王海龙 赵继成 靳立昆 王建 郑君友
摘 要：分析汽车螺柱焊脱焊案例原因，发现焊缝区有气孔、飞溅，熔合不良。观察确认为焊枪导向夹套磨损和提升距离、伸出长度不合理影响焊接参数稳定性，进而影响焊接区熔化、成型、凝固过程导致脱焊。更换导向夹套，合理调整上述参数，调整提升距离为1.2 mm，伸出长度为1.5 mm，调整后未发现脱焊，拉脱力对比试验获取实验结果，对引起脱焊电弧行为作用过程进行了分析，确认脱焊发生的直接原因。
关键词：汽车螺柱焊；虚焊；偏焊；导向夹套；磨损；提升距离；伸出长度；气孔
中图分类号： TG444+.1 文献标志码： A 文章编号：1005-2550（2014）02-0048-06
某公司是专业生产汽车装焊部件的企业，主要产品包括汽车白车身所需的侧围、前地板等白车身内部件。某日，现场质量检查员发现，汽车侧围总成部件螺柱焊螺栓（公制6 mm）扭矩质量检测中，使用BMT-2L-SB-0008-3（扭矩7 N）电动扭矩扳手检测时，焊接螺栓从钣金件上开焊脱落。焊接工程师根据问题情况，分析问题原因并寻找解决方案。
1 螺柱焊问题分析
螺柱焊（stud welding）是将螺柱一端与板件（或管件）表面接触，通电引弧加压使两者连接，汽车工业中最常用的是短周期螺柱焊 [1] 。
生产现场发现焊接缺陷情况如表1所示，可见发生问题主要是虚焊（6个）和偏焊、焊核小（4个）。
2 缺陷原因分析及改进措施
2.1 设备、材料、设计、工装分析
焊接设备为NELSON的N3短周期螺柱焊机，具有自适应功能。设定参数焊接电流700 A，焊接时间40 ms；使用MIYACHI公司的MM380A焊接监测仪测量焊接电流和时间，连续测量20份试样及98辆份部件，电流和时间参数稳定未现异常，工艺参数合理。表2为前10个试样的检测电流和检测焊接时间数值，数据值稳定，可排除设备问题。
表2 电流电压测量仪前十个数据测量表
未发现设计和和材料缺陷问题[2]，焊接面平整，未发现弧面、坑包、油污。现场检查工装夹紧，未发现问题。加工人手法稳定。接地线布置合理。
2.2 焊枪问题
观察焊枪问题较多，分析如表3，焊枪的伸出长度（预压量）和提升距离不合理，钢板尺测量，伸出长度2.5 mm，提升距离3 mm。根据文献[3]，短周期螺柱焊提升距离和伸出长度在1.2 mm-1.6 mm为合理，可以获得优良焊接质量。
表3中，调整前焊枪导向夹套疲劳磨损严重，整体变形，螺栓在导向夹套内定位不稳定，同时导向夹套在焊枪内晃动量也较大。
2.3 措施和对策
综合上述，采取措施为：更换并紧固导向夹套，调节焊枪背部调节旋钮和防溅罩位置，调整伸出长度和提升距离，根据文献[4]，伸出长度调整为1.5 mm，提升距离调整为1.2 mm，调整后试验焊接，并进行拉脱力试验分析。
3 试验分析确认
3.1 试验数据结果
为对比验证调整效果，在万能试验机UTM5504进行拉脱力试验；试片与工件材质相同，共20件，查MBN10346标准，公制6 mm螺栓标准值要求>2 500 N，3 000N 以上为优良焊接；更换导向夹套和调整提升距离前后，各做一组试验，每组10件，其他参数和加工人不变。
试片焊接后，先测量扭矩，调整前试样扭矩检测中2个脱落，表面虚焊，设定其拉脱力值为0；调整后无试样脱落，无虚焊发生。
当天生产脱落比例为10%，有3件为同一包装内连续脱落，与试验状态脱焊比例接近。确认调整前状态不稳定。
试验结果如下表4，调整前，3个试样在1 500 N-2 000 N区间，6个试样不合格，焊核小、偏，质量不稳定；调整后，全部达到标准，9个超过3 000 N，焊核饱满。
3.2 试验结果分析
表5为试样焊核直径与拉脱力报告，1号试样为调整后，最大拉脱力为3 774 N，焊核直径大于6 mm， 3号试样为调整前，最大拉脱力为1 531 N，焊核椭圆形（5 mm*1.5 mm），2号是2 159 N，为调整前试样；观察1-3号试样，焊核直径和拉脱力数值正相关，焊核直径大，拉脱力值大。
图1 调整前后拉脱力对比图
4 焊接螺栓脱落原因分析
试验确认焊枪导向夹套疲劳磨损、设定伸出长度（预压量）和提升距离不合理间接影响电弧熔化、熔池成型凝固，焊缝成形过程导致质量缺陷进而脱焊。
4.1 焊枪提升距离和螺栓伸出长度影响
4.1.1 提升距离对下落冲击速度的影响
结合图2，螺柱焊枪提升距离调整原理[4][8]：调节弹簧压紧量来调整电磁铁间距，通过防溅套位置调节提升距离和伸出长度分配，伸出长度+提升高度=电磁铁间距；据表3调整前电磁铁距离5.5 mm。参考文献[2-4]，6 mm螺栓提升高度1.2 mm-1.6 mm、伸出长度1.2 mm-1.5 mm合适，电磁铁间距2.4 mm-3 mm合适。
焊接区力学特征考虑，有重力、弹簧压力、电磁力、熔滴表面张力，下落过程主导作用为重力和弹簧压力。对整个下压系统建模，将内部总弹簧力综合考虑（简化模型）：
（1）
式中：F是弹簧力；K为弹簧系数；S是下落高度，约等于提升高度。
在弹簧有一定压紧量L前提下：
（2）
调整前总的电磁铁间距是5.5 mm，其分配为提升距离3 mm，而伸出长度为2.5 mm。
因此调整前最大压紧力是：
（3）
调整后总的电磁间距是2.7 mm：
（4）endprint
当螺栓下落冲击熔池时，下落的冲击速度是由自由落体运动速度V1和弹簧运动速度V2叠加，自由下落运动速度公式是：V1=gt，S= gt2，其中，g是重力加速度，t是时间。
（5）
而弹簧下落分速度V2，通过积分公式和常微分方程计算：
（6）
（7）
（8）
（9）
式中：a是弹簧瞬时加速度；m是整个下落系统质量。
（10）
用可分离变量常微分方程解得：
（11）
（12）
V=0，S=0，调整前：
（13）
（14）
式中：V为下落过程中任意时间t的速度。
调整前，S=0，L为一定值，设定下压距离为3 mm：
（15）
调整后，S=0，因为预压量增加2.8 mm，所以L后=L+2.8：
（16）
计算可见，V前-V后= >0，调整前下落速度大，冲力大导致金属飞溅增加，如表1图示。熔池液态金属不足，同时温度下降，液态金属表面张力增大，熔合性变差；冲击速度大可能造成回弹，撕扯焊缝，成型变差，以上两者造成焊接质量不良。
4.1.2 提升距离对电弧行为的影响
参考图3和图4电弧静特性曲线，了解短周期螺柱焊过程电流不变的特点[5-6]， a长度大于a长度，a电压大于a电压，因而提升距离变大，弧长增大，电压变大，有文献[7]给出计算公式。
当弧长L为0-6 mm时，弧压Ua=17+2.2 L，据此计算，调整前 La=3mm，Ua=23.6 V，考虑电缆压降2-4 V，U=25.6-27.6 V，，调整后 La=1.2 mm，Ua=19.64 V，考虑电缆压降2-4 V，U=21.6-23.6 V，与文献[3]所列螺柱焊通用参数吻合。调整前，电弧长度长，电压高，相同电流下，电弧半径增大，能量密度减小，熔池面积增大，熔池深度变浅，电弧变长，电弧区体积增大，气体量增加，高温时气体溶解于熔池金属中（如氮气）；凝固时，气体溶解度下降来不及逸出，导致焊缝区气体残留，表1见虚焊表面密布蜂窝状气孔，氮气孔常见；凝固速度是影响气体逸出的重要参数，速度慢气体逸出容易，速度快逸出困难，调整前，熔池熔深浅，过冷梯度大，凝固速度快，不利于气体逸出，气体残留多；同时冷却速度快，金属表面张力大，润湿性变差，不易铺展，熔合性能极度恶化，因此减少电弧长度，电弧区气体含量少，溶解气体量少，凝固速度相对变慢，气体易于逸出，相对焊缝中气孔所占比例少，且润湿性相对足够，熔合性变好。
图2 电磁式螺柱焊枪结构原理[8]
图3 螺柱焊电弧静特性曲线
图4 电弧长度对电压的影响
IW-焊接电流；UA-电弧电压；△S-螺柱位移；tp-先导电流；tw-焊接电流时间；td-螺柱下落（落钉）时间（stud dropout），大约50 ms tg-焊枪提升延长时间，大约50 ms； tm-螺柱埋入时间（plunge time）大约10 ms；ts-短路电流时间，大约50 ms。
图5 短周期螺柱焊接过程参数变化曲线[4]
4.2 导向夹套磨损影响
结合图6，夹套疲劳变形后，螺栓位置窜动。可在1、2、3、4、5任何位置。螺栓合理位置处于2，夹套疲劳后，引起电弧长度变化，结合图5和文献[2-4]，处于1时，已知提升距离和伸出长度有负相关性，造成tp和tw段电弧长，气体体积增大，易于生成气孔；电弧长受电磁影响造成偏弧，见表1。td阶段，顶锻下压力度、速度和高度不够，螺栓与工件接触不充分，熔合不良加气孔，造成虚焊[9]。
处于3时，提升距离变小，tw段焊接电压低，热输入量小，熔化量不足；td顶锻阶段，下压速度和高度大，冲击熔池，飞溅量大，熔池温度低，表面张力大，焊缝熔合不良；
处于4时，螺柱偏心，tp和tw引弧-燃弧段，基于电弧挺直特性，导致电弧偏心、产热不均，td顶锻阶段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情况下，斜向冲入熔池中，局部未熔合，产生偏焊、小焊核，见表1；
处于5时，晃动量大，螺柱不稳定，焊接全程电弧不稳定，产热不均匀，熔池不稳定，形状和熔化量不均，熔合不良，焊缝成型差。焊接质量差；
当1与4或5共同发生，或者3与4或5共同发生，焊接质量不良[10]。
5 结论
分析螺柱焊脱焊原因，间接为焊枪提升距离过长，导向夹套疲劳变形，焊接质量下降。更换导向夹套，调整提升距离为1.2 mm，拉脱力试验确认调整效果，证明焊接质量提升，未再发现脱焊，产品扭矩检测全部合格。
深入分析质量下降原因，为焊接过程中电弧参数变化，焊接熔化-熔池成型-焊缝成型阶段不稳定，引起焊缝气孔、熔合不良、电弧偏离等，造成虚焊和偏焊。
参考文献：
[1]池强，张建勋，付继飞，张友权.拉弧式电弧螺柱焊质量影响因素[J].电焊机，2005，，35（4）：6-9.
[2]王大明，褚卫东，朱麟.汽车螺柱焊质量的影响因素分析[J].汽车与配件，2011，（46）：26-28.
[3]亢书生，王伟.电弧螺柱焊及其在轿车生产中的应用[J].电焊机，2000， 30（5）：30-32.
[4]张义.汽车制造用螺柱焊机的选择与应用（三）[J].电焊机，2001，（9）：13-16，26.
[5]齐绍荣，叶振忠，王芸.影响电弧螺柱焊焊接质量的几个问题[J].焊接技术，2002，31（5）：27-28.
[6]安藤弘平，长谷川光熊.焊接电弧现象[M]，北京：机械工业出版社，1985.
[7]龚胜峰.螺柱焊接技术及工艺[J].电焊机，2006，（36）：1，11-15.
[8]梅从富，张德库，王学敏，王克鸿.大功率自动螺柱焊枪的研制[J].机械制造与研究，2009，38（6）：43-46.
[9]朱麟.螺柱焊虚焊分析和解决措施[J].汽车与配件.2012，（5）：33-34
[10]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在车身焊接中的质量控制[J].上海汽车，2008，（10）：36-38.endprint
当螺栓下落冲击熔池时，下落的冲击速度是由自由落体运动速度V1和弹簧运动速度V2叠加，自由下落运动速度公式是：V1=gt，S= gt2，其中，g是重力加速度，t是时间。
（5）
而弹簧下落分速度V2，通过积分公式和常微分方程计算：
（6）
（7）
（8）
（9）
式中：a是弹簧瞬时加速度；m是整个下落系统质量。
（10）
用可分离变量常微分方程解得：
（11）
（12）
V=0，S=0，调整前：
（13）
（14）
式中：V为下落过程中任意时间t的速度。
调整前，S=0，L为一定值，设定下压距离为3 mm：
（15）
调整后，S=0，因为预压量增加2.8 mm，所以L后=L+2.8：
（16）
计算可见，V前-V后= >0，调整前下落速度大，冲力大导致金属飞溅增加，如表1图示。熔池液态金属不足，同时温度下降，液态金属表面张力增大，熔合性变差；冲击速度大可能造成回弹，撕扯焊缝，成型变差，以上两者造成焊接质量不良。
4.1.2 提升距离对电弧行为的影响
参考图3和图4电弧静特性曲线，了解短周期螺柱焊过程电流不变的特点[5-6]， a长度大于a长度，a电压大于a电压，因而提升距离变大，弧长增大，电压变大，有文献[7]给出计算公式。
当弧长L为0-6 mm时，弧压Ua=17+2.2 L，据此计算，调整前 La=3mm，Ua=23.6 V，考虑电缆压降2-4 V，U=25.6-27.6 V，，调整后 La=1.2 mm，Ua=19.64 V，考虑电缆压降2-4 V，U=21.6-23.6 V，与文献[3]所列螺柱焊通用参数吻合。调整前，电弧长度长，电压高，相同电流下，电弧半径增大，能量密度减小，熔池面积增大，熔池深度变浅，电弧变长，电弧区体积增大，气体量增加，高温时气体溶解于熔池金属中（如氮气）；凝固时，气体溶解度下降来不及逸出，导致焊缝区气体残留，表1见虚焊表面密布蜂窝状气孔，氮气孔常见；凝固速度是影响气体逸出的重要参数，速度慢气体逸出容易，速度快逸出困难，调整前，熔池熔深浅，过冷梯度大，凝固速度快，不利于气体逸出，气体残留多；同时冷却速度快，金属表面张力大，润湿性变差，不易铺展，熔合性能极度恶化，因此减少电弧长度，电弧区气体含量少，溶解气体量少，凝固速度相对变慢，气体易于逸出，相对焊缝中气孔所占比例少，且润湿性相对足够，熔合性变好。
图2 电磁式螺柱焊枪结构原理[8]
图3 螺柱焊电弧静特性曲线
图4 电弧长度对电压的影响
IW-焊接电流；UA-电弧电压；△S-螺柱位移；tp-先导电流；tw-焊接电流时间；td-螺柱下落（落钉）时间（stud dropout），大约50 ms tg-焊枪提升延长时间，大约50 ms； tm-螺柱埋入时间（plunge time）大约10 ms；ts-短路电流时间，大约50 ms。
图5 短周期螺柱焊接过程参数变化曲线[4]
4.2 导向夹套磨损影响
结合图6，夹套疲劳变形后，螺栓位置窜动。可在1、2、3、4、5任何位置。螺栓合理位置处于2，夹套疲劳后，引起电弧长度变化，结合图5和文献[2-4]，处于1时，已知提升距离和伸出长度有负相关性，造成tp和tw段电弧长，气体体积增大，易于生成气孔；电弧长受电磁影响造成偏弧，见表1。td阶段，顶锻下压力度、速度和高度不够，螺栓与工件接触不充分，熔合不良加气孔，造成虚焊[9]。
处于3时，提升距离变小，tw段焊接电压低，热输入量小，熔化量不足；td顶锻阶段，下压速度和高度大，冲击熔池，飞溅量大，熔池温度低，表面张力大，焊缝熔合不良；
处于4时，螺柱偏心，tp和tw引弧-燃弧段，基于电弧挺直特性，导致电弧偏心、产热不均，td顶锻阶段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情况下，斜向冲入熔池中，局部未熔合，产生偏焊、小焊核，见表1；
处于5时，晃动量大，螺柱不稳定，焊接全程电弧不稳定，产热不均匀，熔池不稳定，形状和熔化量不均，熔合不良，焊缝成型差。焊接质量差；
当1与4或5共同发生，或者3与4或5共同发生，焊接质量不良[10]。
5 结论
分析螺柱焊脱焊原因，间接为焊枪提升距离过长，导向夹套疲劳变形，焊接质量下降。更换导向夹套，调整提升距离为1.2 mm，拉脱力试验确认调整效果，证明焊接质量提升，未再发现脱焊，产品扭矩检测全部合格。
深入分析质量下降原因，为焊接过程中电弧参数变化，焊接熔化-熔池成型-焊缝成型阶段不稳定，引起焊缝气孔、熔合不良、电弧偏离等，造成虚焊和偏焊。
参考文献：
[1]池强，张建勋，付继飞，张友权.拉弧式电弧螺柱焊质量影响因素[J].电焊机，2005，，35（4）：6-9.
[2]王大明，褚卫东，朱麟.汽车螺柱焊质量的影响因素分析[J].汽车与配件，2011，（46）：26-28.
[3]亢书生，王伟.电弧螺柱焊及其在轿车生产中的应用[J].电焊机，2000， 30（5）：30-32.
[4]张义.汽车制造用螺柱焊机的选择与应用（三）[J].电焊机，2001，（9）：13-16，26.
[5]齐绍荣，叶振忠，王芸.影响电弧螺柱焊焊接质量的几个问题[J].焊接技术，2002，31（5）：27-28.
[6]安藤弘平，长谷川光熊.焊接电弧现象[M]，北京：机械工业出版社，1985.
[7]龚胜峰.螺柱焊接技术及工艺[J].电焊机，2006，（36）：1，11-15.
[8]梅从富，张德库，王学敏，王克鸿.大功率自动螺柱焊枪的研制[J].机械制造与研究，2009，38（6）：43-46.
[9]朱麟.螺柱焊虚焊分析和解决措施[J].汽车与配件.2012，（5）：33-34
[10]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在车身焊接中的质量控制[J].上海汽车，2008，（10）：36-38.endprint
当螺栓下落冲击熔池时，下落的冲击速度是由自由落体运动速度V1和弹簧运动速度V2叠加，自由下落运动速度公式是：V1=gt，S= gt2，其中，g是重力加速度，t是时间。
（5）
而弹簧下落分速度V2，通过积分公式和常微分方程计算：
（6）
（7）
（8）
（9）
式中：a是弹簧瞬时加速度；m是整个下落系统质量。
（10）
用可分离变量常微分方程解得：
（11）
（12）
V=0，S=0，调整前：
（13）
（14）
式中：V为下落过程中任意时间t的速度。
调整前，S=0，L为一定值，设定下压距离为3 mm：
（15）
调整后，S=0，因为预压量增加2.8 mm，所以L后=L+2.8：
（16）
计算可见，V前-V后= >0，调整前下落速度大，冲力大导致金属飞溅增加，如表1图示。熔池液态金属不足，同时温度下降，液态金属表面张力增大，熔合性变差；冲击速度大可能造成回弹，撕扯焊缝，成型变差，以上两者造成焊接质量不良。
4.1.2 提升距离对电弧行为的影响
参考图3和图4电弧静特性曲线，了解短周期螺柱焊过程电流不变的特点[5-6]， a长度大于a长度，a电压大于a电压，因而提升距离变大，弧长增大，电压变大，有文献[7]给出计算公式。
当弧长L为0-6 mm时，弧压Ua=17+2.2 L，据此计算，调整前 La=3mm，Ua=23.6 V，考虑电缆压降2-4 V，U=25.6-27.6 V，，调整后 La=1.2 mm，Ua=19.64 V，考虑电缆压降2-4 V，U=21.6-23.6 V，与文献[3]所列螺柱焊通用参数吻合。调整前，电弧长度长，电压高，相同电流下，电弧半径增大，能量密度减小，熔池面积增大，熔池深度变浅，电弧变长，电弧区体积增大，气体量增加，高温时气体溶解于熔池金属中（如氮气）；凝固时，气体溶解度下降来不及逸出，导致焊缝区气体残留，表1见虚焊表面密布蜂窝状气孔，氮气孔常见；凝固速度是影响气体逸出的重要参数，速度慢气体逸出容易，速度快逸出困难，调整前，熔池熔深浅，过冷梯度大，凝固速度快，不利于气体逸出，气体残留多；同时冷却速度快，金属表面张力大，润湿性变差，不易铺展，熔合性能极度恶化，因此减少电弧长度，电弧区气体含量少，溶解气体量少，凝固速度相对变慢，气体易于逸出，相对焊缝中气孔所占比例少，且润湿性相对足够，熔合性变好。
图2 电磁式螺柱焊枪结构原理[8]
图3 螺柱焊电弧静特性曲线
图4 电弧长度对电压的影响
IW-焊接电流；UA-电弧电压；△S-螺柱位移；tp-先导电流；tw-焊接电流时间；td-螺柱下落（落钉）时间（stud dropout），大约50 ms tg-焊枪提升延长时间，大约50 ms； tm-螺柱埋入时间（plunge time）大约10 ms；ts-短路电流时间，大约50 ms。
图5 短周期螺柱焊接过程参数变化曲线[4]
4.2 导向夹套磨损影响
结合图6，夹套疲劳变形后，螺栓位置窜动。可在1、2、3、4、5任何位置。螺栓合理位置处于2，夹套疲劳后，引起电弧长度变化，结合图5和文献[2-4]，处于1时，已知提升距离和伸出长度有负相关性，造成tp和tw段电弧长，气体体积增大，易于生成气孔；电弧长受电磁影响造成偏弧，见表1。td阶段，顶锻下压力度、速度和高度不够，螺栓与工件接触不充分，熔合不良加气孔，造成虚焊[9]。
处于3时，提升距离变小，tw段焊接电压低，热输入量小，熔化量不足；td顶锻阶段，下压速度和高度大，冲击熔池，飞溅量大，熔池温度低，表面张力大，焊缝熔合不良；
处于4时，螺柱偏心，tp和tw引弧-燃弧段，基于电弧挺直特性，导致电弧偏心、产热不均，td顶锻阶段，螺柱和工件不垂直（>3°）的情况下，斜向冲入熔池中，局部未熔合，产生偏焊、小焊核，见表1；
处于5时，晃动量大，螺柱不稳定，焊接全程电弧不稳定，产热不均匀，熔池不稳定，形状和熔化量不均，熔合不良，焊缝成型差。焊接质量差；
当1与4或5共同发生，或者3与4或5共同发生，焊接质量不良[10]。
5 结论
分析螺柱焊脱焊原因，间接为焊枪提升距离过长，导向夹套疲劳变形，焊接质量下降。更换导向夹套，调整提升距离为1.2 mm，拉脱力试验确认调整效果，证明焊接质量提升，未再发现脱焊，产品扭矩检测全部合格。
深入分析质量下降原因，为焊接过程中电弧参数变化，焊接熔化-熔池成型-焊缝成型阶段不稳定，引起焊缝气孔、熔合不良、电弧偏离等，造成虚焊和偏焊。
参考文献：
[1]池强，张建勋，付继飞，张友权.拉弧式电弧螺柱焊质量影响因素[J].电焊机，2005，，35（4）：6-9.
[2]王大明，褚卫东，朱麟.汽车螺柱焊质量的影响因素分析[J].汽车与配件，2011，（46）：26-28.
[3]亢书生，王伟.电弧螺柱焊及其在轿车生产中的应用[J].电焊机，2000， 30（5）：30-32.
[4]张义.汽车制造用螺柱焊机的选择与应用（三）[J].电焊机，2001，（9）：13-16，26.
[5]齐绍荣，叶振忠，王芸.影响电弧螺柱焊焊接质量的几个问题[J].焊接技术，2002，31（5）：27-28.
[6]安藤弘平，长谷川光熊.焊接电弧现象[M]，北京：机械工业出版社，1985.
[7]龚胜峰.螺柱焊接技术及工艺[J].电焊机，2006，（36）：1，11-15.
[8]梅从富，张德库，王学敏，王克鸿.大功率自动螺柱焊枪的研制[J].机械制造与研究，2009，38（6）：43-46.
[9]朱麟.螺柱焊虚焊分析和解决措施[J].汽车与配件.2012，（5）：33-34
[10]程猛.短周期拉弧螺柱焊及其在车身焊接中的质量控制[J].上海汽车，2008，（10）：36-38.endprint
