车身焊接强度模式探讨

 

在汽车制造业，安全一直是人们关注的焦点，而车身作为承载汽车零部件的载体，如何保证其强度就显得尤为重要。在当前白车身生产过程中，点焊作为主要工艺，依旧占据着重要位置。行业内一般通过NQST(白车身焊点强度质量水平)的数值来反应白车身焊点强度的质量水平。本文结合我公司的实际应用，从点焊的焊接原理、焊点强度的评价方式、点焊标准及失效模式、焊接强度的检验方式等方面做了详细的分析介绍。

点焊的定义及焊接原理

1.点焊的定义

点焊是指通过加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料，使两分离的金属表面达到原子间的结合，形成永久性连接的一种工艺方法。如图1所示，一个完整的点焊形成过程包括预压程序、焊接程序、维持程序和休止程序。在预压阶段没有电流通过，只对母材金属施加压力;在焊接程序和维持程序中，压力处于一定的数值下，通过电流产生热量熔化母材金属，从而形成熔核;在休止程序中，停止通电，压力也在逐渐减小。点焊的主要焊接参数包括：焊接电流、焊接压力、电极端面直径和焊接时间。

图1  一个完整的点焊形成过程

 

点焊的热源是电流通过焊接区产生的电阻热。根据焦耳定律，总热量： ，R=2 +2 。公式中 产生的热量; 接触电阻Rc+2Rew所产生的热量约占总热量的10%左右;而焊件内部电阻2Rw所产生的热量约占总热量的90%左右。最高温度总是处于焊接区中心，即熔核形成于焊接中心,如图2所示。

图２　点焊熔核形成示意

 

车身点焊焊接的标准及失效模式

白车身的焊点按照不同的部位和特性可以划分为关键焊点和一般焊点：关键焊点是车身关键部位焊接的焊点，主要影响车身的刚度模态、碰撞以及法规等部位焊接的焊点;一般焊点是指板件之间的搭接及钣金之间连接时焊接的焊点。

1.车身点焊焊接强度的评价方式

白车身焊点质量的好坏，主要是通过剖检室对白车身焊点的破坏性检查来评价和判断，行业内一般用NQST的数值来表示，数值越小表示白车身焊点强度质量水平越高。NQST计算公式如下：

 

2.车身点焊焊接的标准及失效模式

车身点焊过程中常见的失效模式如图3所示。

图3  常见的失效模式

 

(1)弱焊

弱焊的焊点熔核存在明显的溶化结晶，但未能撕出凸台。在焊接质量评价过程中，弱焊是比较正常的一种焊接缺陷，在生产过程中无法通过正常的方式识别出缺陷，需要通过非破坏性检验才能发现，但是在生产过程中不能每个焊点都通过破坏性检验来识别，只能通过抽检的方式来进行识别。因此，弱焊是一种在生产过程中时不容易被识别出来的，只有通过剖坏性试验才能发现的焊接缺陷。

(2) 虚焊

虚焊的焊点处只有少量的熔核或没有熔核，造成接触不良，时通时断。虚焊与假焊都是指焊件表面没有充分接触，焊件之间没有形成熔核，主要原因通常是由于焊件表面没有清除干净或焊剂用得太少以及焊接时间过短所引起的。

(3) 内飞溅

目视内飞溅焊点的内部，熔核金属随飞溅飞出，焊点熔核成为一个空洞。内飞溅产生的原因是：两焊接板件的板厚超过5.4mm;或者焊接的电流、电压较大且焊接时间比较短，在短时间内集聚较大的热量，使焊接的板件中间的焊接熔核形成飞溅飞出熔核，导致焊接的熔核中形成空洞。

(4) 气孔

焊点及热影响区不允许有裂纹、烧穿存在，焊核周围不允许有气孔存在，合资企业的标准是：强度部位为Φ1.5mm以下，密封部位不允许存在，一般部位为Φ1.5mm以下。

(5) 焊点位置

焊接位置误差不允许超过图纸规定位置±10mm，合资企业的标准是强度部位为5mm以下，密封部位是10mm以下，一般部位是10mm以下。

(6 )半点

焊点边缘距母材边缘距离不得小于1.0mm，合资企业的标准是强度部位的打点痕迹一定在部品中间，密封部位的打点痕迹在2/4以上，一般部位的打点痕迹在2/4以上。

(7) 点距不均

点距的误差不允许超过图样要求的±15%，合资企业的标准是强度部位为±10mm，密封部位为±20mm，一般部位为±20mm。

(8) 压痕深度

焊点压痕的深度不得大于被焊接母材厚度的20%，合资企业的标准是：压痕深度≤焊接板厚的30% 。

影响焊接强度的因素

1.焊接参数

(1)焊接电流

焊接电流对产热的影响比电阻和通电时间大，它是平方正比关系，因此是必须严格控制的重要参数之一。焊接电流较小、热源强度不足，此时不能形成熔核，因此，焊点的强度负荷较低且不稳定。随着电流的提高，内部热源急剧增加，熔核尺寸稳定增加，焊点的拉剪载荷不断提高;当电流过大会引起金属过热和喷溅，接头性能反而降低，形成内飞溅焊点，没有实质性的强度。

(2)通电时间

焊接时间对接头性能的影响与焊接电流相似。

(3)电极压力

电极压力过小会造成因电流密度过大，而引起加热速度增大而产生喷溅;电极压力过大时将使焊接区总电阻和电流密度均减小，焊接散热增加，熔核尺寸下降，接头性能降低。为了使焊接热量达到原有水平，保持焊点强度不变，在增大电极压力的同时，应适当的增加焊接电流或延长焊接时间来弥补电阻减小的影响;在确定电极压力时，还必须考虑零件或者装配质量。如果工件已经变形，导致焊接区不能紧密接触，则需采用较高的电极压力来克服这种变形。

(4)电极形状及材料

电极的端面接触面积决定着电流密度和熔核大小，电阻材料的电阻率和导热性关系着热源的产生和散失，电极必须有合适的强度和硬度，不至于在反复加压过程中发生变形和损耗，使接触面积大，接头强度下降。电极头端面尺寸增加，焊接区电流密度减小，散热增强导致熔核尺寸减小，接头承载能力也相应降低。

(5)焊件表面状况

焊件表面上带有氧化物、铁锈或其他杂质等不均匀覆层时，会因接触电阻的不一致，各个焊点产生的热量大小不一致，引起焊接质量的波动。所以，焊接前清理待焊件表面是获得优质焊接质量的必备条件。

(6)电极

电极端面直径在6～8mm之间是焊点质量保障的条件之一。

2. 冲压件质量

冲压件质量也是影响焊接强度的因素之一，如冲压件表面起皱、变形都会影响焊接质量。焊接面起皱，会导致钣金搭接间隙增大，从而导致焊点出现弱焊、虚焊和内飞溅等焊接缺陷;板件翻边不平整，会导致板件在搭接时的间隙过大。当板件搭接间隙大于1mm时，焊点就会出现虚焊、弱焊和内飞溅等。这些焊接缺陷都是焊点的内部焊接质量问题，在正常的生产过程中发现不了的，只能通过破坏性检验才能识别。所以冲压件质量对焊点的焊接质量影响比较大，控制好冲压件质量也是提高焊接质量的途径之一。冲压件质量主要控制冲压件的焊接面变形问题及搭接边平整。

3.工装防错

工装防错主要是体现在焊点的位置及焊点半点这些焊接缺陷上面。如一些焊点在焊接过程中是无法看到的，只能通过在工装上增加限位槽或者是挡块来确保焊点的位置，以防止焊点焊接半点。

4.人员操作

人员操作也是影响焊接质量的一个因素，操作时要求焊钳的电极与板件垂直焊接，如果焊接时板金与电极不垂直就会出现焊接飞溅、点扭曲和虚焊等焊接缺陷。

车身焊接强度检验方式

1.焊接强度控制及检验

车身上各部件的焊接主要依靠点焊，点焊在车身焊接质量中起着非常重要的作用，其质量合格与否对整车安全、强度和外观等性能影响非常大，尤其是焊接强度的保障对整车安全有着非常重要的意义。此外，其他焊接方法，如MIG焊、激光焊等，其焊接质量也同样重要。

以某车型为例，长安福特马自达焊装车间引入了德国BOS 6000系统，可以对该车型所有焊接机器人和焊点进行实时监控，既可以监控每个焊点的焊接参数、飞溅大小和焊接质量，也可以监控焊接机器人电极头的磨损情况和打磨频次等。此外，在焊接生产过程中，对样件进行强度检验的环节也非常重要。

点焊检验手段主要有非破坏性检查(Non-Destructive)和破坏性检查(Destructive)两种方式。非破坏性检查包括凿检、超声波检验等，破坏性检查包括Teardown点焊检查和激光焊/MIG焊金相分析等。

我公司焊装车间目前采用了几种主要的检验手段：

(1)非破坏性检查(凿检)

凿检主要是生产线各工位对可撬焊点的质量检验手段，使用的工具是扁铲、锤子等，频次为20件/次，如图4所示。凿检通常可以发现较为简单的焊接缺陷，如虚焊、弱焊等。

图4  凿检

 

(2)非破坏性检查(无损强度检测)

无损检测试验包括射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤和涡流探伤。超声波在被检测焊点金属材质中传播时，焊点内部组织的变化对超声波的传播会产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测，可以了解焊点性能和内部缺陷，软件画面会实时显示超声波的传播情况，如有异常说明焊点内部有缺陷。比如：波峰逐级降低过缓(较平整)，说明该焊点存在低热溶现象;波峰逐级降低过陡(较陡峭)，说明该焊点存在过热溶现象。

(3)破坏性检查(Teardown )

Teardown通过手工錾、气动錾、电錾和榔头等破坏所有焊点、焊缝，对焊接质量进行检验。分总成和白车身的检查频次为每月一次。

2.工艺性检验

在产品制造过程中为了保证工艺的正确性而进行。它包括：材料焊接性试验、焊接工艺评定试验、焊接电源检验、工艺装备检验、辅机及工具检验、结构的装配质量检验、焊接工艺参数检验、预热、后热及焊后热处理检验。

车身焊接强度过程保障

1. 焊接电极

焊接电极的端面直径在6～8mm之间，使用过程中需及时修磨，按照标准要求配送到生产工位进行更换使用，并进行记录;过程中检查监督电极帽是否按照标准进行更换，来保障焊点的焊接质量。

2. 参数监控

焊接参数是保障焊接强度的一个重要因素，焊接参数的正确与否是时刻需要关注的。一般工位的焊接参数是每个月监控一次，关键工序的焊接参数是半个月监控一次，通过对焊接参数的监控来确保焊点的焊接质量。

3. 焊接设备

(1)稳定性

通过增加中频焊机来提高焊接参数的输出稳定性，从而提升焊点的焊接质量。

(2)焊接设备的完好性

焊钳不能出现漏水、漏气现象，设备的完好性是保障焊接质量的重要因素。

4. 板件质量监控

冲压件搭接是否有间隙或者说是板件的焊接面是否起皱，搭接板件的边缘是否有间隙超过1mm，这些都是影响焊接强度的因素，因此对板件的质量监控也是提升焊接强度的一种途径。

5. 关键焊点的保障方式

可采取的保障方式有：增加中频焊机、夹具增加挡块、自动化焊接(增加机器人焊接保障焊点的一致性)、产品结构设计、增加焊点标识或者增加焊点槽。

结语

汽车车身的焊接质量直接决定着整车的质量，车身存在焊接缺陷将会导致车身强度不够、功能组件失效无法安装等，从而直接影响到整车的安全性及功能性，同时还会导致漏雨、噪声和车门关闭障碍的发生。所以，如何快速有效的控制焊接强度是每一个汽车厂极力追求的目标。