汽車焊裝自動點焊飛濺問題分析及優(yōu)化

摘要：對汽車白車身點焊飛濺原理進(jìn)行闡述，之后進(jìn)一步針對實際生產(chǎn)過程中的具體飛濺現(xiàn)象進(jìn)行飛濺分析，并給出解決辦法及優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，對汽車焊裝點焊飛濺優(yōu)化工作，具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞： 電阻點焊；焊接飛濺；飛濺率；博世焊接系統(tǒng)；UI

電阻點焊工藝，因其經(jīng)濟(jì)可靠性，成為汽車焊裝車間最常見的金屬板材連接工藝。一臺汽車白車身，焊點總數(shù)量通常在6000左右。但是實際生產(chǎn)中，因為諸多因素的影響，焊接時會產(chǎn)生嚴(yán)重的飛濺現(xiàn)象。焊接飛濺不僅會導(dǎo)致焊點強度的降低，焊點擊穿等質(zhì)量問題，而且飛濺到車身外表面的焊渣，需要人工打磨修整，進(jìn)而破壞了鍍鋅層，降低了車身的防腐蝕性能，增加了工人勞動強度，降低了生產(chǎn)效率。并且，飛濺產(chǎn)生的毛刺，可能在后續(xù)車間對操作工人造成劃傷。因此，在保證焊點強度前提下，降低焊接飛濺率，成為焊裝工藝質(zhì)量優(yōu)化最重要的工作。

電阻點焊原理

電阻點焊，是通過焊槍電極將板材壓緊，然后通以電流產(chǎn)生電阻熱，進(jìn)而使電極帽間的板材局部熔化。斷電后，繼續(xù)壓緊最終形成可靠的連接。電極之間各部分電阻相對大小，如圖1所示。

圖中，R1是電極本身電阻；R2是電極和板材之間的電阻，該部分電阻是無用電阻，該電阻過大會造成粘帽、飛濺、擊穿、壓痕深等缺陷，應(yīng)盡量減??；R3是板材本身電阻，電流通過該電阻產(chǎn)生電阻熱，生成融核；R4是板材間電阻，該電阻是點焊融核形成的開始點。過大易造成飛濺、擊穿等缺陷；過小則易造成小焊核、開焊。應(yīng)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行控制。

飛濺的原理

在焊接時，板材間接觸點會產(chǎn)生“塑性環(huán)”和“熔核區(qū)”。塑性環(huán)包裹著熔核區(qū)（見圖2）一起生長，使處在焊接壓力狀態(tài)下的熔融金屬液不會飛濺出去。但當(dāng)熔核的生長速度大于塑性環(huán)，或者熔核直徑生長到大于電極帽端面時，塑性環(huán)就無法對金屬液形成約束，進(jìn)而產(chǎn)生飛濺。

飛濺的分類

從位置來看，分為外表面飛濺（見圖3）和板材間隙飛濺（見圖4）；從飛濺時間來看，分為焊接前期飛濺和后期飛濺。

點焊焊接及飛濺過程

為詳細(xì)描述點焊焊接及飛濺過程，現(xiàn)通過一個現(xiàn)場實際焊接飛濺點的焊接曲線進(jìn)行說明。如圖5所示。

1號點時，焊槍開始通電流焊接，這時電阻、電流和焊接壓力瞬間上升，之后板材因為電阻熱開始加速塑性變形，板材貼合更緊密，鍍鋅層開始融合，因此電極帽之間的所有接觸電阻會下降，電阻曲線會下降。

2號點時，接觸電阻已經(jīng)到達(dá)最小值，之后因為電阻熱的不斷增加，板材本身的電阻開始上升，電阻曲線開始上升。同時，博世焊接系統(tǒng)檢測到實際電阻曲線比參考電阻曲線小，因此，為保證焊接熱量不變，UI功能開啟電流補償，實際電流曲線開始高于參考電流曲線。

3號點時，融核開始快速生長，電流通過的橫截面增大，電阻開始下降，電阻曲線下降。

4號點時，點焊飛濺發(fā)生。此時焊槍電極帽之間的部分板材金屬被噴出，因此電阻曲線和壓力曲線會出現(xiàn)陡降，電流會出現(xiàn)陡升。

5號點時，博世焊接系統(tǒng)檢測到電阻陡降，例如陡降超過4%，則焊接壓力開始補償，同時UI功能也會降低焊接電流至之前水平，從而防止飛濺過于嚴(yán)重。

6號點時，為了補償點焊飛濺帶來的熱量損失，博世焊接系統(tǒng)UI功能會繼續(xù)補償焊接熱量，焊接電流、壓力繼續(xù)施加，直至焊接總熱量滿足參考焊接要求。如果焊接時間延長至原來的1倍，總熱量仍然不能不合格，則博世焊接系統(tǒng)會報錯。

焊接飛濺優(yōu)化思路

優(yōu)先對汽車白車身外觀面處的焊接飛濺進(jìn)行優(yōu)化。由于汽車外觀面暴露在外，對其上的焊渣打磨返修，會對白車身板材的鍍鋅層造成破壞，影響后期車輛防腐性能。

也可以利用博世焊接控制系統(tǒng)的飛濺率統(tǒng)計，對焊接飛濺進(jìn)行整體優(yōu)化。圖6為從與博世焊接控制柜相連的工藝屏中，導(dǎo)出的焊點飛濺率統(tǒng)計表格。之后應(yīng)根據(jù)焊接飛濺率，從高到低順序進(jìn)行優(yōu)化。在實際具體優(yōu)化過程中，需要對每個飛濺焊點的飛濺原因進(jìn)行分析研究，以獲得解決方法。

飛濺的原因及優(yōu)化方法

1.電極不對中

焊槍制造尺寸不良、焊接粘槍、焊接時焊槍與焊裝夾具或板材存在干涉等，均會導(dǎo)致焊槍上下電極不對中（見圖7）的問題。焊接電極對中性不好，如圖7所示，會導(dǎo)致焊接時電極與板材的接觸面變小，從而使電阻和電流密度增大，引起飛濺。電極不對中時，焊點一般會出現(xiàn)扭曲

因此，上下電極帽對中偏差要求在1mm內(nèi)。超過1mm則需要人工對焊槍進(jìn)行校準(zhǔn)。設(shè)備維修保養(yǎng)部門，可制定電極帽對中檢查計劃，定期對焊槍進(jìn)行對中性檢查。

2.電極帽與板材不垂直

電極與板材不垂直，會導(dǎo)致電極與板材的接觸面過小，造成電阻和電流密度過大，從而引起飛濺。焊點一般會出現(xiàn)扭曲。

一般要求電極與板材垂直度偏差在3°以內(nèi)。實際調(diào)試過程中，從飛濺側(cè)看，焊槍需要往飛濺的方向調(diào)節(jié)垂直度，直至焊點外觀合格，為正常圓點為止。

3.焊點邊緣焊

焊點位于邊緣時，塑性環(huán)生長不完整，導(dǎo)致塑性環(huán)無法完全包裹受壓的金屬液體，從而引起飛濺。焊點邊緣焊（見圖8）的原因可能是板材搭接問題、板材切邊尺寸問題或是機器人焊接軌跡問題。

實際焊點位置相對于理論位置，偏差需要在5mm內(nèi)，且焊點中心到板材邊緣距離V需要滿足：V≥4.38√tmin+1.25，tmin為最小板材厚度。如果因為車身設(shè)計原因?qū)е掳宀呐c電極帽干涉，造成邊緣焊，可以嘗試使用焊接軟規(guī)范，即小電流，大時間，來消除飛濺問題；也可將大直徑電極帽更換為小直徑電極帽，或?qū)α慵M(jìn)行設(shè)變，增加板材搭接邊寬度。

4. 電極帽修磨后狀態(tài)不良

電極帽修磨后，由于電極帽端面直徑過小、上下電極貼合不良（見圖9）、電極端面不平整或者氧化層修干凈，在點焊過程中，電阻和電流密度過大，引起飛濺。此時所成焊點的外觀也不平整。

在保證修磨刀片型號正確，修磨刀片沒有過大磨損和修磨刀片修磨時沒有銅屑堵塞的前提下，通過優(yōu)化焊槍修磨姿態(tài)，調(diào)整修磨參數(shù)，例如增加修磨轉(zhuǎn)數(shù)、減小修磨壓力和增加單次修磨時修磨程序次數(shù)等來解決修磨后的端面問題。

5. 板材表面不清潔

板材表面油污嚴(yán)重（見圖10），造成電極帽與板材之間的接觸電阻增大，局部的接觸也使電流密度增大，引起飛濺。

通過控制沖壓廠來件油污問題，加強環(huán)一生產(chǎn)上件時外觀檢查和油污清理工作，可有效解決板材油污帶來的飛濺問題。

6. 板材匹配間隙問題

板材之間間隙過大，會導(dǎo)致其接觸面積變小，電阻和電流密度增大，塑性環(huán)過小。因此，融化的金屬就會通過板材間間隙噴出來。

首先應(yīng)控制板材來料尺寸公差，并配合著調(diào)整夾具夾緊力，使板材間間隙控制在1mm內(nèi)。同時，也需要合理規(guī)劃焊接順序，防止焊接變形導(dǎo)致更嚴(yán)重的飛濺。對于板材間隙過大而靜電極對應(yīng)薄板的情況，可以調(diào)整焊接時靜電極帽的位置，焊接前減小板材間的貼合間隙。

另外，也可以采用增加預(yù)熱、多脈沖或軟焊接的方法解決飛濺。比如對于熱成型鋼板或者鍍鋅板材，可以采用如下順序的焊接程序減輕飛濺：預(yù)壓，預(yù)熱，冷卻，第一次焊接脈沖，冷卻，第二次焊接脈沖，保壓。其中，預(yù)熱時間一般為50～100ms，預(yù)熱電流為8～10kA。第一次和第二次焊接脈沖的時間之和，大致等于原來只有一次焊接脈沖程序的時間。冷卻時間一般為40～50ms。在冷卻期間，熔核大小無變化而塑性環(huán)持續(xù)增長，有效避免了因熔核增長速度大于塑性環(huán)增長速度而產(chǎn)生的飛濺問題。

7. 板材間有膠

為提高車身的防腐、密封和降噪等作用，板材之間常涂有膠。但焊接時，因為板材間膠的存在，會導(dǎo)致板材間接觸電阻增大，造成飛濺。

為減輕飛濺，首先需要增加預(yù)壓時間，使膠在焊接前盡可能多的擠出焊點外，保證板材間的良好接觸。另外，需要設(shè)置預(yù)熱焊接程序，預(yù)熱時間一般為120ms，預(yù)熱電流為2～3kA，來擊穿膠層。

8. 板材材質(zhì)

對于高強鋼（Re≥210MPa）和超剛強鋼（Re≥400MPa）板材，由于其表面粗糙，因此接觸電阻過大，造成飛濺。

為減輕飛濺，也需要設(shè)置預(yù)熱焊接程序，預(yù)熱時間一般為120ms，預(yù)熱電流為2～3kA。

9. 博世控制柜輸出電流和壓力超差

由于焊接系統(tǒng)設(shè)備的老化或故障，焊槍輸出電流和壓力可能會超過允許偏差范圍。一般要求機器人自動焊槍輸出電流偏差在3%內(nèi)，輸出壓力在5%內(nèi)。

如果輸出值超差，需要利用博世焊接控制軟件進(jìn)行校準(zhǔn)。設(shè)備維修團(tuán)隊?wèi)?yīng)制定控制計劃，每年對焊槍進(jìn)行至少一次的電流和壓力輸出值檢測。

10. UI曲線不合適

由于焊接工況的變化，在博世焊接軟件的UI功能模塊中，得到的實際電阻曲線可能和之前采集的參考曲線有較大的差異。這可能會導(dǎo)致博世系統(tǒng)過量的補償焊接電流和時間，從而造成飛濺。

這種情況需要刪除原有電阻曲線，重新采集新的電阻曲線。為得到優(yōu)質(zhì)的電阻曲線，應(yīng)注意以下六點。

1）采集電阻曲線前，應(yīng)該首先給電極帽進(jìn)行修磨，保證電極帽端面的光潔和平整。

2）應(yīng)設(shè)置合理的修磨頻率，防止因為修磨后，焊點的點數(shù)過多，造成電極帽端面出現(xiàn)變形或點蝕，引起電極帽和板材間的接觸電阻增大，從而影響板材間有效焊接接觸電阻采集的準(zhǔn)確性。

3）應(yīng)該對飛濺電阻曲線進(jìn)行刪除。該類曲線可以通過焊接電阻和焊接壓力曲線的突然下降來判別。如果恒流焊接模式下，焊接飛濺嚴(yán)重，則應(yīng)先解決飛濺問題，再采集曲線。

4）采集曲線前，應(yīng)保證焊點外觀和強度符合要求。

5）在焊接結(jié)束時，電阻曲線不是平緩狀態(tài)，而是持續(xù)上升或下降，說明焊核仍在形成中，焊核大小可能不達(dá)標(biāo)，則曲線不能被采集使用。

6）有效電阻曲線條數(shù)至少需要20條。

11. 焊接參數(shù)不合理

焊接參數(shù)設(shè)置不合理，可能導(dǎo)致焊接熔核生長過快或過大，導(dǎo)致塑性環(huán)無法將其包裹，從而在焊接壓力的作用下飛濺出來。

焊接參數(shù)的設(shè)定，需要綜合考慮板材材質(zhì)、板材涂層、板材搭配、板材厚度、電極帽端面大小和板材之間有無膠等因素。一般情況來說，通過修改焊接參數(shù)的方法來優(yōu)化飛濺，是最后選擇的措施。因為無論是選擇軟規(guī)范、增加預(yù)熱或是選擇增加焊接脈沖次數(shù)的方法，都可能會增加總焊接時間，不利于生產(chǎn)節(jié)拍的優(yōu)化，并且之后也需要進(jìn)行如對焊點質(zhì)量跟蹤驗證，重新采集焊接電阻曲線等工作。

結(jié)語

點焊飛濺優(yōu)化是一個需要長期進(jìn)行的質(zhì)量改善工作。雖然筆者根據(jù)多年工作經(jīng)驗，在本文中詳細(xì)分析闡述了點焊飛濺的原因和優(yōu)化思路，但是由于焊接工況的復(fù)雜性，在實際焊接飛濺優(yōu)化過程中，還需要具體問題具體分析。在生產(chǎn)過程中，只要不斷利用PDCA循環(huán)工作法，點焊飛濺率一定能得到有效降低。