基于中頻焊機對普通鋼板焊接參數(shù)的研究與工程應(yīng)用

王 剛 王良濤

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

基于中頻焊機對普通鋼板焊接參數(shù)的研究與工程應(yīng)用

王 剛 王良濤

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

電阻點焊是轎車行業(yè)最主要的焊接方法，傳統(tǒng)點焊設(shè)備為工頻焊機設(shè)備壽命短、能源浪費多、功率因數(shù)低、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差等缺點，新型的中頻焊機彌補了傳統(tǒng)焊接設(shè)備的缺陷。文中基于中頻焊機對普通鋼板的焊接，研究不同焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，結(jié)合工程生產(chǎn)實際、數(shù)據(jù)擬合、優(yōu)化運算，為生產(chǎn)車間針對不同板材組合找到合適的焊接參數(shù)區(qū)間。不同板厚組合不同焊接參數(shù)，研究焊點表面質(zhì)量、金相組織、顯微結(jié)構(gòu)。工程應(yīng)用表明，這種方法得到的參數(shù)具有使用方便、參數(shù)選取準確、高效等優(yōu)點，尤其是在新車型試生產(chǎn)與后續(xù)參數(shù)調(diào)試優(yōu)化過程中效果顯著。

電阻點焊 中頻焊機 數(shù)據(jù)處理 工程應(yīng)用

0 序 言

電阻點焊操作簡單、質(zhì)量相對穩(wěn)定、便于控制、易于實現(xiàn)機械化、自動化。因此一直以來是轎車行業(yè)最主要的焊接工藝，完成90%以上的轎車車身焊裝工作量[1-2]。目前各大汽車生產(chǎn)工廠使用的點焊焊機按其頻率分，主要有中頻和工頻兩種。雖然工頻焊機控制簡單、技術(shù)成熟、成本相對較低，但是焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。新型的中頻焊機具有以下優(yōu)點：可以實現(xiàn)直流焊接、變壓器小型化、電流控制響應(yīng)速度快、功率因數(shù)高、節(jié)能效果好、能量密度高縮短焊接時間、部分設(shè)備具有良好的自適應(yīng)功能，可以實現(xiàn)工頻控制無法實現(xiàn)的焊接工藝，因此傳統(tǒng)的工頻焊接設(shè)備逐步被新型的中頻伺服焊機所取代已成為必然趨勢[3-8]。例如某大型汽車制造廠長沙工廠、武漢工廠所有點焊設(shè)備均為中頻焊機。

焊接參數(shù)直接影響點焊質(zhì)量，隨著中頻焊機的普及推廣、產(chǎn)能提升和汽車項目速度加快，針對中頻焊接設(shè)備參數(shù)的快速選擇，已然成為汽車制造業(yè)界的亟待解決的難題。文中結(jié)合實際工程應(yīng)用現(xiàn)狀，根據(jù)影響焊接質(zhì)量的因素，研究一種快速選擇焊接參數(shù)的方法。

Q=I2Rt=Q1+Q2+Q3

(1)

式中,Q為焊接設(shè)備產(chǎn)生的總能量；Q1為形成熔核的有效能量；Q2為焊接區(qū)域向周圍散發(fā)的能量(包括飛濺)；Q3為焊槍電極吸收的能量；I為焊接電流；R為電極間的電阻；t為焊接時間。

介于影響焊接質(zhì)量因素眾多且大部分不可控，文中將從三個可控參數(shù)焊接電流、通電時間、電極壓力，結(jié)合生產(chǎn)實際情況，來研究不同焊接參數(shù)對普通鋼板的焊接質(zhì)量的影響。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具采用數(shù)據(jù)擬合、優(yōu)化算法，得到一套選擇焊接參數(shù)的方法。以便在新項目階段指導焊接參數(shù)的設(shè)定，后期批量生產(chǎn)階段焊接質(zhì)量的優(yōu)化工作。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗選擇的原材料是車間實際使用的普通鋼板，表面清理干凈，忽略油污的影響，零件匹配間隙小于0.1 mm，忽略匹配對焊接過程的影響。所有試驗材料均為熱軋鋼板，材料元素含量如表1所示。

表1 板材元素質(zhì)量百分含量表(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 試驗原理

為了得到一定的樣本，選擇4種板厚組合的板材進行試驗。采用正交試驗法選取樣本時，保證每個樣本均勻抽樣，研究出每一個焊接參數(shù)對結(jié)果的影響，以及焊接結(jié)果對每一個參數(shù)的敏感程度。試驗選擇0.7+0.7，0.9+0.9，1.3+1.3，1.5+1.5，2.0+2.0的普通冷軋鋼板，針對所選取樣本采用正交試驗法做焊接試驗。

本文系統(tǒng)的闡述了青海柴達木盆地周緣殘山地球化學景觀區(qū)地形、地貌、水系發(fā)育程度；水系沉積物、土壤、鈣積層和風成物的分布特點；風成物和鈣積層的分布對水系沉積物樣品的干擾程度等。通過采樣對比分析，認為排除干擾最有效的辦法是剔除表層干擾物，直接采集基巖風化的巖屑物質(zhì)代替水系沉積物。在野外采樣過程中應(yīng)用水系沉積物采樣有效控制匯水域的思想，用放射的樹枝狀結(jié)構(gòu)多點組合、主副點結(jié)合的化探采樣方法，盡可能的提高每個樣品的有效性和代表性，野外采用化探采樣航跡監(jiān)控系統(tǒng)對主副點進行監(jiān)控，確保采樣到位率，使得所采集的巖屑組合樣能有效代替控制匯水域范圍內(nèi)下伏基巖的化學成份，保證獲得質(zhì)量可靠的第一手資料。

2 試驗過程及結(jié)果

企業(yè)焊接質(zhì)量評判指標有以下幾項：焊點直徑、焊核偏移率、剩余板厚。而不同的焊接參數(shù)焊點的熱力學過程不同，顯微結(jié)構(gòu)也必然存在差異，不同的顯微結(jié)構(gòu)強度不同，同樣也會影響焊接質(zhì)量。當焊點板厚存在差異時，不同板上的熱力學過程也存在差異，存在焊合偏移的現(xiàn)象，而相同板厚焊接時不存在焊核偏移的現(xiàn)象。文中僅針對相同板厚的焊接，因此選擇的評判指標是焊點熔核直徑和剩余板厚。

2.1 變量正交試驗

由于焊接參數(shù)較多，每一個參數(shù)變化都會影響焊接質(zhì)量，且他們的影響效果不同，即焊點熔核直徑對焊接參數(shù)的靈敏度不相同，因此文中設(shè)計出如表2所示的焊接正交試驗設(shè)計表。

表2 焊接正交試驗設(shè)計表

試驗選取焊接時間、焊接電流、板材厚度、電極壓力4個變量作為參考因子，試驗依次以t,I,H,F表示，每個變量選擇4個水平，根據(jù)正交試驗方法，選擇L16(4-5)直交表設(shè)計試驗。

根據(jù)試驗的曲線效應(yīng)分析，可以看出4個變量因子對焊點熔核直徑大小產(chǎn)生顯著影響，影響曲線圖如圖1所示。其中,tx為焊接時間;Ix為焊接電流;Hx為板厚之和;Fx為電極壓力；縱軸為焊核直徑對4個因子的響應(yīng)靈敏度。

圖1 4個因子對熔核直徑的影響曲線圖

圖1通過焊接正交試驗，可以看出4個變量每變化一個單位時所對應(yīng)的焊點熔核直徑的變化量。則可得出4個因子對焊點熔核直徑的影響大小依次是：焊接電流I>焊接時間t>板厚H>電極壓力F。因此生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)焊點熔核不足，最有效的辦法就是增加焊接電流，當電流增加到一定程度時可以適當增加電極壓力，以保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.2 變量的擬合

為了研究某一個焊接參數(shù)對焊點熔核直徑的影響大小，對試驗數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)處理軟件Isight進行擬合計算，發(fā)現(xiàn)影響焊點熔核直徑的4個自變量和熔核直徑這個因變量是復雜的五維空間。而實際生產(chǎn)中針對確定的一個焊點對應(yīng)的焊槍是確定，同時板材組合和電極壓力是不會發(fā)生變化的，因此只有面對車間所有焊點時，這4個自變量和一個因變量才是五維空間。面對對某一確定板材可以認為只有兩個變量焊接電流和焊接時間，即板厚和電極力不變，焊接電流和焊接時間與焊核直徑三者在空間坐標系中是一個瓦片狀曲面，如圖2a焊接電流I和時間t對熔核直徑D的影響。

如果人為調(diào)整電極壓力，即當其他條件不變電極力F和焊接時間t發(fā)生變化時焊點熔核直徑在空間坐標系中成馬鞍面狀，如圖2b焊接壓力F和時間t對熔核直徑的影響。

實際焊接時焊接參數(shù)是在一定范圍內(nèi)變化，影響焊點直徑的根本原因是焊接面吸收的能量。為了適合工程制造，引入焊接面有效焊接能量這個概念。有效能量與焊接參數(shù)存在如式(2)關(guān)系：

Q1=I2t/(F·h)-αtFI2h

(2)

式中,Q1為形成熔核的有效能量；F為焊接電極壓力；h為接觸電阻系數(shù)；α為電極間導熱系數(shù)；I為焊接電流；R為電極間的電阻；t為焊接時間。

圖2 焊點熔核直徑與三個變量關(guān)系圖

焊核直徑與Q1存在非線性關(guān)系，每種板厚焊點質(zhì)量狀態(tài)取決于Q1。當P1Q1>P2時焊點會出出現(xiàn)飛濺毛刺，焊核直徑合格；當Q1>P3時會出現(xiàn)焊接噴濺，出現(xiàn)焊接飛濺過大甚至焊穿，剩余板厚出現(xiàn)的不合格一般在出現(xiàn)在這個區(qū)間。其中，P1為焊核直徑合格需要能量臨界值；P2為飛濺焊接能量臨界值；P3為噴濺焊接能量臨界值。針對一種板才組合這三個臨界值是不變的，如圖3所示焊接能量臨界值。其中，αtFI2h為散失的能量，占總能量輸入的70%以上，α與板厚、電極帽直徑、金屬熱傳導率有關(guān)。

圖3 焊接能量輸入與焊接質(zhì)量圖譜

2.3 接頭顯微組織

電阻焊焊點區(qū)域形成過程是母材熔化重新結(jié)晶的過程，再結(jié)晶過程中不同的能量輸入對板材再結(jié)晶影響不同，再結(jié)晶時焊核及塑性環(huán)區(qū)域顯微組織也會相應(yīng)不同。焊核的金相圖如圖4所示，圖4中A區(qū)域為塑性環(huán)區(qū)域，B區(qū)域為焊核區(qū)域。

圖4 焊核金相圖

塑性環(huán)是焊核與母材熱影響區(qū)的過渡區(qū)域，這個區(qū)域焊接時溫度梯度最大，焊接時最先冷卻將焊核包裹起來，有助于焊點焊接后期的成形，并且對焊點承受載荷起到關(guān)鍵作用。

焊核顯微組織與母材越接近或者晶粒越細，則強度和疲勞壽命會更好，更接近材料的原始特性或者更優(yōu)。試驗研究不同焊接參數(shù)對焊核內(nèi)部及塑性環(huán)區(qū)域結(jié)晶狀態(tài)顯微組織的影響。

不同的焊接參數(shù)會產(chǎn)生不同的能量輸入，板材焊接的焊點塑性環(huán)及焊核結(jié)晶狀態(tài)影響不同[9-11]。對于特定板材組合，壓力和板厚都不會變，變量只有時間和電流。保證焊點強度的條件下，采用小電流焊接時，因為小電流短時間焊接，能量輸入小，塑性環(huán)區(qū)域冷卻速度快，此處顯微組織片狀珠光體+鐵素體，如圖5所示；隨著焊接時間的增加焊點熱影響區(qū)會逐漸變大，塑性環(huán)區(qū)域散熱效果逐漸變差，此處的顯微組織逐漸過渡到魏氏體+滲碳體組織，如圖6所示；焊核區(qū)域原本位于熔池中部散熱效果更差差，隨著焊接時間的增減熱影響區(qū)擴大，散熱速度更低，其顯微組織由片狀珠光體逐漸變?yōu)槲菏象w+鐵素體組織，如圖7～8所示。

大電流焊接時，采用短時間焊接，即硬規(guī)范焊接，因為線能量輸入低，塑性環(huán)區(qū)域連接金屬母材散熱效果好，其組織為顆粒狀狀珠光體+鐵素體如圖9所示；隨著焊接時間增加時線能量輸入增加，熱影響區(qū)變大，焊核金屬熔化區(qū)散熱效果變差，塑性環(huán)區(qū)域冷卻速度低，其組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w+鐵素體，如圖10所示；對于焊核區(qū)域而言，當焊接時間減小時，焊核區(qū)域能量密度低，金屬熔池結(jié)晶后顯微組織為顆粒狀珠光體，如圖11所示；當焊接時間繼續(xù)增加至達到噴濺點時，熔核區(qū)顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w+滲碳體，如圖12所示。

圖5 小電流短時間塑性環(huán)上顆粒狀珠光體

圖6 小電流長時間塑性環(huán)魏氏體+滲碳體

圖7 小電流短時間焊核區(qū)域片狀珠光體+滲碳體

圖8 小電流長時間焊核區(qū)域魏氏體

圖9 大電流短時間塑性環(huán)區(qū)域顆粒狀珠光體

顯微組織顆粒狀珠光體性能最好，且顆粒狀晶粒越接近原始材料。因此實際生產(chǎn)中焊接參數(shù)的選擇，盡量選用線能量密度較低參數(shù)來焊接，焊接時間和焊接電流并非越大越好，應(yīng)該首選小電流短時間的焊接參數(shù)、其次是短時間大電流的焊接參數(shù)，對于厚板來說為了到達一定的熔核直徑，采用大電流短時間即硬規(guī)范焊接，焊核顯微組織性能比軟規(guī)范焊接的顯微組織更好。實際生產(chǎn)中為了保證安全和現(xiàn)場整潔的條件，一般選用軟規(guī)范焊接。

圖10 大電流長時間塑性環(huán)區(qū)域魏氏體+滲碳體

圖11 大電流短時間焊核區(qū)域顆粒狀珠光體

圖12 大電流長時間焊核區(qū)域魏氏體

3 工程實際應(yīng)用

實際生產(chǎn)中對于薄板及表面要求高的焊點焊接首選硬規(guī)范，焊接完工后焊點表面質(zhì)量高，飛濺也比較小。對于厚板焊接，機器人工位采用硬規(guī)范，飛濺雖然大，但焊核質(zhì)量高，焊點熔核直徑達標，且塑性環(huán)和焊核區(qū)域顯微組織為細小均勻顆粒狀珠光體，焊點疲勞性能高于軟規(guī)范焊點。手動焊接崗位，考慮到人機工程和環(huán)境因素，選用軟規(guī)范焊接此時焊核顯微組織為粗大的魏氏體組織。

針對車間的1.3 mm普通鋼板焊接作為應(yīng)用實例。根據(jù)軟件計算出來的參數(shù)如下：電流I為7.86 kA、焊接時間為362 ms、電極壓力為2.51 kN。實際應(yīng)用時，參數(shù)選擇四舍五入的辦法設(shè)定焊接參數(shù)，設(shè)定的參數(shù)是：電流I為7.9 kA、焊接時間為362 ms、電極壓力為2.5 kN，焊接后焊點表面質(zhì)量良好，焊點熔核直徑為6.0 mm，剩余板厚1.2 mm滿足公司標準，塑性環(huán)區(qū)域的顯微組織是顆粒狀珠光體組織，焊核區(qū)域的組織為顆粒稍大的珠光體組織。

4 結(jié) 論

(1)焊點熔核直徑對焊接電流更為敏感，生產(chǎn)中出現(xiàn)熔核直徑不足，排除設(shè)備故障的情況下，焊接參數(shù)中增加焊接電流最為快速有效。

(2)焊點熔核直徑取決于有效能量輸入，它是焊接電流、焊接時間、電極壓力和板材厚度4個變量綜合作用的結(jié)果，保證有效能量在臨界值P1與P3之間焊核質(zhì)量都合格，當有效能量

(3)采用硬規(guī)范焊接的焊點，塑性環(huán)及焊核區(qū)域顯微組織是性能較好的珠光體組織；軟規(guī)范焊接的焊點，塑性環(huán)和焊核區(qū)域顯微組織是魏氏體或魏氏體+滲碳體。

[1] 姜賢茂, 張小云. 伺服焊槍中頻直流點焊在車身制造中的應(yīng)用[J]. 焊接, 2014(4):36-39.

[2] 吳青云, 魏慶豐, 周 景,等. 中頻直流伺服焊接技術(shù)優(yōu)勢[J]. 汽車工藝師, 2012(3):40-43.

[3] 王 平. 中頻焊接的優(yōu)勢[J]. 汽車工藝師, 2006(9):92-93.

[4] 劉世權(quán). 中頻逆變電阻焊接的優(yōu)勢[J]. 現(xiàn)代制造, 2008(43):43-43.

[5] 劉新霞. 馬氏體高強鋼中頻電阻點焊質(zhì)量的研究[J]. 焊接, 2010(5):62-65.

[6] 張 勇. 電阻焊控制技術(shù)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 2014.

[7] 王 淼. 淺議中頻電阻焊技術(shù)的應(yīng)用性能[J].中國電子商務(wù), 2012(23):83-84.

[8] 許祥平, 李 恒, 王錫嶺,等. 采用中頻逆變電阻焊和閃光對焊焊接圓環(huán)鏈的對比研究[J]. 江蘇科技大學學報(自然科學版), 2015, 29(3):239-242.

[9] 白韶軍, 王 超, 陳樹君,等. 熱沖壓22MnB5硼鋼中頻電阻點焊接頭組織及力學性能研究[J]. 北京工業(yè)大學學報, 2013, 39(5):666-670.

[10] 李海賓, 陳 鎧, 肖榮詩,等. 熱成形硼鋼激光焊接與電阻點焊接頭性能對比研究[J]. 電加工與模具, 2012(1):20-23.

[11] 張 健, 嚴思杰. 汽車用DP590雙相高強鋼板電阻點焊性能研究[J]. 熱加工工藝, 2017(5):231-233.

2017-02-21

TG453+.9

王 剛,1986年出生，學士學位。主要從事車身車間焊接工藝管理與質(zhì)量優(yōu)化控制工作，主導上汽大眾汽車有限公司途觀、途安、新桑塔納等車型的焊接工藝與質(zhì)量優(yōu)化工作。