浅析焊接飞溅产生原因及控制方法

浅析焊接飞溅产生原因及控制方法

朱雪松⑴,,,栾庆坤⑵,,汪彬⑶，李家凤(4)

奇瑞汽车股份有限公司  安徽省芜湖市  241009

【摘要】本文介绍了电阻点焊焊接飞溅产生的原因，及实际生产中如何降低焊接飞溅所采取的方法，从而提高白车身的焊接质量，为顾客提供更高的安全性能。在白车身骨架中点焊工艺完成了90%以上的白车身焊接工作量，是白车身焊接中最主要的连接方式。但因焊接特性过程中会产生大量焊接飞溅向四周喷射出去，对操作人员造成人身伤害；焊点表面的毛刺，刺破线路导致车身电器故障；所以汽车工厂需投入大量的人力进行焊点打磨，增加了劳动强度；飞溅减小焊核体积，影响车身机械性能。本文结合生产实际，对点焊飞溅的整治方法进行了探讨。

【关键词】焊接、飞溅、电阻点焊

一、电阻点焊的原理

焊接是通过加热或者加压，或者两者并用，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。

焊接的本质：金属等固体之所以能保持固定的形状是因为其内部原子之间距（晶格）十分小，原子之间形成牢固的结合力。除非施加足够的外力破坏这些原子间结合力，否则，一块固体金属是不会变形或分离成两块的。要使两个分离的金属构件连接在一起，从物理本质上来看就是要使这两个构件的连接表面上的原子彼此接近到金属晶格距离。

电阻点焊：电阻焊是将被焊工件压紧于电极之间，并通以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。

电阻焊基本原理：焊接热的产生及影响产热的因素，点焊时产生的热量根据焦耳定律由下式决定：总热量：Q=I2 R T

Q——产生的热量（焦耳） I——焊接电流（A）   R——电极间电阻（欧姆） 

T——焊接时间（s）     其中 R=2R件+R触+2R极（如图1）

图1：点焊时的电阻分布                             图2：接触电阻与温度的关系

接触电阻R触+2R极所产生的热量约占总热量的10%左右；而焊件内部电阻2R件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。

R触对焊接有害处，是造成焊点飞溅、烧穿的主要要因、焊接时接触面金属首先达到焊接温度，温度持续升高，接触电阻消失，板件本身电阻热继续作用，形成均分在接触面两边的焊点；

R极对焊接有害处，板件与电极之间过热降低电极寿命，甚至烧坏电极和板件表面。

在点焊时工件表面不可能在其全部表面上接触，所以存在接触电阻，其接触点的数量和接触面积的大小取决于金属材料的硬度、表面加工平整度、工件两端承受的压力大小。显然工件材料越软、表面越平整、压力越大则接触电阻越小。

对于低碳钢而言，当温度超过6000C时，接触电阻消失，压力越大接触电阻消失所需的温度也就越低。

当材料确定后，影响接触电阻的主要因素是电极压力、表面状态，加热温度；如上图所示：板件表面存在氧化膜和赃物时，接触电阻增大。板件温度升高，接触点压溃强度下降，接触点数目和面积增加，接触电阻下降。电极压力增大，板件表面凸点被压溃，氧化膜破坏，接触点数目和面积增加，接触电阻下降。

二、焊接飞溅形成的原因及分类：

焊接过程：在热和机械（力）的作用下形成塑性环、熔核，并随着通电加热的进行增大，直到获得需要的焊核尺寸。总的来说，两电极与工件接触表面之间的那一小段的圆柱体形工件金属加热最厉害、温度也最高，可以超过金属熔点300℃以上。焊点中心及周围金属的温度分布如左图所示。点焊时，焊点加热的速度是极快的，可以在0.06～0.1秒甚至更短的时间内将焊点中心温度加热到1800℃以上，加热速度高达2000～30000度/秒。由于电极上有强烈的水冷，大量的热量会被电极传走，因此工件与电极之接触表面温度不会太高，通常只有 550 ℃左右。故点焊时温度最高的地方是在小圆柱体的中心，当中心金属熔化时，这一部分液体金属被周围尚未熔化还处于塑性状态的金属环所包围。这个塑性状态的金属环我们就称为“塑性环” 。（图3）

在焊接过程中先形成塑性环，在塑性的中心热集中区形成熔核，然后塑性环包裹熔核径向扩张，当熔核扩张速度大于塑性环扩张速度，在大压力的作用下熔核冲破塑性环包裹喷射出去，则形成焊接飞溅，粘连在焊点表面部分称为焊接毛刺（图4）。

      图3：焊核分布图                           图4：点焊时所产出的飞溅

焊接飞溅分为前期飞溅和末期飞溅两类：

1、前期飞溅：在点焊加热过程中，如果加热过急，而周围塑性还未形成或不够紧密，被急剧加热的接触点由于温度上升极快，使内部金属气化，在电极压力作用下，环内的液体金属就会被挤压出来，便以飞溅形式向板间缝隙喷射。

2、后期飞溅：在加热过程中形成成塑性环后，继续加热，熔核和塑性环不断向外扩展，当熔核沿径向的扩展速度大于塑性环扩展速度时，熔核会在塑型环最薄弱处冲破塑性环包裹喷射出去；在焊接过程中电极帽与钣金接触的边缘是塑性环最窄的地方，喷射后往往遗留焊点表面尖锐的焊接毛刺。

三、焊接飞溅的影响因素及控制措施：

1、操作影响：

1)电极端面不合格：焊接时应保证焊钳电极帽端面平整尺寸控制在6~8mm（图5）；

2)电极错位：电极端面贴合错位量应小于1mm（图6）；

3)边缘焊点：焊点压痕离边距1mm，给塑性环保留释放空间；

4)钣金表面油污：焊接前保证钣金表面清洁。   

5)图5：电极端面不合格                          图6：电极错位

2、焊接参数影响：根据焊接的原理可见影响焊接的参数有焊接电流、焊接电阻、及焊接时间；若焊接参数过大会使熔池金属急剧膨胀，从而冲出塑性环，产生飞溅，严重则会产生电极粘连、炸电极、焊点击穿等缺陷。

1)焊接电流及焊接时间过大：设定合理焊接电流及时间，按照相应频次检测电流输出状态；

2)焊接电阻过大：焊接前确认钣金表面及贴合状态，选择合理的焊接压力按照相应频次检测电流输出状态。

3)焊接规范偏硬：合理匹配焊接电流及焊接时间，或在焊接程序前添加一次预热程序，在焊接程序前使钣金能够形成初始连接消除接触电阻从而降低焊接飞溅。

图7：焊接电流与飞溅关系图

随焊接电流增大，熔核尺寸或熔透率是增加的。在正常情况下焊接区的电流有一个合理的上限和下限，低于下限时热量过小，不能形成标准熔核；高于上限加热速度过快，会产生焊接飞溅为保证焊接强度及降低焊接飞溅，焊接参数应选择在飞溅与无飞溅的临界点上。（图7）。

复杂焊接循环图：

图8：复杂焊接循环图

通过增加预热程序，使用斜升电流，使电流逐步增加，降低加热速度（图8）。

通过预热作用提高钣金塑性，使板件容易贴合，从一定程度上降低板件接触电阻，减少飞溅产生。

焊接参数实物验证：

现场验证工位：XX左/右前纵梁内板总成

工位详情：X30-2512H：共51点    

焊钳状态：正常

验证前：焊接参数

飞溅数量：30-35个

毛刺数量：18-25个

验证后：焊接参数

飞溅数量：6-12个

毛刺数量：2-6个

验证效果图：

跟踪效果：通过对焊接参数的调整焊点飞溅、毛刺改善明显。

四、结束语：

当前焊接飞溅控制主要采用工艺优化及操作控制解决，因焊接特性及现场复杂环境，目前还无法做到消除焊接飞溅，因此需要每位焊接工作者提高工作责任心，多观查、多调试、多改进，优化我们焊接环境提高我们车身焊接质量，为我们每一位汽车用户提供更高质量的汽车。

五、参考文献：

[1]陈祝年，焊接工程师手册（第一版）。机械工业出版社，2002.2。

[2]高忠民，电焊工基本技术（第二版）。北京：金盾出版社，1997。

[3]王滨涛，焊工工艺学。机械工业出版社，2009。