淺析電容儲(chǔ)能凸焊機(jī)焊接熱成形鋼零件

徐永吉，徐瑰瑰

1.上海屹豐汽車(chē)模具制造有限公司 上海 200949

2.凱里學(xué)院理學(xué)院 貴州凱里 556011

1 序言

隨著汽車(chē)輕量化的發(fā)展，熱成形鋼板在汽車(chē)A柱、B柱、保險(xiǎn)杠及防撞梁等車(chē)身部件上應(yīng)用廣泛。熱成形零件焊接一直是汽車(chē)制造比較關(guān)注的話(huà)題，從其焊接性講，常規(guī)焊接設(shè)備在使用過(guò)程中受電網(wǎng)、材料（涂層、力學(xué)性能）等因素制約，容易導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)焊后質(zhì)量缺陷，使生產(chǎn)過(guò)程難以管控。

本文通過(guò)介紹新型電容儲(chǔ)能凸焊機(jī)焊接原理、產(chǎn)品焊接實(shí)例和相關(guān)試驗(yàn)，重點(diǎn)闡述其在汽車(chē)熱成形零件上焊接緊固件（凸焊類(lèi)）的應(yīng)用能力。

2 電容儲(chǔ)能凸焊機(jī)工作原理及應(yīng)用

電容儲(chǔ)能式凸焊機(jī)是利用電容儲(chǔ)存能量而在瞬時(shí)釋放出電流，即利用集中大電流向小面積凸點(diǎn)傳導(dǎo)，而起到熔接效果：焊接過(guò)程只在十幾毫秒內(nèi)完成，其間通過(guò)數(shù)萬(wàn)安培到幾十萬(wàn)安培的次級(jí)熔接電流[1]。因此，在焊接時(shí)因產(chǎn)生熱量而導(dǎo)致工件局部變形的缺陷會(huì)有所減少。

電網(wǎng)三相交流經(jīng)整流電裝置整流后，對(duì)電容器組C進(jìn)行充電，焊接時(shí)，晶閘管VTH導(dǎo)通，C對(duì)焊接變壓器T一次繞組放電，在二次側(cè)獲得峰值大、時(shí)間短的脈沖電流，開(kāi)關(guān)S為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，用于通往焊接變壓器T的電流變換方向，防止變壓器單向通電飽和[2]。電容儲(chǔ)能電阻焊電源電路原理如圖1所示。

圖1 電容儲(chǔ)能電阻焊電源電路原理（VD：續(xù)流二極管）

由于電容儲(chǔ)能焊機(jī)的充電電流遠(yuǎn)小于放電電流，對(duì)電網(wǎng)沖擊比較小，對(duì)電源功率要求不高，故焊接過(guò)程不受電網(wǎng)波動(dòng)影響，焊接穩(wěn)定性良好。之前由于其高效穩(wěn)定性及焊接特殊性，被家電行業(yè)、衛(wèi)浴行業(yè)等廣泛使用，隨后在汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始普及，適合焊接低碳鋼、不銹鋼、銅合金等產(chǎn)品。

目前，汽車(chē)行業(yè)使用的熱成形零件有表面鍍Al-Si涂層和無(wú)涂層兩類(lèi)，由于其屈服強(qiáng)度達(dá)到1300MPa左右，金相為馬氏體組織，材料加入了合金元素（如Mn，Si，Cr，Ni，B），元素B的加入，提高了鋼的熱強(qiáng)性，因此焊接時(shí)需要很大的焊接壓力，而常規(guī)工頻交流焊機(jī)和中頻直流逆變焊機(jī)在熱成形零件上焊接緊固件，難以保證焊后產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致焊接緊固件熔深達(dá)不到0.2mm，且凸焊螺母的螺紋容易變形。選擇電容儲(chǔ)能式凸焊機(jī)作為熱成形零件的焊接設(shè)備，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和生產(chǎn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該凸焊機(jī)在焊接熱成形零件方面，焊后質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表現(xiàn)較好。

3 電容儲(chǔ)能凸焊機(jī)結(jié)構(gòu)

整個(gè)焊機(jī)系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)組成。以型號(hào)DR20KJ的電容儲(chǔ)能凸焊機(jī)為例（下同），采用C型結(jié)構(gòu)，由儲(chǔ)能組件、機(jī)架、工作臺(tái)、垂直氣缸座、加壓機(jī)構(gòu)、焊接二次回路、阻焊變壓器以及電氣控制回路等組成。其外部結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為主視圖和左視圖。

圖2 單頭電容儲(chǔ)能凸焊機(jī)結(jié)構(gòu)

從設(shè)備外部結(jié)構(gòu)看，與一般工頻、中頻凸焊機(jī)對(duì)比，儲(chǔ)能式凸焊機(jī)重點(diǎn)在于放電變壓器和儲(chǔ)能焊接控制器有差異。如放電變壓器，為保障電容瞬時(shí)大電流的徹底輸出，采用高導(dǎo)磁硅鋼片，并用環(huán)氧樹(shù)脂真空澆注而成，特殊工藝設(shè)計(jì)。如儲(chǔ)能焊接控制器，使用PLC、數(shù)控焊接主板系統(tǒng)和工業(yè)人機(jī)界面等相結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并控制穩(wěn)壓誤差＜1%。

4 凸焊試驗(yàn)

（1）產(chǎn)品應(yīng)用介紹 某汽車(chē)公司零部件常用鋼板包含熱成形鋼板和普通鍍鋅低碳合金鋼板，需凸焊螺母緊固件。不同板材厚度與應(yīng)用環(huán)境所對(duì)應(yīng)螺母規(guī)格不同，文中選擇公司常用的板材與緊固件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，母材材質(zhì)、料厚、緊固件規(guī)格等信息見(jiàn)表1，使用20kJ容量的電容儲(chǔ)能凸焊機(jī)，并選擇合理的焊接參數(shù)，見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)材料描述

表2 主要焊接參數(shù)

（2）破壞檢測(cè) 在破壞試驗(yàn)時(shí)，主要檢測(cè)拉脫力、拉脫力破壞程度、金相試驗(yàn)等。對(duì)上述4組焊接緊固件進(jìn)行力學(xué)性能和金相檢測(cè)，其中第2組母材為低碳合金鋼，其余組別為熱成形鋼。

1）力學(xué)性能檢測(cè)。使用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：WDW-50C）做試件拉脫力試驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)最大負(fù)荷50kN。上述4種螺母拉脫力試驗(yàn)，根據(jù)主機(jī)廠(chǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)檢測(cè)平均值和合格與否情況，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 拉脫力試驗(yàn)要求及結(jié)果

從表3可看出，頂出試驗(yàn)均合格，檢測(cè)值高于主機(jī)廠(chǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)焊接緊固件做破壞試驗(yàn)，從實(shí)物狀態(tài)圖3中看出，圖3a中破壞試驗(yàn)的斷裂位置在螺母上，沒(méi)有形成虛焊，圖3b、圖3c中實(shí)現(xiàn)“脫扣”要求，且凸點(diǎn)全帶出母材，熱成形板除第4組外（該四角螺母為銅合金，凸點(diǎn)較小，且母材過(guò)厚），符合技術(shù)要求。

2）金相檢測(cè)。對(duì)上述焊接緊固件使用金相切割機(jī)進(jìn)行切割，再經(jīng)過(guò)拋光、腐蝕等工序，用體視顯微鏡（型號(hào)：C900）觀(guān)察，查看熔深、螺母和母材間隙、焊接缺陷的信息，金相檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 金相檢測(cè)結(jié)果

從金相圖查看，第1組六角螺母M14金相熔深達(dá)到0.42mm，第2組法蘭盤(pán)M6金相熔深達(dá)到0.77mm，第3組圓螺母M8金相熔深達(dá)到0.41mm。所有熔深均能超過(guò)0.2mm，且熔核無(wú)內(nèi)部缺陷，緊固件與母材之間貼合緊密，符合技術(shù)要求。第5組試驗(yàn)因焊接螺母凸點(diǎn)大小約2mm，按照客戶(hù)技術(shù)要求，不再做金相檢測(cè)，只需進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。

5 缺點(diǎn)

1）由于其需完成一次焊接（放電）后進(jìn)行二次充電儲(chǔ)能過(guò)程，因此與中頻凸焊機(jī)相比，儲(chǔ)能式凸焊機(jī)完成單個(gè)緊固件的工作時(shí)間較長(zhǎng)。

2）因?yàn)殡娙萜鞒浞烹娺^(guò)程中充電回路要消耗較大電能，所以能量轉(zhuǎn)換率比其他類(lèi)型焊機(jī)低。

3）若設(shè)備長(zhǎng)期頻繁使用，電容器需要快速充放電，導(dǎo)致其壽命短，特別是電解電容器，壽命周期約為兩年[2]。

4）儲(chǔ)能式焊接電流波形陡升陡降，短時(shí)間、硬規(guī)范，焊接低碳鋼時(shí)，需謹(jǐn)慎選擇焊接參數(shù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以20kJ容量的電容儲(chǔ)能凸焊機(jī)為例，進(jìn)行一系列焊接生產(chǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能凸焊機(jī)在熱成形鋼上焊接緊固件，其產(chǎn)品力學(xué)性能和金相檢測(cè)均能滿(mǎn)足客戶(hù)技術(shù)要求，解決了以往熱成形鋼板凸焊緊固件因強(qiáng)度低、虛焊等造成質(zhì)量不合格的問(wèn)題。