U型零件内侧螺母凸焊电极的设计与应用.docx

U型零件内侧螺母凸焊电极的设计与应用廖忠传厦门金龙汽车车身有限公司福建厦门361006内容摘要：凸焊工艺在车身制造中广泛应用，焊接电极的设计、制造是影响能否应用好凸焊工艺的关键问 题结合工作实践，介绍了一般零件凸焊电极的设计与应用，提出了凸焊下电极及改进后的气冷型凸焊下电极两 种设计方案；重点介绍了 U型零件内侧螺母凸焊上电极的设计与应用，提出了 "L"型凸焊上电极设计方案，并 根据应用情况改进成杠杆型凸焊上电极，解决了 "L"型凸焊上电极变形与凸焊质量控制问题，应用效果良好关键词：凸焊焊接电极设计应用凸焊工艺是利用零件原有形面、侧角或预制的凸点焊到另一块面积较大的零件上由于凸点 接触提高了单位面积的压力和电流，有利于板件表面氧化膜的破裂与热量的集中，减少了分流； 同时可采用多点凸焊，提高了生产率，并降低接头的变形在使用平板电极凸焊时，零件表面 平整无压坑，电极寿命长为适应汽车高水平、高速度生产的情况，汽车工业特别是车身制造中广泛应用凸焊工艺，以 提高连接效率和质量，满足汽车大批量装配生产的要求要推广应用凸焊工艺，必须解决：螺母、焊机及凸焊电极问题焊接螺母已有国家标准，生 产厂家较多，工艺成熟，质量可靠。

目前汽车厂家主要采用焊接方螺母焊机国家也有相关标准, 有焊接螺母的专用凸焊机或通用的落地式点焊机，生产厂家也较多，可以直接在市场上直接选购 而焊接电极的设计、制造是影响能否应用好凸焊工艺的关键问题由于焊接电极在工作过程中承受加压和通电，工况相当复杂，工作时间短促（焊接时间一 般不超过1.5s）,工作电流较大（达6000A以上），工作中产生的热量主要是散热量，所以电极 材料、形式、工作端面尺寸以及冷却条件对焊接质量及生产率都有重大影响应用焊接螺母时，一般都是正向运用，即先将金属工件放到下电极上，再将焊接螺母放到 金属工件上，然后接通凸焊机（或通用落地式点焊机）开关，在控制箱控制下，电磁气阀通电工 作，将压缩空气导入焊机气缸上部，迫使活塞向下运动，使上下电极合紧，然后通电完成焊接 本文所述的凸焊电极就是按这个习惯用法来设计制造的由于焊接方螺母的特殊性，其焊接电极的设计除了必须满足一般电阻焊电极的所有要求外, 还给设计上带来了特殊的工艺技术要求1）电极上必须要有合适的定位销，以确保焊接方螺母在金属件上的正确焊接位置因为 焊接方螺母本身没有定位凸环，必须从电极设计上加以解决2) 定位销与下电极基座之间必须绝缘且具有一定的高温强度，并应考虑到焊接过程中产 生的热量对螺纹和定位销可能产生的危害。

3) 定位销寿命要长并在必要时能够方便地更换1 一般零件凸焊电极的设计一般零件在本文中指的是具有开放结构的零件，即直电极向下运动时可以直接压住螺母的 零件正向运用时，一般零件定位销应设计在下电极上，而上电极设计因其无定位销而变得比较 简单，只要满足焊接过程中不压溃下电极的定位装置这一要求即可与上电极比起来，下电极的 设计则相对复杂，但在国内汽车企业设计制造及应用上已比较成熟弹簧/下电极上电极电极选'堤接一方螺母工件 i煌榜方螺母，压缩空气绝缘套、气管接头如图1所示，焊接螺母在金属件上的定位是利用了金属件的孔径大于螺纹内径这一关系而 在下电极上设计有相应级差的定位销来实现的定位销分两级定位，第一级定位金属件，第二级 才定位焊接方螺母，而第一级与第二级是同轴心的，从而保证了焊接方螺母在金属件上的正确焊 接位置定位销在弹簧作用下，每焊完一次就回复原位，从而实现了每个焊接方螺母在金属件上 的准确定位焊接定位销与弹簧通过绝缘套与下电极基座绝缘，定位销经过淬火处理增大了高温 强度及硬度，减缓磨损弹簧要求耐高温疲劳，与文献2意见不同的是，我们认为选择合适的弹 簧并不难，并且经济耐用图1所示下电极在我司应用广泛，下电极盖分成M5-M12五种规格， 便于生产时更换，应用十多年来，效果良好。

文献2提出：在下电极中通以压缩空气，在上下电极合紧进行焊接时，从定位销与下电极基 座的缝隙跑掉一部分，从而带走部分焊接热量、改善冷却条件及使焊接飞溅外逸根据该意见， 可以改进下电极设计成如图2所示而飞溅在任何焊接场合都是不受欢迎的，特别是在方螺母焊 接时，它外逸时可能溅到螺母内螺纹上，堵塞螺纹由于该缺陷是隐蔽的，只有使用螺栓进行人 工通过性检查才能发现实际生产时，由于数量多，没必要也不可能对每个螺母进行100%检查,故从工艺上采取措施使飞溅外逸，消除这一危害的具有一定的意义2 U型零件内侧螺母凸焊电极的设计制造及改进1997年我司开始生产6480轻型客车车身，该车身上采用了 M5-M12共5种507件凸焊螺母, 其中U型零件内侧凸焊螺母M6、帼共2种47个，主要集中在车架纵梁、横梁的封闭结构中，大 部分凸焊螺母中心到零件边距离d (见图3)在20~60mm范围，少数凸焊螺母距离超过60mm, 最大达到85mmU型零件的开口尺寸D (见图3) 一般在55〜80mmU型零件内侧螺母凸焊电极的设计，除了下电极的设计外，由于形状的限制，还需考虑上电 极的设计与制造问题电极的端面直接与高温的工件表面接触，在焊接生产中反复承受高温和高压，因此变形、粘附和合金化是电极设计中应着重考虑的问题3。

上电极设计要求包括：(1) 工件的可达性，应充分考虑并满足所有U型零件凸焊位置的需求⑵良好的导电性和力学性能3) 足够的强度和刚度4) 充分的冷却条件以防止工件表面熔化与工件表面之间的合金化图4(5) 电极与工件间的接触电阻足够低,根据以上工艺要求，我们设计了图3的上电极，电极材料原设计采用铭错铜，但由于采购 困难，改用黄铜代替，经过实践检验基本满足了生产的需要但该设计也存在以下问题：(1) 电极的变形：由于凸焊时电极压力大，可达3000N左右；由于偏心距B (见图3)的存 在，整个上电极处于一个较大的力矩作用之下，容易变形；(2) 螺母凸点受力不均匀：在焊接过程中，可以明显看见上电极在力矩作用下，沿逆时针 方向偏转一个角度，靠近焊机内端的螺母凸点受力比靠外端的凸点受力大，使凸点的压力、电流 密不均匀，对凸焊质量有一定影响3) 难以确保凸焊螺母在工件上的正确位置在力矩的作用下，方螺母在工件上有窜动现 象如果定位销与工件或与螺母之间的装配间隙过大，容易造成定位不准确4) 制造加工量较大，且上电极变形后，需整体更换由于受电极夹头的限制，该电极设计难以从根本上解决变形问题针对以上问题，经分析研究，设计制造出图4所示的凸焊上电极，从图4可以看出，改进 设计后凸焊电极：(1) 利用杠杆原理，将上电极“L”形分开，使横杆作为主要受力件，而横杆可以设计制造 成具有足够的强度与刚性，从而彻底解决电极变形问题。

2) 焊接螺母只承受垂直方向的受力，消除了窜动现象，可确保螺母在工件上的正确位置3) 焊接螺母凸点受力均匀，可以保证凸焊质量与改进前比较，横杆选材与制造相对容易电极材料选用铭错铜为节约铜合金的消耗， 可以在横杆接触螺母部分加贴一块铜合金，当电极块磨损之后，只需更换该块铜合金即可为保证散热，在横杆内部通以冷却水另外，虽然电流可以通过上电极经横杆传导至工件， 但为减少接触电阻，在横杆另一端留一电缆接头与上电极电缆相连需要注意的是：由于杠杆的存在，焊机上部气缸的压力传至工件上时有减小，需要根据杠 杆比H/L (6480轻型客车车身实际采用270mm/360mm)相应增大气缸压力，确保凸焊螺母的电极 压力达到焊接规范规定值投入生产应用后，改进型凸焊电极达到了预期目标，效果良好3结论(1) 要推广应用凸焊工艺，必须解决：螺母、焊机及凸焊电极问题，而焊接电极的设计、制 造是影响能否应用好凸焊工艺的关键问题2) 正向运用时，一般零件焊接电极的设计重点在凸焊下电极上，提出了常用及改进成气冷 型的两种下电极方案，下电极的设计制造及应用在国内汽车企业中己比较成熟，3) 正向运用时，U型零件内侧螺母凸焊电极的设计包括上、下电极的设计。

重点提出了“L” 型与杠杆型凸焊上电极的两种设计方案，杠杆型上电极解决了变形等问题，实际应用 效果良好Design and improvement of electrode in projection weldingof weld nuts at inner side of U shape partsAbstract: Projection welding is popular applied in auto body manufacturing. Design and improvement of electrode is the sixty-four-dollar question in projection welding Basing on our practice, this paper briefly introduces the design and improvement of electrode in projection welding of generic parts. Two projects of nether electrode are brought forward. This paper focuses on the design and improvement of upper electrode in projection welding of weld nuts at inner side of U shape parts. A upper electrode project of "L" shape is brought forward. Considering the application conditions of this project, we improve our design and make a new lever-type upper electrode. The lever-type upper electrode solves the distortion problem of electrode and quality control of projection welding. It's applied well in our company.Subject terms: Projection welding Electrode Design and improvement参考文献1 赵熹华编著：《压力焊》，北京：机械工业出版社，2003. 72 文广南.突破焊接电极难点提高焊接方螺母质量.焊接技术，1996 (6) P9-11.3 潘际銮主编.《焊接手册》第一卷.北京：机械工业出版社，1992.11作者简介：廖忠传，男，1969年4月出生，工程师，1991年毕业于清华大学焊接专业，2003年 获得厦门大学MBA硕士学位。

现任厦门金龙汽车车身有限公司质量管理部经理，主要从事车身焊 接、冲压的技术与质量管理工作LIAO Zhong-chuanXiamen Golden Dragon Auto Body Co.,Ltd.。