中頻智能一體式焊鉗技術(shù)在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

張惠立 汪紅 張正舉 黎志梅 易澤武

摘要：本文主要介紹上汽通用五菱技術(shù)中心在引進NIMAK中頻智能調(diào)控一體式焊鉗過程中，通過對中頻電阻焊的工作原理、智能調(diào)控焊接質(zhì)量技術(shù)、一體式焊鉗結(jié)構(gòu)特點及投入維護成本等幾個方面進行分析和研究，得出相對于以往的工頻分體式焊鉗技術(shù)，中頻智能一體焊鉗技術(shù)在材料的可焊接范圍、材料的焊接質(zhì)量、設(shè)備的投入和維護成本等幾方面存在較大優(yōu)勢，最終成功引進中頻智能調(diào)控一體式焊鉗技術(shù)，提高樣車白車身的焊接質(zhì)量，將樣車試制柔性生產(chǎn)線的點焊接范圍擴大到高強鋼、鍍層板、不銹鋼和鋁合金等新材料的焊接，提升試制柔性生產(chǎn)線的焊接能力。

關(guān)鍵詞：中頻電阻焊;智能調(diào)控;一體式焊鉗;焊接質(zhì)量;節(jié)約能源

中圖分類號：U461.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0219-02

0? 引言

隨著我國汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車產(chǎn)品的質(zhì)量要求不斷提高，新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)的情況下，為滿足新法規(guī)和用戶不斷提升的要求，近年來汽車領(lǐng)域不斷推廣應(yīng)用高強鋼、熱成形鋼、鋁合金等新材料的焊接，對電阻焊機的性能品質(zhì)要求越來越高。傳統(tǒng)工頻電阻焊機難以滿足現(xiàn)代汽車的發(fā)展需要，無法保證高強鋼、熱成形鋼、鋁合金等新材料的焊接質(zhì)量。西方發(fā)達國家自上世紀(jì)末就開始了中頻智能電阻焊機的研究和應(yīng)用，而中國在進入新世紀(jì)后也開始了這方面的應(yīng)用研究。隨著中頻智能調(diào)控焊接質(zhì)量技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了對電阻焊接電流、電壓更高水平的控制，突破了原來的恒電流、恒電壓等技術(shù)的控制方式，使得電阻焊控制技術(shù)得到進一步的發(fā)展。

1? 中頻電阻焊技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電阻焊技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，根據(jù)目前現(xiàn)有電阻焊技術(shù)的工作原理，電阻焊技術(shù)可以分三大類：工頻電阻焊技術(shù)、三相整流電阻焊技術(shù)、中頻電阻焊技術(shù)。如下簡述三種電阻技術(shù)的工作原理：

1.1 工頻電阻焊技術(shù)及工作原理

工頻電阻焊技術(shù)其控制系統(tǒng)一般由兩個反并聯(lián)的晶閘管組構(gòu)成，使用“相位控制”調(diào)節(jié)焊接變壓器的初級電壓，讓導(dǎo)通角滯后，僅使每半周波的一部分有效，因此能影響焊接變壓器輸出，焊接電流依照導(dǎo)通角滯后的大小而變化。工頻電阻焊設(shè)備特點：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備體積大，能量轉(zhuǎn)換效率低、損耗大、次級感應(yīng)電阻大、電網(wǎng)負(fù)載不對稱、控制精度低。

1.2 三相整流電阻焊技術(shù)及工作原理

三相整流電阻焊技術(shù)的控制系統(tǒng)與工頻交流電焊機不同的是三相整流器焊機是工作在三相。這可以借助三個單相變壓器可以實現(xiàn)，每相連接一組晶閘管，借助于大電流整流器，電流在次級線路是整流的。三相整流電阻焊設(shè)備特點：變壓器占體積大，直流質(zhì)量差，電流上升緩慢，控制精度低。

1.3 中頻電阻焊技術(shù)及工作原理

中頻電阻焊技術(shù)的控制系統(tǒng)主要是通過逆變器將三相交流電整流并變?yōu)閱蜗?000赫茲的交流電壓，再經(jīng)過變壓器變送和二極管整流，最后提供一個穩(wěn)定、可以精確調(diào)控的直流焊接電流，通過快速的調(diào)節(jié)和快速的電流提升，從而有效、穩(wěn)定地輸出焊接能量，轉(zhuǎn)換效率高所以變壓器體積較小。中頻電阻焊設(shè)備特點：變壓器輕巧，能量轉(zhuǎn)換效率高，能量集中，對工件無影響，直流質(zhì)量高，電流上升迅速，無次級感應(yīng)電阻，電網(wǎng)對稱，控制精度高，毫秒級控制，焊接重復(fù)性好，焊接范圍擴大，特別適用于焊接高強鋼、不銹鋼、鋁板、鍍鋅板以及不同材料等。

2? 智能調(diào)控焊接質(zhì)量技術(shù)

智能調(diào)控焊接質(zhì)量技術(shù)是通過相關(guān)的軟件系統(tǒng)（如NIMAK的Pegasus軟件）對焊接全過程進行管理監(jiān)控，動態(tài)調(diào)整焊接相關(guān)參數(shù)的一種焊接質(zhì)量調(diào)控技術(shù)，簡稱為IQR（Intelligent Quality Regulation）。目前，國內(nèi)有許多汽車公司已開始用帶智能調(diào)控焊接質(zhì)量技術(shù)的中頻焊接設(shè)備，如北京奔馳300C生產(chǎn)線，一汽大眾奧迪生產(chǎn)線，沈陽華晨寶馬生產(chǎn)線等。如下以NIMAK中頻智能調(diào)控焊接技術(shù)為例，工作原理示意圖如圖1所示，點焊過程示意圖如圖2所示。

智能焊接質(zhì)量調(diào)控技術(shù)優(yōu)點：

①可調(diào)節(jié)焊接各種物理條件下材料;②實時調(diào)節(jié)當(dāng)前焊接參數(shù);③比CCR的焊接范圍更寬;④高焊接質(zhì)量，焊接過程的穩(wěn)定性好;⑤IQR可通過存檔功能來儲存文件;⑥焊接速度快，適應(yīng)焊接環(huán)境性強。

3? 一體式焊鉗結(jié)構(gòu)特點

一體式焊鉗特點：變壓器同焊鉗結(jié)為一體，結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便，體積小、重量輕，大大降低了工人的勞動強度和很大程度上節(jié)約了能源。相對于分體式焊鉗，一體式焊鉗有如下優(yōu)點：

3.1 配電容量小，初期投入降低

一體式焊鉗由于焊鉗和變壓器連接為一個整體，縮短焊機的次極回路，減小回路阻抗，降低無效功耗，使得焊鉗的配置功率大為降低，從而對車間電網(wǎng)的要求降低，可以降低在生產(chǎn)場地及車間配電時的固定投入。

3.2 操作靈活

一體式焊鉗配有全向旋架，在焊鉗后部沒有粗笨的通水電纜束，可在任意方向上自由旋轉(zhuǎn)，操作靈活輕便，可以連接長電纜，大為增加焊鉗的活動范圍，而分體式焊鉗受粗笨的通水電纜影響翻轉(zhuǎn)困難，活動范圍很小。

3.3 安全可靠

一體式焊鉗安全的懸掛和轉(zhuǎn)盤裝置設(shè)計，不會對操作者造成傷害（如夾傷手），沒有大電流通過電纜，無電磁力的作用，不會造成操作者的手肘勞損。分體式焊鉗受結(jié)構(gòu)所限，存在上述方面的安全隱患。在電磁輻射方面，在對一體式焊鉗操作時，操作者位于鉗臂的后方，保持安全距離，避免電磁輻射的影響。在對分體式焊鉗操作時，操作者與焊鉗的鉗臂并行，受電磁輻射的影響較大。有充分的研究表明強電磁輻射會對人體會造成傷害，在德國早已禁止身體暴露在輻射>500μT下工作。

3.4 節(jié)能、節(jié)水

一體式焊鉗的焊接功率大幅降低，在完成同樣焊接任務(wù)可節(jié)電70%以上，耗水量也只有分體式焊鉗的1/3～1/4，可更好利用循環(huán)水設(shè)施，進一步節(jié)能、節(jié)水。

3.5 維護方便、費用更低

一體式焊鉗的電纜幾乎在使用期內(nèi)不需更換，大大降低了維護費用。如一條白車身生產(chǎn)線按350把焊鉗計算，分體式焊鉗一年更換通水無感電纜費用70萬元以上。

4? 中頻智能調(diào)控一體焊鉗應(yīng)用

目前，技術(shù)中心試制車間已引進四臺NIMAK中頻智能調(diào)控一體式焊鉗，該設(shè)備焊接功率為77KVA，變頻器是使用德國Harms & Wende公司的Genius MFI408L型中頻變頻器。通過這一年的實踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)NIMAK中頻智能調(diào)控一體式焊鉗的焊接技術(shù)，不但提高了樣車白車身的焊接質(zhì)量，而且還將樣車柔性生產(chǎn)線的點焊接范圍擴大到高強鋼、鍍層板、不銹鋼等新材料的焊接，提升試制車間白車身柔性生產(chǎn)線的焊接能力。與傳統(tǒng)工頻交流焊機相比，NIMAK中頻智能調(diào)控一體式焊鉗有如下優(yōu)點。

4.1 焊接質(zhì)量高

NIMAK中頻智能調(diào)控一體式焊鉗時間調(diào)節(jié)分辨率可達1ms（1000Hz逆變頻率），響應(yīng)速度快，輸出穩(wěn)定性好，控制精度高。

4.2 焊接速度快

NIMAK中頻智能調(diào)控一體式焊鉗為直流輸出，加熱集中，焊接時間短。

4.3 節(jié)能增效多

目前我們上汽通用五菱每一條車身生產(chǎn)線所用焊鉗大約為350把，每天生產(chǎn)汽車1000臺，每條車身生產(chǎn)線一年節(jié)約電費約1345萬元。一體式焊鉗與分體式焊鉗使用電費數(shù)據(jù)對比如表1所示。

4.4 設(shè)備體積與質(zhì)量小

NIMAK中頻智能調(diào)控一體式焊鉗的變壓器體積大大減小，變壓器的質(zhì)量約為工頻交流焊機的1/4～1/5，設(shè)備較輕巧。

4.5 焊接范圍擴大

通過試驗，對于同樣的鍍層鋼板，單相交流焊機可焊接110焊點，NIMAK中頻智能調(diào)控一體式焊鉗可焊接350個焊點，同時焊接無飛濺，焊接電流小、電極發(fā)熱量小、延長電極使用時間，焊接范圍更大。

5? 結(jié)束語

近年來，國內(nèi)許多知名的汽車企業(yè)都已將中頻智能調(diào)控一體式焊鉗技術(shù)應(yīng)用于轎車白車身焊裝線，中頻智能調(diào)控一體式焊鉗技術(shù)使用量已占60%以上。我們應(yīng)積極采用中頻智能調(diào)控一體式焊鉗技術(shù)，節(jié)約能源，降低我們的制造成本，讓我們公司的汽車產(chǎn)品更具市場競爭力。

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