查主要是檢查螺柱與工件的焊接區域的焊接情況，通過目視方法檢查熔合是否良好、螺紋上是否有飛濺。非破壞檢查是為了檢查螺柱焊接是否牢固，然后用橡膠錘把焊好的螺柱往一個方向敲到45°，再檢查螺柱根部與工件是否開裂。如果不開裂，即質量合格，最后再用橡膠錘把螺柱敲回到原來的位置。

常見的螺柱焊缺陷類型有飛濺、焊瘤、氣孔、開裂、焊穿、假焊、未熔合和螺柱不垂直等[2]。產生缺陷的原因主要有焊接參數不合理、板材表面有油污雜物、焊槍不垂直、設備分流或搭鐵不良等。螺柱焊常見缺陷類型及對應的解決方法如表2所示。

表2 螺柱焊常見缺陷及解決方法匯總

2.2 螺母凸焊

2.2.1 凸焊設備

螺母焊接一般采用凸焊機進行焊接，凸焊屬于電阻焊的一種。采用凸焊可以做到所有螺母焊接位置一致，焊縫強度均勻、美觀和牢固，同時可做到不傷及螺紋，不降低螺紋精度[5]。圖3為某固定式交流凸焊機示意圖，其結構主要包含機身、加壓系統、二次回路系統、冷卻系統、變壓器和控制系統。

圖3 某凸焊機結構示意圖

2.2.2 螺母凸焊工藝及質檢方法

在汽車白車身上常用的螺母類型有六角螺母和焊接方螺母。其中六角螺母分為A 型和B 型，兩者區別是：A 型六角螺母有定位凸臺，B 型六角螺母沒有定位凸臺。焊接方螺母有4 個較高的凸點，可以保證較高的焊接強度。

螺母凸焊的焊接工藝參數主要包括焊接電流、焊接時間和焊接壓力，一般根據螺母規格、工件板厚選擇合適的參數進行焊接。下面介紹低碳鋼螺母常用焊接參數，這些參數是在做了大量試驗及生產實踐的基礎上總結出來的（表3）。

表3 螺母凸焊推進焊接參數

螺母凸焊的工藝如下：首先，根據焊接螺母的規格從參數表中選擇對應的參數組合調節好設備；再把工件和螺母放在焊機電極上定位好，踩下踏板完成焊接。焊接完成后，需要對焊接質量進行檢查。檢查時先是目視檢查外觀質量，然后用扭矩扳手擰緊配套的螺栓。當扭矩達到設計值后，檢查螺母是否有松動脫焊現象，如沒有松動，說明焊接質量合格。

2.2.3 螺母凸焊常見缺陷分析及預防措施

螺母凸焊屬于電阻焊的其中一種，因此螺母凸焊的缺陷和電阻焊的缺陷類似，主要有虛焊、氣孔、焊穿、過燒以及螺紋內粘附焊渣等。

虛焊，表現為螺母與工件接觸部位的表面形成了熔核，但內部沒有焊透，在外力的作用下很容易導致螺母松動脫離工件。出現這種缺陷的主要原因是焊接參數不合，焊接電流過小或者焊接壓力過小都會導致焊接不牢形成虛焊（圖4）。為了防止出現這種缺陷，需要在焊接前根據螺母規格和工件板厚正確選取焊接參數組合，并且對焊機進行調試復測。

圖4 虛焊缺陷

焊接后目視檢查螺母與工件接觸的部位，如果發現有蜂窩狀的現象，這就是氣孔。導致氣孔的原因主要是因為工件表面存在油污雜物，影響焊接過程的冶金反應。因此在焊接前要對工件表面進行清潔，這樣可以有效預防氣孔的產生。

焊穿和過燒主要是由于焊接電流過大所導致，也有可能是因為焊接壓力不足，導致焊接過程中螺母與工件接觸不良，從而形成瞬時局部大電流產生大量的熱量灼傷工件和螺母（圖5）。針對這種情況，也是需要正確選用焊接參數組合和調試好焊接設備。

圖5 焊穿和過燒缺陷

螺紋內粘附焊渣是由于當螺母和母材被急劇加熱，焊核周圈未完全封閉時金屬發生氣化，內部壓力過大造成焊接時產生飛濺，形成焊渣粘附在螺紋內。當電極壓力過小或電流過大時易引起飛濺，從而在螺母內部形成焊渣。

3、工程應用

下面以某項目車型前圍板的緊固件焊接進行實際工程應用舉例。該車型前圍板上需要植焊3 種螺栓和1 種螺母（圖6）。

圖6 前圍板焊接緊固件示意圖

植焊螺栓使用拉弧式螺柱焊接方法，螺栓的規格有M5 和M6 兩種。根據前文表1所述的參數規范，焊接M5 螺栓時的焊接電流為400 A，焊接時間為50 ms。焊接后對螺栓進行敲擊檢驗，螺栓沒有脫焊，質量合格（圖7）。

圖7 前圍板螺栓植焊

植焊螺母采用凸焊方法，螺母的規格為M6，焊接在板厚1.2 mm 的支架上。根據螺母公稱直徑與工件光孔的同軸度要求，光孔的直徑設計值為φ7.0 mm（圖8）。按照前文表3所述的參數規范，選用如下的焊接參數進行焊接：焊接電流為11 kA，焊接時間為10 個周波，焊接壓力為2.4 kN。焊接后先檢查外觀質量，再用扭矩扳手擰緊螺栓，待扭矩達到設計值后停止，檢查焊接部位沒有松脫，質量合格（圖9）。

圖8 工件光孔直徑數模設計值

圖9 前圍板支架螺母植焊

 4、結束語

本文主要對汽車車身緊固件的焊接進行了分析，總結了常用的汽車車身緊固件類型，并在此基礎上引出焊接緊固件的概念。接著，從焊接設備、焊接工藝、質檢方法及常見缺陷類型和預防措施三個方面詳細介紹了短周期拉弧螺柱焊和螺母凸焊，根據實際生產經驗總結出不同規格緊固件的螺柱焊和螺母凸焊焊接參數組合和質量檢測方法，針對不同類型的焊接缺陷分析其產生原因并給出相應的預防措施。最后，以某車型前圍板上的緊固件焊接為例，闡述了螺柱焊和螺母凸焊的工程實踐應用，應用效果良好。

通過分析總結，得到以下結論：①無論是短周期拉弧螺柱焊還是螺母凸焊，都要根據緊固件的規格選擇匹配的焊接參數組合進行焊接；②焊接電流、焊接時間和焊接壓力是緊固件焊接的主要焊接參數；③可以使用目視方法、錘擊方法和扭矩檢測法對焊接質量進行檢查；④常見的焊接缺陷可以通過匹配調整焊接參數及清潔工件表面預防消除。

【參考文獻】

[1]黃河杰.短周期螺柱焊原理及缺陷分析[J].裝備制造技術,2021(04):131-132+164.

[2]范春平,郭躍輝,賓可,等.車身電弧螺柱焊強度影響因素及優化探析[J].時代汽車,2022(14):166-168.

[3]呂宗敏,史光輝,郭艷杰,等.白車身螺柱焊接質量規范[J].汽車實用技術,2021(4):189-191.

[4]衣統帥.螺柱焊在車身焊接工藝中的應用[J].時代汽車,2017(7)116-117.

[5]年科技.白車身螺母凸焊缺陷淺析[J].科技創新與應用,2013(14):7.