汽車行業(yè)焊接專業(yè)電阻點(diǎn)焊降飛濺淺析

熊明釗 唐曉雪 云雷

（一汽-大眾汽車有限公司成都分公司，成都 610100）

1 前言

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，焊接工藝在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，也越來越關(guān)注焊接時(shí)所產(chǎn)生的飛濺對設(shè)備和操作者造成的危害。焊接過程中產(chǎn)生的高溫飛濺附著在信號(hào)線、檢測開關(guān)等精密設(shè)備表面，會(huì)造成設(shè)備故障，造成停臺(tái)，降低設(shè)備開動(dòng)率。同時(shí)飛濺可能灼傷員工，甚至引發(fā)火災(zāi)，存在安全隱患；飛濺產(chǎn)生的粉塵會(huì)直接影響到操作者的身體健康，飛濺的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致焊接能量的丟失，需要焊接質(zhì)量控制模塊（The Integrated Quality Assurance System of the Weld Timer，PSQ）調(diào)整功能補(bǔ)償焊接電流和焊接時(shí)間來保證焊接質(zhì)量，這樣就造成了能源的浪費(fèi)和生產(chǎn)節(jié)拍的損失。

2 點(diǎn)焊飛濺產(chǎn)生的原因

如圖1所示，由于外部因素使焊核生長速度大于塑性環(huán)擴(kuò)展速度，金屬會(huì)沖破塑性環(huán)向外噴射形成飛濺，因此，產(chǎn)生飛濺的根本原因就是由于塑性環(huán)破裂或不完整，失去了對熔池金屬的包容作用。

圖1 塑性環(huán)和焊核

3 飛濺的分類

焊接飛濺根據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間（相對于焊接總時(shí)間）分為前期飛濺、中期飛濺和后期飛濺；根據(jù)飛濺發(fā)生的位置分為板間飛濺和外部飛濺。

板間飛濺一般發(fā)生在焊接前期，由于塑性環(huán)沒有形成，此時(shí)焊點(diǎn)如果加熱過快，使內(nèi)部金屬氣化，金屬便以飛濺形式向板間縫隙噴射，如圖2a所示；外部飛濺一般發(fā)生在焊接中后期，形成熔核后，如果焊接熱量過高，熔核徑向擴(kuò)展速度太快，在電極壓力作用下沖破塑性環(huán)向表面噴射形成外部飛濺，如圖2b所示[1]。

圖2 飛濺種類[1]

4 產(chǎn)生飛濺的因素以及應(yīng)對措施

飛濺產(chǎn)生的因素一般有以下3點(diǎn)（圖3），一是設(shè)備硬件存在缺陷，二是材料材質(zhì)方面限制，三是焊接參數(shù)使用不合格，其應(yīng)對措施也基本上是從設(shè)備硬件、材料、軟件參數(shù)等方面制定解決方案。

圖3 飛濺產(chǎn)生的因素

4.1 設(shè)備硬件方面

4.1.1 電極對中性不好

對中性不好的影響：導(dǎo)致電極與工件接觸異常，零件與電極帽端面貼合不佳造成塑性環(huán)扭曲，產(chǎn)生焊接飛濺。

應(yīng)對措施：每焊接120 000～140 000個(gè)點(diǎn)（數(shù)據(jù)來源試驗(yàn)數(shù)據(jù)）對上下電極桿對中性進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)整改處理，如圖4所示。

圖4 對中性不好

4.1.2 靜電極與工件不垂直

靜電極與工件不垂直的影響：導(dǎo)致電極與工件接觸異常，零件與電極帽端面貼合不佳造成塑性環(huán)扭曲，產(chǎn)生焊接飛濺，如圖5所示。

圖5 電極不垂直

應(yīng)對措施：每焊接120 000～140 000點(diǎn)（數(shù)據(jù)來源試驗(yàn)數(shù)據(jù)）對上下電極桿對中性進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)整改處理；更換動(dòng)靜電極桿后檢查靜電極與工件的垂直度；若某焊點(diǎn)突發(fā)飛濺，檢查電極對中性后，還需檢查靜電極與工件的垂直度。

檢查方法：可使用小型直角尺，測量靜電極4個(gè)方向的垂直度，在85～90°范圍內(nèi)視為合格；觀察焊點(diǎn)外觀，塑性環(huán)痕跡與焊點(diǎn)焊核是否同心，若焊核有擠壓，則將電極向擠壓方向調(diào)整。

4.1.3 靜電極與工件接觸分流、焊點(diǎn)咬邊

靜電極與工件接觸分流、焊點(diǎn)咬邊的影響：邊緣焊時(shí)塑性環(huán)不完整，靠近邊緣的一側(cè)為塑性環(huán)最薄弱部分，焊接時(shí)熔核金屬很容易從該處噴出形成飛濺。

應(yīng)對措施：項(xiàng)目前期根據(jù)焊接板材搭接寬度，選擇合適的電極帽尺寸或者銑刀刀片型號(hào)；優(yōu)化調(diào)整機(jī)器人焊接軌跡，使焊接焊點(diǎn)距離法蘭邊＞2 mm。

4.1.4 電極帽修模

電極帽修模的影響：電極帽端面在修模后，表面氧化層未銑削掉、端面不平整，在焊接的過程中接觸電阻變大，導(dǎo)致瞬時(shí)能量變大，破壞焊點(diǎn)塑性環(huán)產(chǎn)生飛濺，如圖6所示，應(yīng)對措施如下：

圖6 電極帽修模標(biāo)準(zhǔn)

a.電極修模后，空焊測試電阻，以檢查氧化層是否銑削掉；

b.制作輔助校具，保證銑削時(shí)靜電極與銑刀的同心性；

c.設(shè)置合適的修模最大焊點(diǎn)數(shù)（焊接高強(qiáng)度鋼時(shí)，最大焊點(diǎn)數(shù)應(yīng)設(shè)置小些）；

d.銑刀刀片壽命設(shè)置合理周期，達(dá)到最大修模次數(shù)時(shí)立即更換（以Ravitex公司的RX三刃刀片為例，銑刀刀片壽命為30 000次）。

4.2 材料方面

4.2.1 零件表面清潔度

零件表面清潔度低會(huì)造成焊接時(shí)接觸電阻增大，因而發(fā)熱量加大，形成飛濺。

應(yīng)對措施：控制上道工序外協(xié)件、自制件來件的油污以及其他雜物。

4.2.2 零件匹配狀態(tài)

對于一些厚板組合，特別是含高強(qiáng)鋼的組合，材質(zhì)較硬，工件間裝配易產(chǎn)生間隙，另外焊接規(guī)范區(qū)間窄，很容易產(chǎn)生焊接飛濺，應(yīng)對措施如下：

a.對零件匹配進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)板厚≤1.2 mm時(shí)，要求板間間隙≤0.8 mm；當(dāng)板厚＞1.5 mm時(shí)，要求板間間隙≤0.15 mm。針對零件實(shí)際匹配間隙大的位置及時(shí)進(jìn)行調(diào)整處理。

b.采用預(yù)熱預(yù)壓的焊接方式加大板材間的貼合度。

c.采用軟規(guī)范（小電流、長時(shí)間）。

4.2.3 零件材質(zhì)差異、板材間有填充材料（膠）

對存在表面處理的板材，由于表面鍍層厚度差異，相應(yīng)的焊接參數(shù)也不同，因此對于電鍍板，尤其是熱鍍鋅板在焊接過程中易出現(xiàn)焊接飛濺。若板材間有膠，在焊接過程中會(huì)出現(xiàn)電阻變化，產(chǎn)生飛濺。

應(yīng)對措施：采用預(yù)熱方式，增加板材的貼合度，提前破壞材料表面材料防止熱量增加速度過快；在參數(shù)中增加斜坡功能，采用強(qiáng)電流擊穿膠層。

4.3 參數(shù)選取要點(diǎn)

焊接參數(shù)設(shè)置一般依據(jù)板材類項(xiàng)、強(qiáng)度、厚度選擇合適的焊接電流、電壓、時(shí)間及電極壓力，可參考圖7。

圖7 焊接參數(shù)設(shè)定參考標(biāo)準(zhǔn)

參數(shù)設(shè)置需要遵循如下原則：

a.規(guī)范選擇：軟規(guī)范（小電流、長時(shí)間）——加熱時(shí)間長，溫度場合分布平穩(wěn)，塑性區(qū)寬，在焊鉗壓力的功效下不易發(fā)生形變，減少融核內(nèi)的噴濺，因此飛濺小；硬規(guī)范（大電流、短時(shí)間）——加熱時(shí)間短，溫度遞增快，溫度場合分布不穩(wěn)定，塑性區(qū)窄，在壓力下容易產(chǎn)生飛濺。

b.鍍鋅板材、材料厚等情況下，使用預(yù)壓、預(yù)熱功能；

c.增加斜坡可以使電流緩慢增加，降低前期飛濺；

d.增加脈沖焊接和冷卻，能防止焊接電流輸入過大；

e.開啟自適應(yīng)系統(tǒng)（UIR）調(diào)整功能、監(jiān)控功能，對焊點(diǎn)能量進(jìn)行監(jiān)控和補(bǔ)償。

5 減少焊接飛濺思路及步驟

5.1 焊點(diǎn)信息核對

主要核對信息如表1所示，主要作用如下：

表1 焊點(diǎn)核對信息

a.保證一個(gè)焊點(diǎn)使用只屬于它的一套參數(shù)；

b.保證有關(guān)于這個(gè)焊點(diǎn)的所有信息正確，在參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化時(shí)可以根據(jù)此信息采取合適焊接方式；

c.保證在優(yōu)化參數(shù)時(shí)參數(shù)修改的準(zhǔn)確性。

5.2 Bosch控制器飛濺記錄模式

Bosch控制器飛濺記錄在電壓電流調(diào)節(jié)器（Voltage/Current Regulator，UI）設(shè)置頁面，打開記錄模式[2]，在新打開的窗口中勾選需要記錄的控制器名稱（注意勾選了新記錄后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)刪除之前的記錄曲線），設(shè)置過程如圖8所示。

圖8 Bosch控制器模式

5.3 鎖定需優(yōu)化的焊點(diǎn)

Bosch控制器統(tǒng)計(jì)飛濺率結(jié)果如圖9所示。

圖9 飛濺率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

飛濺率為飛濺焊點(diǎn)數(shù)與總焊點(diǎn)數(shù)的比值。利用飛濺統(tǒng)計(jì)功能，確定出飛濺率高的焊點(diǎn)，優(yōu)先從飛濺率高的焊點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

5.4 根據(jù)焊接曲線確定飛濺類項(xiàng)

單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)電阻陡降一定比例的電阻值就認(rèn)定為有飛濺，經(jīng)驗(yàn)值是5 ms內(nèi)降低4%電阻。確定步驟如下：

步驟1：焊接總時(shí)間前1/3內(nèi)為早期飛濺，一般由于設(shè)備、匹配問題造成（參照前文，若硬件優(yōu)化無法消除，嘗試優(yōu)化參數(shù)）。焊接總時(shí)間后2/3為中后期飛濺，一般由于參數(shù)設(shè)置問題造成，如圖10所示（根據(jù)焊點(diǎn)所處信息，如板材厚度、是否有膠等信息優(yōu)化參數(shù)）。

圖10 飛濺分期曲線

步驟2：確?？刂破鬏敵鲭娏?、壓力穩(wěn)定，對于相差較大的參數(shù)進(jìn)行電流、壓力標(biāo)定。

步驟3：檢查焊鉗冷卻水流量（圖11）、溫度是否正常，冷卻循環(huán)水流量在合理范圍內(nèi)，保證焊鉗電極冷卻良好。

圖11 冷卻水流量計(jì)

步驟4：確保修模器工作正常，電極帽端面修模正常（銑掉氧化層、銑削同心），銑削步驟如下：

a.設(shè)定焊鉗修磨后電阻的檢測程序（空焊)。

b.根據(jù)焊接材料，每把焊鉗設(shè)定為最大焊點(diǎn)數(shù)（修模一次焊接的最大點(diǎn)數(shù)）。

c.根據(jù)每把焊鉗電極帽修模量，設(shè)定銑刀刀片的最大壽命數(shù)。

d.根據(jù)銑刀形狀，設(shè)計(jì)合適的輔具，使電極帽銑削同心，端面銑削更好。

步驟5：確保焊鉗電極對中性良好，靜電極與工件垂直度良好，無咬邊、分流。

a.可使用小型直角尺，測量靜電極4個(gè)方向的垂直度。

b.觀察焊點(diǎn)外觀，塑性環(huán)痕跡與焊點(diǎn)焊核是否同心，若焊核有擠壓，則將電極向擠壓方向調(diào)整。

5.5 開啟UIR自適應(yīng)功能補(bǔ)償焊點(diǎn)質(zhì)量

在飛濺消除后，開啟PSQ的調(diào)整功能，控制器根據(jù)相應(yīng)設(shè)置對飛濺焊點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)償，如圖12所示。

圖12 飛濺焊點(diǎn)能量補(bǔ)償曲線

6 BC316底板降飛濺優(yōu)化案例

6.1 使用斜坡功能

信息點(diǎn)：U1A11110R01機(jī)器人，焊點(diǎn)索引號(hào)3376焊 點(diǎn)5QL-800-710-P0017-N-0210-015800，板件組合為2 mm TL4225和1.2 mm TL4225 2層高強(qiáng)度鋼，板料間有膠。

配合焊接電阻曲線分析，板間有膠是產(chǎn)生飛濺的主要因素，因此增加斜坡功能，使用10 kA，20 ms短時(shí)強(qiáng)電流破壞膠層，然后通主焊接電流，參數(shù)設(shè)置如圖13所示[3]。

圖13 優(yōu)化前后參數(shù)對比

6.2 優(yōu)化電極垂直度

信息點(diǎn)：U2USTW2205R01機(jī)器人與2200R01為雙節(jié)拍工位，焊接同一處的23個(gè)焊點(diǎn)，2200R01飛 濺 率 為5.5%，2205R01飛 濺 率 為51.7%。對比這2個(gè)機(jī)器人相同焊點(diǎn)參數(shù)，未發(fā)現(xiàn)太大差異，且查看2205R01焊接曲線，飛濺均為早期飛濺，故先檢查并優(yōu)化此焊點(diǎn)對應(yīng)電極垂直度（圖14）。

圖14 使用直角尺配合調(diào)節(jié)靜電極與工件的垂直度

優(yōu)化效果：2205 R01點(diǎn)焊機(jī)器人整體飛濺率由51.7%降至20.4%，如圖15所示；展示了此機(jī)器人焊點(diǎn)飛濺率在80%以上的焊點(diǎn)飛濺率變化情況。

圖15 整體飛濺率優(yōu)化前后變化

6.3 使用預(yù)熱與脈沖功能

信息點(diǎn)：AB14160R02機(jī)器人，門檻下方區(qū)域焊點(diǎn)；鈑金匹配間隙狀態(tài)較差且間隙難以優(yōu)化到理想狀態(tài)，如圖16所示。

圖16 門檻下方區(qū)域焊點(diǎn)

優(yōu)化措施1：優(yōu)化前使用單次脈沖，分析發(fā)現(xiàn)飛濺主要產(chǎn)生在焊接前期約50 ms時(shí)及焊接中期約130 ms時(shí)；進(jìn)行第1次優(yōu)化，增加預(yù)熱，1次脈沖改為3次脈沖，如圖17所示。

圖17 焊接參數(shù)優(yōu)化前后設(shè)置

效果驗(yàn)證：優(yōu)化焊接參數(shù)之后，焊接飛濺集中在118 ms，如圖18所示；說明預(yù)熱階段在壓合鈑金之后第1個(gè)主焊接脈沖里發(fā)生飛濺，可能存在2種原因：焊接壓力不足、焊接能量過于集中。

圖18 焊接電阻監(jiān)控曲線

優(yōu)化措施2：增加壓力，由2.6 kN優(yōu)化為3.0 kN；降低焊接電流，由7.6 kA優(yōu)化為6.5 kA，同時(shí)焊接時(shí)間增加到400 ms，分4個(gè)脈沖，如圖19所示。

圖19 優(yōu)化后的焊接參數(shù)

效果驗(yàn)證：優(yōu)化焊接參數(shù)之后，該機(jī)器人整體飛濺率由43%降低到6.5%。

7 結(jié)論

a.在某項(xiàng)目中，改變傳統(tǒng)焊接飛濺統(tǒng)計(jì)的方法（目測），使用控制器的功能飛濺率統(tǒng)計(jì)，此方法更加準(zhǔn)確、直觀地為優(yōu)化焊接飛濺提供了方向與目標(biāo)。在此過程中，通過“電阻-時(shí)間”曲線分析，明確前期飛濺原因?yàn)樵O(shè)備與匹配問題，中后期飛濺原因?yàn)閰?shù)設(shè)置問題。經(jīng)過對產(chǎn)生焊接飛濺的原因深入分析，確定出變化（設(shè)備硬件、材料）與不變化（參數(shù)）的二元性因素，為長期保持焊接低飛濺率提供了方便簡潔的方法。

b.最優(yōu)參數(shù)建立在設(shè)備硬件以及零件狀態(tài)達(dá)到要求的前提下，此時(shí)飛濺率最低的狀態(tài)是參數(shù)最優(yōu)的設(shè)置，在今后長期的生產(chǎn)活動(dòng)中，飛濺率增高則說明是設(shè)備硬件或者零件狀態(tài)方面發(fā)生了變化，不要用參數(shù)彌補(bǔ)設(shè)備與零件的變化。

c.板材使用在參數(shù)使用方面，綜合節(jié)拍與飛濺率，高強(qiáng)度板材偏適于小電流長時(shí)間；鍍鋅板材偏適于大電流短時(shí)間；多層板材焊接工藝偏適于預(yù)熱預(yù)壓；板材夾雜膠料，偏適于斜坡、脈沖等焊接方式。

d.采用Bosch控制器PSQ的UIR功能，可以采集并生成焊接過程中的標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)電阻曲線，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)電阻曲線對高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊過程進(jìn)行恒功率補(bǔ)償，補(bǔ)償飛濺造成的能量損失。

e.通過UIR系統(tǒng)的監(jiān)控功能，可以有效監(jiān)控焊點(diǎn)質(zhì)量和焊接過程的穩(wěn)定性，有效保證批量生產(chǎn)過程中的點(diǎn)焊質(zhì)量。