摘要：对螺柱焊的种类进行了系统归纳分类，细致阐述了不同种类螺柱焊的焊接原理和技术特点。对螺柱焊中常见的质量缺陷及其控制方法进行了总结。探讨了螺柱焊技术在汽车行业的应用，表明螺柱焊完全能够替代自攻丝、钻孔及凸焊螺栓等连接方式，实现车身上线束、管路、隔热垫及内外饰等受力较小零部件的固定，而且短周期螺柱焊和拉弧式电容放电螺柱焊更适用于汽车车身螺柱的焊接。
关键词：螺柱焊 汽车车身 电容放电 短周期
1 前言
随着顾客对汽车整车密封性和NHV指标要求越来越高，要求在车身设计时，尽量减少车身的开孔、开口数量以提高其整体性、密封性和防噪性。然而，汽车性能配置的高端化，使得整车上的零部件数量越来越多，从而迫使车身需要不断增加开孔、开口数量来实现各种零部件的固定与装配。针对该问题，螺柱焊因其无需开孔、操作简单、生产率高等特点，逐渐取代传统的自攻丝、铆接及凸焊螺栓等需要开口的连接方式，在汽车车身上的管路、线束、隔热垫及受力不大的内外饰件的固定连接上展现出巨大的应用潜力。
2 螺柱焊技术
2.1 螺柱焊定义
广义上讲，将金属螺柱或其它类似的金属紧固件（栓、钉等）焊接（电弧焊、摩擦焊、爆炸焊）到工件（通常为板件）上的方法统称螺柱焊。狭义上讲，螺柱焊通常指的是电弧法螺柱焊，它是将螺柱的端面与钣金件之间引燃电弧，利用弧热使接合面熔化，并迅速施加压力，使两者间达到原子间结合，从而形成永久焊接接头的一种焊接方法。它兼具熔焊和压焊特征，是一种加压熔焊。
2.2 螺柱焊分类
由文献[螺柱焊在车身焊接工艺中的应用]可知，根据侧重点的不同，螺柱焊出现了多种分类方法，导致各种螺柱焊之间的关系非常混乱，甚至存在相互矛盾的现象。鉴于此，本文经过对大量文献资料的统计整理后，对螺柱焊的种类进行了重新划分。
目前，工业上已广泛应用的螺柱焊全部为电弧法螺柱焊（常习惯简称为螺柱焊）。根据供电电源的不同，电弧法螺柱焊又分为普通电弧螺柱焊和电容放电螺柱焊两大类。前者以弧焊整流器作为电源进行焊接，后者则以电容器储存的能量瞬间放电而进行焊接（又称为电容储能螺柱焊）。
普通电弧螺柱焊根据焊接时间的长短，分为长周期螺柱焊和短周期螺柱焊。长周期螺柱焊根据熔池保护方式的不同，又分为陶瓷套圈式螺柱焊和气体保护式螺柱焊。
电容放电螺柱焊根据引燃电弧的方式不同，分为预接触式、预留间隙式和拉弧式电容放电螺柱焊3种焊接方法。
螺柱焊的具体分类及技术特点如表1所示。
2.3 螺柱焊焊接原理（焊接过程）
2.3.1 普通电弧螺柱焊
如图1所示，普通电弧螺柱焊虽分为陶瓷套圈式、气体保护式及短周期式3种模式，但其焊接原理基本相同，区别仅在于熔池保护与否及焊接时间长短。以陶瓷套圈式为例，其焊接过程如下：
A1 准备：将螺柱装配到焊枪的夹头里并套上陶瓷套圈，使螺柱端面与工件（母材）表面接触。
A2引弧：按下焊枪上的开关接通电源，焊枪的电磁线圈通电，螺柱被从工件拉起到一定高度，随即引燃焊接电弧。
A3焊接：电弧将螺柱端部表面熔化，同时在工件表面形成熔池。当电弧燃烧时间达到设定值时电磁线圈断电，螺柱被焊枪内的弹簧迅速推入工件表面的熔池。
A4 完成：熔池金属冷却结晶，凝固成一体，在螺柱根部形成焊脚，螺柱与工件连接在一起。提起焊枪并移除陶瓷套圈，完成焊接。
气体保护式则是在准备阶段（图1-B1）即在螺柱周围通以保护气体，其他阶段过程与陶瓷套圈式基本相似。
短周期式因其焊接时间较短，熔化金属在被氧化和流淌之前就已凝固成形，因此，通常不对熔池进行保护，特殊情况下也可通以气体进行保护（图1-C1）。其焊接过程与以上两种稍有不同，即在通以大电流（焊接电流）之前，先短时间施加一个40A左右的小电流，引燃导弧，它可在螺柱与工件之间形成一个电离的气体空间，为顺利引燃主弧提供条件。同时，导弧可使工件表面的油污气化、氧化物分解及提高焊缝的内部质量。对于镀锌板，因锌的沸点低容易气化，焊接过程中锌蒸气易残留在熔池中，凝固后形成气孔，导弧可熔化并气化锌层，使锌逸出电弧空间，减少焊缝中锌蒸气孔的产生。
2.3.2 电容放电螺柱焊
以充于电容器中的电能瞬时放电产生的电弧热来连接螺柱与工件的方法，称为电容放电螺柱焊，其焊接过程如下：
2.3.2.1 预接触式
该焊接方法要求螺柱待焊端须设计有小凸台，其焊接过程特点是先接触后通电，加压在通电前。具体焊接过程如图2所示。
a.焊接前先将螺柱对准工件，使小凸台与工件接触；
b.施加压力使螺柱推向工件，然后电容放电，大电流流经小凸台，因电流密度很大，小凸台瞬间被烧断而产生电弧；
c.在电弧燃烧过程中，待焊面被加热熔化，这时由于压力一直存在，使螺柱向工件移动；
d.待螺柱与工件接触，电弧熄灭，即形成焊缝。
2.3.2.2 预留间隙式
该焊接方法同样要求螺柱待焊端必须设计有小凸台，其焊接过程特点是预留间隙，先通电后接触放电加压，具体焊接过程如图3所示。
a.焊接前先将螺柱对准工件，但不接触，两者之间留有间隙；
b.通电，在间隙间加入了电容器充电电压（空载电压）同时螺柱脱扣，在弹簧、重力或气缸推力作用下移向工件，当螺柱与工件接触瞬间，电容器立即放电；
c.大电流使小凸台烧化而引燃电弧，电弧燃烧使得两待焊面熔化；
d.最后螺柱插入工件，电弧熄灭，完成焊接形成焊缝。
2.3.2.3 拉弧式
该螺柱焊接方法无须在螺柱待焊端设计小凸台，但需加工成锥形或略呈球面。其焊接过程与普通电弧螺柱焊基本相同，不再细述。
2.4 螺柱焊焊接缺陷及质量控制
2.4.1 虚焊
虚焊是指螺柱与工件之间未发生有效的冶金反应，未形成有效焊接接头，只需轻轻用力即可将螺柱掰掉，如图4所示。该种缺陷主要是由于焊接输入能量过小导致的。需要通过调整焊接规范至合适值进行解决。另外，在短周期螺柱焊中还有可能是由于螺柱提升高度太低，无法实现有效电弧燃烧导致的。
2.4.2 焊核偏小
如图5所示，焊核偏小同样主要是由于焊接能量输入过小导致的，其解决方法亦是调整焊接规范至合适值。
2.4.3 高气孔率
如图6所示，导致焊缝气孔过多的原因主要有两个方面，一是母材焊接表面存在油污等杂质；二是焊接参数设定不当，如焊接时间过长等原因。解决措施是焊前清理工件表面，调整合适的焊接参数。另外像短周期螺柱焊还有可能是螺柱提升高度过大等原因造成。
2.4.4 母材焊穿或焊瘤
导致该种问题的出现主要有两种原因，一是焊接能量输入过大，导致熔池区域温度过高，母材（通常为薄板材）熔深过大而焊穿或母材无法承受熔池重量而出现焊瘤（图7）。该种情况下需要调整焊接规范参数，适当降低焊接能量输入。
二是焊接螺柱直径与焊接母材板厚比（d/d）过大，超出了该种螺柱焊接方式的焊接能力极限。解决方法是改用合适的焊接方式，如使用电容放电螺柱焊替代普通电弧螺柱焊。若仍无法解决，则只能选择更改产品结构，使用直径较小的螺柱或增大母材板厚，或选用其他连接方式。
2.4.5 焊缝偏
磁偏吹是导致焊缝偏离中心（图8）的主要原因。磁偏吹通常是由焊接时接地不合理造成的。可通过调整接地线位置或在工件旁边设置补偿块来解决，具体方法如表2所示。
3 螺柱焊在汽车上的应用
由于螺柱焊具有快速、可靠、成本低及免开孔连接等优点，国内螺柱焊技术在汽车车身焊接上的应用虽然时间不长，但是发展很快。目前众多车型的螺柱用量已经达到数以百计。
3.1 应用领域
与电阻焊、电弧焊等方法相比，螺柱焊焊接强度相对较低，因此其在汽车行业主要应用于固定管路、线束、隔热垫、内外饰件等承载力较小的领域，如图9所示。
3.2 螺柱焊种类选择
在汽车制造技术中，车身冲压件材料大部分是厚度为0.6-3 mm 的普通低碳钢或镀锌板，焊接螺柱直径主要有M5、M6、M8三种规格。从上述对不同种类螺柱焊技术的特点分析可知，长周期普通螺柱焊因其不能实现自动化生产且焊接熔池较深不能焊接薄板等原因，无法应用于车身螺柱的焊接。预接触式和间隙式电容放电螺柱焊因为无法实现自动化生产及不能焊接镀锌板等原因，也不适用于批量化车身螺柱的焊接。而短周期螺柱焊由于易实现自动化生产、可控性好、工况要求低及可焊中、薄板等特点，在汽车车身螺柱焊上的应用最为广泛。另外，拉弧式电容放电螺柱焊因其能实现自动化生产，且特别适用于＜1 mm 薄板的螺柱焊接，因此在汽车车身的螺柱焊接上也得到了较好的应用。
4 结束语
近几年，螺柱焊技术在国内汽车行业得到了快速的发展。其焊接时无需开孔的特点符合未来汽车车身的设计趋势和用户需求。其中，短周期螺柱焊因其易实现自动化生产、可控性好以及可焊镀锌板等特点成为汽车行业应用最广泛的一种螺柱焊。而拉弧式电容放电螺柱焊因其在薄板螺柱焊、节能及自动化方面的优势，同样在汽车行业具有很大的应用潜力。
来源：期刊—汽车工艺与材料
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