車身焊接強度模式探討

        在汽車制造業，安全一直是人們關注的焦點，而車身作為承載汽車零部件的載體，如何保證其強度就顯得尤為重要。在當前白車身生產過程中，點焊作為主要工藝，依舊占據著重要位置。行業內一般通過NQST(白車身焊點強度質量水平)的數值來反應白車身焊點強度的質量水平。本文結合我公司的實際應用，從點焊的焊接原理、焊點強度的評價方式、點焊標準及失效模式、焊接強度的檢驗方式等方面做了詳細的分析介紹。點焊的定義及焊接原理

1.點焊的定義

點焊是指通過加熱或加壓，或兩者并用，用或不用填充材料，使兩分離的金屬表面達到原子間的結合，形成永久性連接的一種工藝方法。如圖1所示，一個完整的點焊形成過程包括預壓程序、焊接程序、維持程序和休止程序。在預壓階段沒有電流通過，只對母材金屬施加壓力;在焊接程序和維持程序中，壓力處于一定的數值下，通過電流產生熱量熔化母材金屬，從而形成熔核;在休止程序中，停止通電，壓力也在逐漸減小。點焊的主要焊接參數包括：焊接電流、焊接壓力、電極端面直徑和焊接時間。

圖1 一個完整的點焊形成過程

點焊的熱源是電流通過焊接區產生的電阻熱。根據焦耳定律，總熱量： ，R=2 +2 。公式中 產生的熱量; 接觸電阻Rc+2Rew所產生的熱量約占總熱量的10%左右;而焊件內部電阻2Rw所產生的熱量約占總熱量的90%左右。最高溫度總是處于焊接區中心，即熔核形成于焊接中心,如圖2所示。

圖２　點焊熔核形成示意

車身點焊焊接的標準及失效模式

白車身的焊點按照不同的部位和特性可以劃分為關鍵焊點和一般焊點：關鍵焊點是車身關鍵部位焊接的焊點，主要影響車身的剛度模態、碰撞以及法規等部位焊接的焊點;一般焊點是指板件之間的搭接及鈑金之間連接時焊接的焊點。

1.車身點焊焊接強度的評價方式

白車身焊點質量的好壞，主要是通過剖檢室對白車身焊點的破壞性檢查來評價和判斷，行業內一般用NQST的數值來表示，數值越小表示白車身焊點強度質量水平越高。NQST計算公式如下：

2.車身點焊焊接的標準及失效模式

車身點焊過程中常見的失效模式如圖3所示。

圖3 常見的失效模式

(1)弱焊

弱焊的焊點熔核存在明顯的溶化結晶，但未能撕出凸臺。在焊接質量評價過程中，弱焊是比較正常的一種焊接缺陷，在生產過程中無法通過正常的方式識別出缺陷，需要通過非破壞性檢驗才能發現，但是在生產過程中不能每個焊點都通過破壞性檢驗來識別，只能通過抽檢的方式來進行識別。因此，弱焊是一種在生產過程中時不容易被識別出來的，只有通過剖壞性試驗才能發現的焊接缺陷。

(2) 虛焊

虛焊的焊點處只有少量的熔核或沒有熔核，造成接觸不良，時通時斷。虛焊與假焊都是指焊件表面沒有充分接觸，焊件之間沒有形成熔核，主要原因通常是由于焊件表面沒有清除干凈或焊劑用得太少以及焊接時間過短所引起的。

(3) 內飛濺

目視內飛濺焊點的內部，熔核金屬隨飛濺飛出，焊點熔核成為一個空洞。內飛濺產生的原因是：兩焊接板件的板厚超過5.4mm;或者焊接的電流、電壓較大且焊接時間比較短，在短時間內集聚較大的熱量，使焊接的板件中間的焊接熔核形成飛濺飛出熔核，導致焊接的熔核中形成空洞。

(4) 氣孔

焊點及熱影響區不允許有裂紋、燒穿存在，焊核周圍不允許有氣孔存在，合資企業的標準是：強度部位為Φ1.5mm以下，密封部位不允許存在，一般部位為Φ1.5mm以下。

(5) 焊點位置

焊接位置誤差不允許超過圖紙規定位置±10mm，合資企業的標準是強度部位為5mm以下，密封部位是10mm以下，一般部位是10mm以下。

(6 )半點

焊點邊緣距母材邊緣距離不得小于1.0mm，合資企業的標準是強度部位的打點痕跡一定在部品中間，密封部位的打點痕跡在2/4以上，一般部位的打點痕跡在2/4以上。

(7) 點距不均

點距的誤差不允許超過圖樣要求的±15%，合資企業的標準是強度部位為±10mm，密封部位為±20mm，一般部位為±20mm。

(8) 壓痕深度

焊點壓痕的深度不得大于被焊接母材厚度的20%，合資企業的標準是：壓痕深度≤焊接板厚的30% 。

影響焊接強度的因素

1.焊接參數

(1)焊接電流

焊接電流對產熱的影響比電阻和通電時間大，它是平方正比關系，因此是必須嚴格控制的重要參數之一。焊接電流較小、熱源強度不足，此時不能形成熔核，因此，焊點的強度負荷較低且不穩定。隨著電流的提高，內部熱源急劇增加，熔核尺寸穩定增加，焊點的拉剪載荷不斷提高;當電流過大會引起金屬過熱和噴濺，接頭性能反而降低，形成內飛濺焊點，沒有實質性的強度。

(2)通電時間

焊接時間對接頭性能的影響與焊接電流相似。

(3)電極壓力

電極壓力過小會造成因電流密度過大，而引起加熱速度增大而產生噴濺;電極壓力過大時將使焊接區總電阻和電流密度均減小，焊接散熱增加，熔核尺寸下降，接頭性能降低。為了使焊接熱量達到原有水平，保持焊點強度不變，在增大電極壓力的同時，應適當的增加焊接電流或延長焊接時間來彌補電阻減小的影響;在確定電極壓力時，還必須考慮零件或者裝配質量。如果工件已經變形，導致焊接區不能緊密接觸，則需采用較高的電極壓力來克服這種變形。

(4)電極形狀及材料

電極的端面接觸面積決定著電流密度和熔核大小，電阻材料的電阻率和導熱性關系著熱源的產生和散失，電極必須有合適的強度和硬度，不至于在反復加壓過程中發生變形和損耗，使接觸面積大，接頭強度下降。電極頭端面尺寸增加，焊接區電流密度減小，散熱增強導致熔核尺寸減小，接頭承載能力也相應降低。

(5)焊件表面狀況

焊件表面上帶有氧化物、鐵銹或其他雜質等不均勻覆層時，會因接觸電阻的不一致，各個焊點產生的熱量大小不一致，引起焊接質量的波動。所以，焊接前清理待焊件表面是獲得優質焊接質量的必備條件。

(6)電極

電極端面直徑在6～8mm之間是焊點質量保障的條件之一。

2. 沖壓件質量

沖壓件質量也是影響焊接強度的因素之一，如沖壓件表面起皺、變形都會影響焊接質量。焊接面起皺，會導致鈑金搭接間隙增大，從而導致焊點出現弱焊、虛焊和內飛濺等焊接缺陷;板件翻邊不平整，會導致板件在搭接時的間隙過大。當板件搭接間隙大于1mm時，焊點就會出現虛焊、弱焊和內飛濺等。這些焊接缺陷都是焊點的內部焊接質量問題，在正常的生產過程中發現不了的，只能通過破壞性檢驗才能識別。所以沖壓件質量對焊點的焊接質量影響比較大，控制好沖壓件質量也是提高焊接質量的途徑之一。沖壓件質量主要控制沖壓件的焊接面變形問題及搭接邊平整。

3.工裝防錯

工裝防錯主要是體現在焊點的位置及焊點半點這些焊接缺陷上面。如一些焊點在焊接過程中是無法看到的，只能通過在工裝上增加限位槽或者是擋塊來確保焊點的位置，以防止焊點焊接半點。

4.人員操作

人員操作也是影響焊接質量的一個因素，操作時要求焊鉗的電極與板件垂直焊接，如果焊接時板金與電極不垂直就會出現焊接飛濺、點扭曲和虛焊等焊接缺陷。

車身焊接強度檢驗方式

1.焊接強度控制及檢驗

車身上各部件的焊接主要依靠點焊，點焊在車身焊接質量中起著非常重要的作用，其質量合格與否對整車安全、強度和外觀等性能影響非常大，尤其是焊接強度的保障對整車安全有著非常重要的意義。此外，其他焊接方法，如MIG焊、激光焊等，其焊接質量也同樣重要。

以某車型為例，長安福特馬自達焊裝車間引入了德國BOS 6000系統，可以對該車型所有焊接機器人和焊點進行實時監控，既可以監控每個焊點的焊接參數、飛濺大小和焊接質量，也可以監控焊接機器人電極頭的磨損情況和打磨頻次等。此外，在焊接生產過程中，對樣件進行強度檢驗的環節也非常重要。

點焊檢驗手段主要有非破壞性檢查(Non-Destructive)和破壞性檢查(Destructive)兩種方式。非破壞性檢查包括鑿檢、超聲波檢驗等，破壞性檢查包括Teardown點焊檢查和激光焊/MIG焊金相分析等。

我公司焊裝車間目前采用了幾種主要的檢驗手段：

(1)非破壞性檢查(鑿檢)

鑿檢主要是生產線各工位對可撬焊點的質量檢驗手段，使用的工具是扁鏟、錘子等，頻次為20件/次，如圖4所示。鑿檢通常可以發現較為簡單的焊接缺陷，如虛焊、弱焊等。

圖4 鑿檢

(2)非破壞性檢查(無損強度檢測)

無損檢測試驗包括射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷和渦流探傷。超聲波在被檢測焊點金屬材質中傳播時，焊點內部組織的變化對超聲波的傳播會產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測，可以了解焊點性能和內部缺陷，軟件畫面會實時顯示超聲波的傳播情況，如有異常說明焊點內部有缺陷。比如：波峰逐級降低過緩(較平整)，說明該焊點存在低熱溶現象;波峰逐級降低過陡(較陡峭)，說明該焊點存在過熱溶現象。

(3)破壞性檢查(Teardown )

Teardown通過手工鏨、氣動鏨、電鏨和榔頭等破壞所有焊點、焊縫，對焊接質量進行檢驗。分總成和白車身的檢查頻次為每月一次。

2.工藝性檢驗

在產品制造過程中為了保證工藝的正確性而進行。它包括：材料焊接性試驗、焊接工藝評定試驗、焊接電源檢驗、工藝裝備檢驗、輔機及工具檢驗、結構的裝配質量檢驗、焊接工藝參數檢驗、預熱、后熱及焊后熱處理檢驗。

車身焊接強度過程保障

1. 焊接電極

焊接電極的端面直徑在6～8mm之間，使用過程中需及時修磨，按照標準要求配送到生產工位進行更換使用，并進行記錄;過程中檢查監督電極帽是否按照標準進行更換，來保障焊點的焊接質量。

2. 參數監控

焊接參數是保障焊接強度的一個重要因素，焊接參數的正確與否是時刻需要關注的。一般工位的焊接參數是每個月監控一次，關鍵工序的焊接參數是半個月監控一次，通過對焊接參數的監控來確保焊點的焊接質量。

3. 焊接設備

(1)穩定性

通過增加中頻焊機來提高焊接參數的輸出穩定性，從而提升焊點的焊接質量。

(2)焊接設備的完好性

焊鉗不能出現漏水、漏氣現象，設備的完好性是保障焊接質量的重要因素。

4. 板件質量監控

沖壓件搭接是否有間隙或者說是板件的焊接面是否起皺，搭接板件的邊緣是否有間隙超過1mm，這些都是影響焊接強度的因素，因此對板件的質量監控也是提升焊接強度的一種途徑。

5. 關鍵焊點的保障方式

可采取的保障方式有：增加中頻焊機、夾具增加擋塊、自動化焊接(增加機器人焊接保障焊點的一致性)、產品結構設計、增加焊點標識或者增加焊點槽。

結語

汽車車身的焊接質量直接決定著整車的質量，車身存在焊接缺陷將會導致車身強度不夠、功能組件失效無法安裝等，從而直接影響到整車的安全性及功能性，同時還會導致漏雨、噪聲和車門關閉障礙的發生。所以，如何快速有效的控制焊接強度是每一個汽車廠極力追求的目標。