电阻点焊缺陷分析及控制论文.docx
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电阻点焊缺陷分析及控制论文
重庆科技学院
毕业设计（论文）
题目汽车车身点焊焊接缺陷控制研究
院（系）冶金与材料工程学院
专业班级焊接技术及自动化2009-01
2012年6月8日
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与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计（论文）作者（签字）：
年月日
摘要
焊接是汽车工业中应用最广泛的装配连接方式，点焊因其技术可靠、成本低、效率高及方法简单等优势成为轿车车身装配的主要连接手段。
典型轿车自车身由300—500个薄板冲压件焊接而成，焊点数多达3000—6000个。
然而在点焊焊接过程中受焊接参数变动、网压波动、工艺规范、焊接回路阻抗变化等因素的影响，容易在点焊接头中出现各种缺陷；如未熔合与未焊合、缩孔、裂纹、烧穿、喷溅和压痕过深等。
焊接缺陷的存在将直接影响焊接结构的可靠性，而车身的强度在很大程度上取决于焊点质量，车身制造质量也直接影响整车的安全性和使用寿命。
本文分析点焊缺陷产生的原因，并研究相应的解决办法。
汽车车身生产是批量生产，如果焊件的点焊焊接缺陷到了总装流水线上装配时才被发现，需要进行补焊、补漏、校正，变形，影响流水线的作业进度，因此消除焊接缺陷，保证整车的质量有着实际的意义。
关键词：
电阻点焊点焊缺陷整车质量
1绪论
1.1汽车车身装焊工艺
1.1.1汽车车身焊装的常用方法
汽车车身壳体是一个复杂的结构件，它是由百余种、甚至数百种（例如轿车）薄板冲压件经焊接、铆接、机械联结及粘接等方法联结而成的。
由于车身冲压件的材料大都是具有良好焊接性能的低碳钢，所以焊接是现代车身制造中应用最广泛的联结方式。
表1.1列举了车身制造中常用的焊接方法。
表1.1车身制造中常用的焊接方法及典型应用
焊接方法
典型应用实例
电阻焊
点焊
单点焊
悬挂式点焊机
车身总成、车身侧围等分总成
固定式点焊机
小型板类零件
多点焊
压床式多点焊
车身底盘总成
C型多点焊
车门、发动机盖等总成
缝焊
悬挂式缝焊机
车身顶盖流水槽
固定式缝焊机
油箱总成
凸焊
螺母、小支架
电弧焊
CO2气体保护焊
车身总成
氩弧焊
车身顶盖后两侧接缝
手工电弧焊
厚料零部件
气焊
氧.乙炔焊
车身总成补焊
钎焊
锡钎焊
水箱
特种焊
微弧等离子焊
车身顶盖后角板
激光焊
车身底板
1.1.2.汽车车身装焊流程
车身制造中应用最多的是电阻焊，一般占整个焊接工作量的60％以上，有的车身几乎全部采用电阻焊。
除此之外就是二氧化碳气体保护焊，它主要用于车身骨架和车身总成的焊接中。
由于车身零件大都是薄壁板件或薄壁杆件，其刚性很差，所以在装焊过程中必须使用多点定位夹紧的专用装焊夹具，以保证各零件或合件在焊接处的贴合和相互位置，特别是门窗等孔洞的尺寸等。
这也是车身装焊工艺的特点之一。
为便于制造，车身设计时，通常将车身划分为若干个分总成，各分总成又划分为若干个合件，合件由若干个零件组成。
车身装焊的顺序则是上述过程的逆过程，即先将{若干个零件装焊成合件，再将若干个合件和零件装焊成分总成，最后将分总成和合件、零件装焊成车身总成。
轿车大致按图1.1制造程序装焊的。
图1.1轿车白车车身焊装程序图
1.2电阻点焊在车身生产中的应用
电阻点焊是一种被广泛应用的生产工艺，尤其被广泛应用于现代制造业及其它一些高科技产业与领域，如汽车制造、飞机制造及航空航天领域，每年约占世界总焊接量的三分之一。
电阻点焊相对其它焊接方法，点焊的主要优点是高效、质量可靠、成本低、易操作、易实现焊接自动化，适用于大批量生产。
点焊已经成为汽车制造工业中的主要连接工艺方法，在汽车制造工业中发挥着不可替代的重要作用。
首先应用于车身焊装，汽车车身焊装包括车身底板、侧围、车架、车顶、车门、车身总成等部分（如图1.2——图1.10所示。
），在它们的焊接过程中大量采用电阻点焊工艺。
图1.2前围上部总成图1.3地板总成
图1.4侧围总成图1.5后围零件
图1.6顶盖总成图1.7行李舱搁板
图1.8车门总成图1.9发动机盖
图1.10行李舱盖总成
富康轿车白车身，属于无独立车架的承载式全焊接结构，是由20多个大总成、数百种薄板冲压件经焊接而成的复杂结构件；其焊接方法有电阻点焊、混合气体保护焊（MAG焊）、螺柱焊等，而主要采用电阻点焊模式，白车身上电阻焊焊点有3600多个；上海大众“帕萨特”白车身上的焊点数达到5892点，三箱POLO车的整个车身共有3725个焊点，几乎遍及每一个总成，因此保证点焊质量成为汽车车身装配质量、控制车体误差的关键。
其次，点焊还应用于汽车零部件的生产，包括横梁总成车挡托架的装配点焊、燃油箱上固定件的点焊、滤清器点焊、液力变矩器平衡片点焊、汽车制动蹄点焊等。
1.3本课题研究目的及意义
虽然新的焊接方法的发展在汽车工业中逐步形成了规模，部分的取代了传统的电阻焊方法，用于汽车车身和零部件的装配焊接，但是电阻点焊在汽车制造中的主导地位在今后的一段时期内不会改变，电阻点焊在汽车生产中的应用前景仍旧是非常广阔的。
中国的汽车工业已进入历史上少有的高速发展期，2011年汽车产销量在1840万辆以上。
点焊的完整性决定了汽车的整体结构刚度和完整性，故点焊的焊接质量直接关系到车身及汽车的质量。
随着社会的发展，生活水平的提高，汽车向中高档方向发展，对焊装设备和焊接质量的要求都越来越高，而保证点焊的质量是提高汽车安全性能的方法之一。
在汽车生产全球化程度越来越高，我国的汽车工业面临巨大的挑战，提高产品质量是增强竞争力的有效途径，这同样需要保证汽车中几千个点焊焊点的连接质量。
如美国的汽车工业，仅三大汽车公司就有64条生产线，年产汽车1300万台，电阻点焊控制器的改善和提高将使车身结构加强，并且提高美国汽车制造企业的竞争力。
通常在汽车工业中，为了保证质量，每台车约有多于设计数量的30％的焊点，掘推算：
如果减少焊点数量10％，每年可节约500万美元左右。
1996年，美国国家标准和技术研究所宣布用1．36亿美元进行的电阻点焊这个先进技术项目（ATP）的研究。
美国国家标准和技术研究所专家认为，改进美国现有的电阻焊设备和控制装置，预计在相关产业可以获得500亿美元的经济效益。
这个项目得到了汽车行业人士的重视，许多研究机构和企业，如美国智能电阻焊协会、克来斯勒公司、福特汽车公司、通用汽车公司以及密西根大学、爱迪生焊接研究所、工业技术研究所等给予这个项目很大的支持。
一方面，由于点焊过程相当复杂，影响因素多、因素之间相互作用，加之焊接过程中熔核的不可见性及焊接过程瞬时性，给点焊质量检测与控制带来了很大困难；另一方面，为了使不合格接头的比例保持在规定的合理范围内，工厂里通常要定期进行焊后破坏性实验。
但是，破坏性实验成本极高，而且定期的抽样实验并不能保证每一辆车身焊接接头的合格率都保持在规定的范围内；同时，焊后实验具有严重的滞后性，由于轿车生产的大批量流水作业特点，待有焊接质量问题发现时，大量具有焊接质量问题的车身己经到了总装甚至到了客户手中。
由此可见，电阻点焊过程及焊点质量的稳定性一直是电阻点焊质量控制研究中的关键问题，历来被认为是电阻焊质量控制的研究重点，并引起了工业界和研究机构的高度重视因此，为了提高焊接质量，需要对熔核形成过程的有关电参数进行控制，以形成合格焊点，或者在线监测和控制与熔核形成有关的物理参量，以实时监测并控制焊接过程，实现在线判定和控制焊点质量，这对于保证焊点质量的稳定性提高点焊合格率，达到降低成本和提高生产效率具有十分重要的实际意义。
随着新材料和新技术的不断出现以及应用领域的扩展，对点焊质量的要求也越来越高。
根据实际工作的需要，克服点焊的缺陷和不足成为当前点焊技术发展中的一个重要任务。
这些缺陷存在与否或多少直接关系到点焊的质量，而点焊质量直接关系到产品的质量。
况且利用点焊技术的生产的产品大多数是科技含量高、价格昂贵或作用至关重要的产品或零部件。
汽车车身的点焊的连接质量决定了汽车的整体结构刚度和完整性，同时保证汽车的行驶安全。
所以对于汽车车身点焊焊接缺陷控制的研究，保证点焊质量具有重要的实际意义。
2点焊原理
2.1点焊的基本概念
点焊属于电阻焊的一种，它是将被焊工件压紧于两电极之间，并通以电流，利用电流流经工件接触表面及邻近区域产生的电阻将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种焊接方法。
电阻点焊的特点：
（1）焊件间靠尺寸不大的熔核进行连接，熔核均匀、对称分布在两焊件的结合面上。
（2）焊接电流大、焊接时间短、焊接过程中加压力。
（3）点焊时热、机械（力）联合作用的焊接过程。
2.2点焊焊接循环分析
焊接循环（welding cycle），在电阻焊中是指完成一个焊点所包括的全部程序。
图是一个较完整的复杂点焊焊接循环，由加压，…，休止等十个程序段组成，I、F、t中各参数均可独立调节，它可满足常用（含焊接性较差的）金属材料的点焊工艺要求。
当将I、F、t中某些参数设为零时，该焊接循环将会被简化以适应某些特定材料的点焊要求。
当其中I1、I3、Fpr、Ffo、t2、t3、t4、t6、t7、t8均为零时，就得到由四个程序段组成的基本点焊焊接循环，该循环是目前应用最广的点焊循环，即所谓“加压－焊接－维持－休止”的四程序段点焊或电极压力不变的单脉冲点焊。
图2.1复杂点焊焊接循环示意图
1.加压程序2.热量递增程序3.加热1程序4.冷却1程序5.加热2程序
6.冷却2程序7.加热3程序8.热量递减程序9.维持程序10.休止程序
.预压压力
.锻压力
.施加压力时刻（从断电时刻算起）
.电极压力
.点焊周期
.施加锻压力时刻（从通电时刻算起）
2.3点焊的工艺参数
点焊工艺的基本参数有焊接电流、焊接时间、电极压力、和电极工作端面尺寸。
（1）焊接电流I—焊接时流经焊接回路的电流称为焊接电流，一般在数万安培（A）以内。
焊接电流是最主要的点焊参数。
调节焊接电流对接头力学性能的影响如图2.2所示。
图2.2接头抗剪载荷与焊接电流的一般关系
1.板厚1.6mm以上2.板厚1.6以下
1）AB段 曲线呈陡峭段。
由于焊接电流小使热源强度不足而不能形成熔核或熔核尺寸甚小，因此焊点拉剪载荷较低且很不稳定。
2）BC段 曲线平稳上升。
随着焊接电流的增加，内部热源发热量急剧增大（Q∝I2），熔核尺寸稳定增大，因而焊点拉剪载荷不断提高；临近C点区域，由于板间翘离限制了熔核直径的扩大和温度场进入准稳态，因而焊点拉剪载荷变化不大。
3）CD段 由于电流过大使加热过于强烈，引起金属过热、喷溅、压痕过深等缺陷，接头性能反而降低。
图2.2还表明，焊件越厚BC段越陡峭，即焊接电流的变化对焊点拉剪载荷的影响越敏感。
从工艺上考虑，焊接电流波形陡升与陡降时，会因加热、冷却速度过快引起飞溅或在熔核内部产生收缩性缺陷；而具有缓升与缓降的电流脉冲和波形，有预热和缓冷的作用，可有效防止飞溅与内部收缩性缺陷。
（2）焊接时间t —自焊接电流接通到停止的持续时间，称焊接通电时间，简称焊接时间。
点焊时t一般在数十周波（1周波＝0.02s）以内。
焊接时间对接头力学性能的影响与焊接电流相似（图2.3）。
但应注意两点：
1）C点以后曲线并不立即下降，这是因为尽管熔核尺寸已达饱和，但塑性环还可有一定扩大，再加之热源加热速率较和缓，因而一般不会产生喷溅。
图2.3接头抗剪载荷与焊接时间的关系
1-板厚1mm2-板厚.5mm
2）焊接时间对接头塑性指标影响较大，尤其对承受动载或有脆性倾向的材料（DC05的可淬硬倾向小），较长的焊接时间也可以获得良好的点焊接头，但是点焊的生产效率。
所以，在实际生产中通过减少焊接时间来提高生产效率。
（3）电极压力Fw——点焊时通过电极施加在焊件上的压力一般要数千牛（N）。
图2.4表明，电极压力过大或过小都会使焊点承载能力降低和分散性变大，尤其对拉伸载荷影响更甚。
当电极压力过小时，由于焊接区金属的塑性变形范围及变形程度不足，造成因电流密度过大而引起加热速度增大而塑性环又来不及扩展，从而产生严重喷溅。
这不仅使熔核形状和尺寸发生变化，而且污染环境和不安全，这是绝对不允许的。
电极压力过大时将使焊接区接触面积增大，总电阻和电流密度均减小，焊接散热增加，因此熔核尺寸下降，严重时会出现未焊透缺陷。
一般认为，在增大电极压力的同时，适当加大焊接电流或焊接时间，以维持焊接区加热程度不变。
同时，由于压力增大，可消除焊件装配间隙、刚性不均匀等因素引起的焊接区所受压力波动对焊点强度的不良影响。
此时，不仅使焊点强度维持不变，稳定性亦可大为提高。
图2.4接头承载能力与电极压力的关系（低碳钢δ=1mm）
-电极压力
-抗剪载荷
-抗伸载荷
（4）电极头端面尺寸D或R——电极头是指点焊时与焊件表面相接触时的电极端头部分。
其中D为锥台形电极头端面直径，R为球面形电极头球面半径，h为端面与水冷端距离（图2.5）。
电极头端面尺寸增大时，由于接触面积增大、电流密度减小、散热效果增强，均使焊接区加热程度减弱，因而熔核尺寸减小，使焊点承载能力降低（图2.6）。
应该指出，在点焊过程中，由于电极工作条件恶劣，电极头产生压溃变形和粘损是不可避免的，因此要规定：
锥台形电极头端面尺寸的增大△D<15％D，同时对由于不断锉修电极头而带来的与水冷端距离h的减小也要给予控制。
低碳钢点焊h≥3mm。
图2.5常用电极结构
图2.6接头抗剪载荷
与电极头端面直径D关系
（低碳钢δ=1mm；用图2.7接近C规范焊接）
2.4 焊接参数间相互关系及选择
点焊时，各焊接参数的影响是相互制约的。
当电极材料、端面形状和尺寸选定以后，焊接参数的选择主要是考虑焊接电流、焊接时间及电极压力，这是形成点焊接头的三大要素，其相互配合可有两种方式。
（1）焊接电流和焊接时间的适当配合 这种配合是以反映焊接区加热速度快慢为主要特征。
当采用大焊接电流、短焊接时间参数时，称硬规范；而采用小焊接电流、适当长焊接时间参数时，称软规范。
软规范的特点：
加热平稳，焊接质量对焊接参数波动的敏感性低，焊点强度稳定；温度场分布平缓，塑性区宽，在压力作用下易变形，可减少熔核内喷溅、缩孔和裂纹倾向；对有淬硬倾向的材料，软规范可减小接头冷裂纹倾向；所用设备装机容量小，控制精度不高，因而较便宜。
但是，软规范易造成焊点压痕深，接头变形大，表面质量差，电极磨损快，生产效率低，能量损耗较大。
应该注意，调节I、t使之配合成不同的硬、软规范时，必须相应改变电极压力Fw，以适应不同加热速度及满足不同塑性变形能力的要求。
硬规范时所用电极压力显著大于软规范焊接时的电极压力。
（2）焊接电流和电极压力的适当配合 这种配合是以焊接过程中不产生喷溅为主要原则，这是目前国外几种常用电阻点焊规范（RWMA、MILSpec、BWRA等）的制定依据。
根据这一原则制定的I.Fw关系曲线，称喷溅临界曲线（图25）。
曲线左半区为无喷溅区，这里Fw大而I小，但焊接压力选择过大会造成固相焊接（塑性环）范围过宽，导致焊接质量不稳定；曲线右半区为喷溅区，因为电极压力不足，加热速度过快而引起喷溅，使接头质量严重下降和不能安全生产。
当将低碳钢点焊规范选在喷溅临界曲线附近（无喷溅区内）时，可获得最大熔核和最高拉伸载荷。
同时，由于降低了焊机机械功率，也提高了经济效果。
当然，在实际生产中应用这一原则时，应将电网电压、加压系统等的允许波动带来的影响考虑在内。
以上讨论的两种情况，通过低碳钢点焊焊接参数表、列线图、曲线图和规范尺等形式表现出来，但在实际使用这些资料时均需进行试验修正。
图2.7焊接电流与电极压力的关系
（A、B、C为RWMA焊接规范中的三类）
3汽车车身点焊工艺
3.1材料点焊焊接性分析
判断金属材料点焊焊接性的主要标志：
材料的导电性和导热性，即电阻率小而导热率大的金属材料，其焊接性较差；
材料的高温塑性及塑性温度范围，即高温屈服强度大的材料（如耐热合金）塑性温度区间窄的材料（如铝合金），其焊接性较差；
材料对热循环的敏感性，即生成与热循环作用有关缺陷（裂纹脆硬组织等）的材料（65Mn），其焊接性差；
熔点高线膨胀系数大硬度高等金属材料，其焊接性一般较差，当然，评定某一金属材料点焊焊接性时应综合全面考虑以上诸因素。
3.1.1DC05点焊焊接性分析
DC05含碳量为0.12％，为低碳钢，其点焊焊接性良好，采用用工频交流点焊机，简单焊接循环，无需特别的焊接工艺措施，即可或得满意的焊接质量。
DC05冷轧钢板由于其具有优良的冲压性能，已经成为汽车制造用钢板的热门材料，由于电阻点焊具有生产效率高和易于实现自动化等优点，已经在汽车工业中被广泛采用，并将继续成为汽车工业中钢板的主要焊接方法。
特深冲用DC05为材料的化学成分及力学性能如表3.1和表3.2所示。
焊接性可通过对照Q235A进行对比分析。
Q235A的化学成分如表3.3所示。
表3.1DC05冷轧钢板的化学成分％
成分
C
Si
Mn
P
S
Al
含量
0.12
0.42
1.77
0.018
0.006
0.049
表3.2DC05冷轧钢板的力学性能
项目
屈服强度/（N/mm
）
抗拉强度/（N/mm
）
端面延伸率δ/％
指标
145
311
40
表3.3Q235A的化学成分
成分
C
Si
Mn
P
S
含量
0.22
0.35
1.4
0.045
0.05
1.DC05的导电性和导热性
通过查阅资料得到DC05电阻率和热导率分别为：
20℃时的电阻率/（×10^（-6）Ω·m）≤O.1、46.4W/（m2·K）DC05电阻率和热导率都小于Q235。
2.DC05的高温塑性及塑性温度范围
通过对比DC05与Q235的化学成分，DC05的Mn/s大于Q235的Mn/s，得DC05的高温塑性较好，且塑性温度区间大于Q235。
3.DC05对热循环的敏感性
因为DC05含碳量低于Q235，S、P含量都低，得到DC05的对焊接热循环的敏感性较低，在冷却的时候不易得到脆硬组织，就有良好的焊接性。
4.DC05的熔点、线膨胀系数、硬度
通过查阅资料DC05的熔点1400-1500℃线膨胀系数小于Q235且硬度小于Q235，起点焊性能优于Q235。
根据上述数据分析得到，DC05冷轧钢板为低碳钢，DC05的电阻率适中，塑性温度区宽，易于获得所需的塑性变形而不必使用很大的电极压力，具有良好的点焊工艺性能，在板厚小于6mm时通常采用普通的工频交流焊机，焊接电流、电极压力和通电时间都具有较大的调节范围。
在焊接工艺参数选取的时候可以参照表3.4推荐的焊接工艺参数。
点焊技术要点：
（1）焊前冷轧板表面可不必清理，热轧板应去掉氧化皮、锈。
（2）建议采用硬规范点焊，CE大者会产生一定的淬硬现象，但不一定不影响使用。
（3）焊厚板δ≥3mm时建议选用带锻压的压力曲线，带预热电流脉冲或断续通电的多脉冲点焊方式，选用三相低频焊机焊接等。
（4）低碳钢属于铁磁性材料，当焊件尺寸大时应考虑分段调整焊接参数，以弥补因焊件伸入焊接回路过多而引起的焊接电流减弱。
（5）焊接参数参见表3.4。
表3.4的点焊常用焊接参数
板厚
电极型式和电极直径
硬规范
软规范
最小搭接宽度
最小焊点间距
焊点直径
电极间压力
焊接时间
焊接电流
电极间压力
焊接时间
焊接电流
mm
D（mm）
d（mm）
N
Cycles
A
N
Cycles
A
mm
mm
mm
0.5
12.5
3.5
1350
6
6100
600
10
3700
11
10
3.3
0.8
12.5
4.5
1900
8
8100
1000
15
4500
11
13
4
1
16
5
2300
10
9300
1200
20
5700
12
19
4.8
1.5
16
6.2
3500
14
11500
1700
35
6800
16
26
5.7
2
16
7
4800
18
13500
2300
45
8200
18
32
6.8
2.5
16
8
6100
21
15000
3000
70
8700
19
38
7.8
（1）材料表面应没有锈、氧化物、油漆、油脂、油。
（2）电极材料应根据板材状况选用
（3）对于三层板焊接，最小间距应增加30%
3.2汽车燃油箱固定件点焊焊接工艺
汽车的燃油箱固定件是固定燃油箱的重要部件，保证车辆在行驶过程中油箱不会掉落，保证车辆的安全行驶。
燃油箱固定件是DC05经过冲在成型过后再点焊在一起。
燃油箱固定件的实际规格由8个焊点组成。
燃油箱固定件由固定件3mm×60mm×75mm和固定座板2mm×l74mm×l05mm点焊而成。
如图3.1所示。
图3.1燃油箱固定件示意图
（1）焊接接头形式
点焊接头的强度取决于焊点的几何尺寸及其内外质量。
焊点的几何尺寸见图1，一般要求熔核直径随板厚增加而增大。
通常用下式表示：
（3.1）
式中：
d为熔核直径，mm；δ为焊件最薄板厚，mm
h=（0.2－0.8）（δ－△）（3.2）
式中：
h熔核高度，mm；△为焊件表面压痕深度，mm；一般取（0．1～0．15），mm。
熔核在单板上的熔化高度h对板厚度δ的百分比为熔透率A，即
A=h/δ×l00％（3.3）
d.熔核直径，mm
△一压痕深度，mm；e一焊点距离，mm；
h一熔核高度，mm；δ一钢板厚度，mm
图3.2点焊的几何尺寸示意图
对于这次
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