突破焊接电极难点，提高焊接方螺母质量文广南广东湛江三星企业（集团）股份有限公司（５２４０ ４３）摘要从汽车工业应用焊接螺母的必要性出发，论述了焊接方螺母的形式及特点，并结合工作 实践，对应用焊接方螺母的要点和难点——焊接电极的设计制造进行了介绍。关键词焊接方螺母必 要性焊接电极设计制造１汽车工业应用焊接螺母的必要性在汽车工业上应用由螺母、螺栓和垫圈构 成的连接的主要形式有以下三种：（１）将螺母固焊在其中被连接的一块金属件的一面上，其余处 于自由状态；（２）将螺栓固焊在其中被连接的一块金属件的一面上，其余处于自由状态；（３） 螺母、螺栓、垫圈皆处于自由状态，只在装配时才用它们把被连接件紧紧连在一起。从实际应用情 况来看，前两种形式的应用占９０％以上，第三种的应用则鲜见，这是因为前两种与第三种比起来 ，其共同优点是这种连接结构形式更适用于汽车总装配生产线的使用。由于连接的“一半”被固焊 了，使得连接拧紧操作变得非常轻松简单，可只使用一把扳手从一面进行高速拧紧连接工作，从而 避免了第三种方法中必须同时用两把扳手从被连接件的两面才能进行拧紧操作的麻烦，使连接效率 和质量大大提高，从一个方面提高了汽车总装配的质量和速度。而第三种形式由于其连接拧紧操作 要从被连接件的两面进行而限制了它的应用范围。无论是焊接螺母还是焊接螺栓，当初应用它们都 是因为汽车上的这些连接部位都是封闭或半封闭结构的，不便于从一面进行连接拧紧操作。如果不 赶在这些封闭、半封装结构制作出来之前，在另一面预先固焊上螺母或螺栓，则在总装配时，显然 无法或很难将螺母放到另一面去或将螺栓从另一面穿过来进行这些部位部件之间的连接操作。由此 可见，焊接螺母（或螺栓）在汽车制造中的重要性。现在，连接部件即使是开放结构的，也在大力 推广使用焊接螺母或焊接螺栓，以适应汽车大批量装配生产的要求。因为焊接螺母或焊接螺栓的焊 接位置一般都在工人操作不可达到或很难达到的那一面上，从焊接工艺的连接操作的角度上看，都 可应用，甚至互相代替，可根据具体情况考虑应用。但由于应用焊接螺栓时其长度必须精确计算， 过长会干涉其它构件或影响外观，过短又连接不上，所以从外观和实际使用情况来看，目前国内外 汽车工业上主要以应用焊接螺母为主，焊接螺栓应用较少。综上所述，汽车工业应用焊接螺母不仅 是必要的，而且是迫切的。２焊接方螺母的形式和特点在没有发明焊接螺母之前，是用手工电弧焊 将普通螺母固焊到金属件上去的。但这种方法焊接生产效率不高，容易烧穿金属件（因为螺母与金 属件不等厚，螺母远远厚于金属件所致），外观不雅，焊接质量难以保证，对工人操作水平要求高 等致命缺点，已不适应汽车大批量、高水平、高速度生产的要求，迫切需要改进焊接螺母的生产工 艺，从而萌发了能否象电阻点焊那样方便地进行螺母与金属件之间的焊接的想法。凸焊工艺就是利 用零件原有形面、倒角、底面或预制的凸点焊到另一块面积较大的零件上。因为是凸点接触，提高 了单位面积上的压力与电流，有利于板件表面氧化膜的破裂与热量的集中，减小了分流电流，可用 于厚度比超过１６的零件焊接。另外，因分流小，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。凸焊可在通用点焊机上进行， 广泛用于成批生产的口盖、筛网、管壳以及Ｔ形、十字形、平板等零件的焊接。而要将凸焊工艺技 术完整地应用到螺母与金属之间的焊接上必须解决：一是焊机问题，二是螺母问题，显然不能选择 原来的普通螺母作为焊接螺母，因为它没有凸点；三是焊接电极问题，因为要使焊接螺母落在金属 件上的正确位置才能焊接，所以必须通过焊接电极的准确定位作用来保证，显然有别于一般平板电 极，必须重新考虑制造。专门用于焊接螺母的凸焊机或通用落地式点焊机以及焊接螺母本身，国家 已制定了有关标准，大量生产，所需型号和数量可依企业情况从市场上求购得到。而焊接电极设计 制造的好坏恰是影响能否应用好焊接螺母（特别是焊接方螺母）的关键问题。我们先后用自己设计 和改进的焊接电极对焊接方螺母进行应用试验研究，取得了一定的突破，在《焊接螺母》国家标准 中规定的两种焊接螺母中我们之所以选择焊接方螺母作为应用试验研究对象，是因为：（１）在相 同的螺纹规格下，焊接方螺母的凸点要比焊接六角螺母的高１０％，宽４０％左右，（这是由于焊 接六角螺母底面上有一圈定位凸环，使其凸点高度不能做得超过此凸环高度，否则凸环就会失去定 位作用）。（２）在相同条件下，焊接方螺母的焊接合格率要比焊接六角螺母高得多。这是由于在 相同条件下，焊接方螺母的凸点大，对焊接规范（电流、电压、压力）在一定范围内的变化不敏感 ，而焊接六角螺母则由于凸点小、凸环产生分流作用，对一定范围内焊接规范的变化相当敏感而要 求焊接规范要相对稳定，否则焊后容易慢慢脱落，而在我国目前电力供应紧张状况和焊机制造水平 下，很难做到电流、电压不发生一定范围的变化，所以就迫使我们选择焊接方螺母作为推广应用研 究对象。焊接方螺母的形式和特点如图１所示。图１３焊接电极的设计制造及改进由于焊接电极在 工作过程中承受加压和通电，工况相当复杂，工作时间短促（焊接螺母的焊接时间一般不超过１． ５ｓ），工作电流相当大（达６０００Ａ以上），并决定在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。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）用作定位销的材料 必须绝缘且具有一定的高温强度。考虑到焊接过程中产生大量的热量及预防定位销与焊接螺母的内 螺纹之间通过的分电流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。应用焊接螺母时，一般都是正向运用，即先将金属件放到下电极上，再将焊接螺母放到 金属件上，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 述的焊接电极就是按这个习惯用法来设计制造的。显然，焊接方螺母正向运用时其定位销应设计在 下电极上，因而上电极的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。一般是在其压触面中心钻一直径、深Ｌ的孔，在上下电极合紧焊接时避 开定位销，即可达到上述目的。这个孔的大小与焊接方螺母的规格有关，与上电极比起来，下电极 的设计则复杂得多。最初设计了如图２（ａ）所示的焊接电极图２从图２（ａ）可以看出，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，第一级定金属件，第二级才定焊接方螺母，而第一级与第二 级是同轴心的，故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，让下次继续，从而实现了每个焊接方螺母在金属件上的准确定位焊接。但这种电极 有一个致命弱点，就是对弹簧的高温疲劳强度要求极高。因为从图２（ａ）可以看出，弹簧被包围 在一个近密闭的空腔里，散热条件和冷却条件较差，焊接过程中产生的大量热量不能及时散发出去 ，导致焊得越快越多，空腔内热量积聚越多温度越高的不利工作局面。这样弹簧很快疲劳失效，导 致定位销再也“起”不来了，从而失去了定位作用，必须及时更换。我们做了一个粗略统计，按正 常速度大约焊５０粒Ｍ８螺母，弹簧就失效了，如果焊Ｍ１０、Ｍ１２的螺母，失效就更快。这样 频繁地更换弹簧，显然不利于焊接方螺母的推广应用。要想进一步提高弹簧工作寿命，必须减慢焊 接速度，使其工作温度不致升高太快（但要工人这样操作是不可能的，也违背了推广应用焊接方螺 母的宗旨）或选用高温疲劳强度更好的弹簧，但成本高、代价大，没有必要。显然这种低寿命定位 装置的焊接电极不适于焊接方螺母的生产推广应用。经过分析研究，设计制造出如图２（ｂ）所示 的焊接电极。从图２（ｂ）可以看出，新电极较好地解决了原电极冷却不足与定位销复位容易失效 的问题，并对定位销的外形作了重大改进，使之更适合于焊接方螺母的焊接。（１）定位销复位采 用压缩空气，永不失效；（２）电极冷却条件和螺母焊接质量得到明显改善。这可从图中看出来， 复位压缩空气在上下电极合紧进行焊接时，将从定位销与下电极体的缝隙跑掉一部分，从而带走部 分焊接热量、改善冷却条件及使焊接飞溅外逸。这一点非常重要，因目前工艺技术的限制，还无法 彻底消除焊接飞溅的产生，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，它内 逸时可能溅到螺母内螺纹上，堵塞螺纹，总装时由于气动扳手扭矩较大，也许不费吹灰之力就拧紧 了，但却在不知不觉中降低了该处连接质量。而这种缺陷是隐蔽的，只有使用螺栓进行人工穿过检 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）消除这一危害的意义就更大了；（３）定位销更换方便。只要将盖子旋 开，取出旧销，放入新销即可（操作时要关闭复位压缩空气）；（４）定位销定位更加准确、可靠 。将定位销的外形由阶梯圆柱形改为圆柱—弧锥形，进一步提高了焊接方螺母定位准确的可靠性和 定位销的寿命。此外，此电极设计制造的关键在于定位销与盖子的接触面表面粗糙度要高，配合要完全吻合，以保证电极空腔的气密性，使定位销复位可靠。当然，实际应用时，导入电极空腔内起复位作用的压缩空气压力不能给得太大，以免影响焊接应力，只要在非焊接时将定位销轻轻托住即可，这可通过用手指从定位销顶端轻轻往下压一压来判定。采用上述电极对焊接方螺母进行了焊接
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