特殊電極端面焊接質(zhì)量、飛濺控制研究

電阻焊是指利用電流通過焊件及接觸處產(chǎn)生的電阻熱作為熱源將焊件局部加熱，同時加壓進行焊接的方法。其工作原理是：電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域時，由于電阻的存在會產(chǎn)生電阻熱效應(yīng)，將工件加熱到熔化或塑性狀態(tài)，從而形成金屬結(jié)合。而本文的研究方向是改變電極端面的形狀，使電極在焊接過程中與板材的接觸逐步發(fā)生輕微變化，在一定程度上解決超板厚比下的焊接偏核和一定的焊接飛濺問題。

理論模型搭建

目前常見解決超板厚比搭接的辦法是不對等電極（一端6mm、一端 8 m m ），或通過優(yōu)化焊接參數(shù)殊途同歸。主要是降低熱量的輸入、降低能量密度、降低單位時間內(nèi)能量輸入的速度。

有沒有一種方法，以相對更小的焊接參數(shù)解決超板厚比偏核虛焊，降低飛濺的產(chǎn)生？除常見方法是否還有其他方法？

眾所周知，同材質(zhì)，同條件下，材料導(dǎo)電面積越小電阻越大。只要減小薄板側(cè)電極與焊接位置的接觸面積，就可以在焊接初段相對增大薄板側(cè)的電阻。保持電極端面直徑不變，改變電極的端面結(jié)構(gòu)由原平面結(jié)構(gòu)（見圖1），變?yōu)榘济娼Y(jié)構(gòu)（見圖2）。

1.理論分析

接觸面積越小，能量越集中且電阻越大。特殊凹面形狀形成一個壓力環(huán)對熔池進行控制。凹面電極理論焊接過程中，電極端面與板材接觸的變化過程如圖3所示。

對于車身，超板厚比搭接位置的薄板一般為鍍鋅板，當凹面在薄板鍍鋅側(cè)時，焊接前期相對較小的接觸面積理論上提高了薄板側(cè)的能量密度，在電阻增大的同時增大能量密度，可以有更好的焊接效果。而隨著焊接的不斷進行，焊接接觸面積會有一定量的增大，此時能量密度會有一定的降低，電阻會有一定的增大，即一定程度上降低了熱量的輸入，加上塑形環(huán)的作用可以更有利于對飛濺的控制。

為了更好地進行試驗，設(shè)計了試驗流程如圖4所示。

2．手工試驗

選取日常使用的電極帽，使用打磨設(shè)備對電極端面進行打磨，使端面產(chǎn)生內(nèi)凹，然后隨機選取一臺焊接設(shè)備，更換手動處理電極，焊接前進行1次修磨。處理后的電極狀態(tài)如圖5所示，處理后電極焊接焊點狀態(tài)如圖6所示。通過處理的電極焊接后焊點外觀較平常有些許差異，經(jīng)過鑿檢驗證焊點無開焊，手工驗證理論可行。

多輪試驗與分析

為保證正式試驗的順利，公司與魯茲公司進行了合作，共同對凹面電極修磨進行了研究分析。針對凹面修磨的可行性以及過程碰到的各種問題進行了一系列的調(diào)整與優(yōu)化。

為使機器人自動修磨過程中電極端面能夠產(chǎn)生凹面的效果，對修磨刀片的刃口進行了改進，如圖7所示，左為改進后的刃口，右為改進前的刃口。

1.第一輪正式試驗

本輪采用3組刀片，第1組為日常刀片，第2組為深0 . 2 m m 的凹面用刀片（單面），第3組為深 0 . 5 m m 的凹面用刀片（單面）。凹面修磨刀片如圖8所示。

（1）第一輪修磨狀態(tài)修磨驗證采用修磨壓力8 0 0 N ，修磨時間1s，觀察修磨的平順性和對電極的切削能力，試驗刀片采用單側(cè)改變。

第1組：修磨平順，切削干凈。

第2組：多次修磨抖動，切削基本干凈，中間偶發(fā)細小凸起。

第3組：多次修磨抖動較第2組嚴重，切削基本干凈，中間偶發(fā)細小凸起。

經(jīng)實物修磨驗證，凹面自動修磨可實現(xiàn)，但是修磨過程存在抖動情況，且偶發(fā)中間遺留小凸起。分析可能導(dǎo)致抖動的可能原因如下。

1）刀片凸起，侵入電極過程中阻力太大。

2）凸起結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)與電極橫向侵入，排屑不暢。

（2）第一輪焊接狀態(tài)本次焊接狀態(tài)試驗采用上述3組刀片，2種板材組合，每種板材10個焊點，焊接后對焊點進行金相檢測。板材搭接關(guān)系：I為鍍鋅 + 鍍鋅 + 鍍鋅， （ m m ）；Ⅱ為鍍鋅 + 熱壓 + 鍍鋅， 1 . 8+1 . 5+0 . 6 5 1 （ m m ）。

焊接參數(shù)見表1。

（3）第一輪結(jié)果分析6組試驗組合為： A1 = 第1組+ I ； A2 = 第2組 + I ； A3 = 第3組 + I ； B1 = 第1組 + I B 2 = 第2組 + π ； B3 = 第3組 + I 。焊點外觀如圖9所示，凹面的焊點外觀存在不平整的情況。原因分析可能為修磨抖動，導(dǎo)致電極中心存在小凸起，焊接過程中可能導(dǎo)致尖端放電的情況。修磨后外觀如圖10所示，電極凹面內(nèi)存在不平整的情況。原因分析可能為修磨抖動導(dǎo)致。金相分析如圖11所示，因數(shù)據(jù)照片較多且存在一些影響因素，照片只展示清晰且易于分析的對比數(shù)據(jù)。

通過對比圖11照片數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

1）A1/B1平面的電極融核距離薄板側(cè)明顯有一段距離。

2）A1-10/A2-10和B1-6/B2-6對比相同參數(shù)下凹面電極的融核更加偏向于薄板側(cè)。

3）A1-10/A3-8對比相同的焊接效果，凹面電極可以采用更小的焊接參數(shù)。

2.第二輪正式試驗

本輪試驗根據(jù)上一輪試驗所產(chǎn)生的問題，結(jié)合其他的驗證項，共采用2組刀片。第1組為日常刀片，第2組為深 0 . 2 m m 的凹面用刀片（雙面）。

（1）第二輪修磨狀態(tài)修磨驗證采用修磨壓力800N，修磨時間1s，壓力1000N，修磨時間1s，觀察修磨的平順性和對電極的切削能力，試驗刀片采用雙側(cè)改變。

第1組：修磨平順，切削干凈。

第2組：修磨抖動較重，切削基本干凈，中間偶發(fā)細小凸起。

經(jīng)實物修磨驗證，凹面自動修磨可實現(xiàn)，但是修磨過程存在抖動情況，且偶發(fā)中間遺留小凸起。分析可能導(dǎo)致抖動的原因與第一輪試驗相同。

（2）第二輪焊接狀態(tài)本次焊接狀態(tài)試驗采用上述2組刀片，2種板材組合，每種板材8個焊點，焊接后對焊點進行金相檢測。板材搭接關(guān)系：Ⅰ為熱壓 + 鍍鋅，（ 2 . 0+0 . 6 5 ） m m ；Ⅱ為鍍鋅 + 熱壓 ? + 鍍鋅， ） ，焊接參數(shù)見表2。

（3）第二輪結(jié)果分析試驗組合如下： A 1 = 第1組+ I ； A2 = 第2組 + I ； B1 = 第1組 + I ； B 2 = 第2組 + I 。焊點外觀如圖12所示，凹面的焊點外觀存在不平整的情況。原因分析同第一輪試驗。修磨后外觀同第一輪試驗。金相分析如圖13所示。

通過對比圖13照片數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

1）A1-7/A2-7雙凹面電極焊點較平常電極形成一個明顯面的環(huán)狀熔核（符合理論設(shè)想），但相同參數(shù)下兩層板焊接效果不如平常電極，同時對比第一輪也不如單凹面電極。

2）B1-7/B2-7雙凹面電極焊點金相顯示不如平常電極焊點狀態(tài)。

3.第三輪正式試驗

本輪試驗根據(jù)第二輪試驗所產(chǎn)生的問題，結(jié)合其他的驗證項，共采用2組刀片。第1組為深 0 . 2 m m 的凹面用刀片（單面）。第2組為深 ： 0 . 2 5 m m 的凹面用刀片（單面）。

（1）第三輪修磨狀態(tài)修磨驗證采用修磨壓力8 0 0 N ，修磨時間1s，觀察修磨的平順性和對電極的切削能力，試驗刀片采用單側(cè)改變。

第1組：修磨平順，切削干凈，凹面圓滑。

第2組：修磨平順，切削干凈，凹面圓滑。

經(jīng)過本輪優(yōu)化后的刀片，實物修磨驗證實現(xiàn)凹面 自動修磨，修磨平順無抖動無小凸起。

（2）第三輪焊接狀態(tài)本次焊接狀態(tài)試驗采用上述2組刀片，2種板材組合，每種板材8個焊點，焊接后對焊點進行金相檢測。板材搭接關(guān)系I為鍍鋅 + 熱壓 + 鍍鋅， 2 . 0+2 . 0+0 . 6 5 （mm）。焊接參數(shù)參考表2。

（3）第三輪結(jié)果分析試驗組合如下： A1 = 第1組+ I ； B1 = 第2組 + I 。焊點外觀如圖14所示，凹面的焊點外觀平整。修磨后外觀如圖15所示，本輪修磨后電極凹面平順，焊接后電極無異常。金相分析如圖16所示。

4.現(xiàn)場驗證

通過前面的試驗積累，現(xiàn)場抽取一個工位進行上機驗證。驗證過程中除試驗刀片為變量其他所有條件保持不變，涉及的評價數(shù)據(jù)有目視飛濺點和設(shè)備自動采集飛濺率（共10點，每點數(shù)據(jù)約 2 0 ～ 3 0 條）。驗證前數(shù)據(jù)采集如圖17所示，更換刀片后數(shù)據(jù)采集如圖18所示，驗證前后數(shù)據(jù)對比如圖19所示。

通過對比數(shù)據(jù)，目視飛濺從10點降低到5點，效果提升 5 0 % ；設(shè)備自動采集的飛濺率從 3 5 . 5 % 降低到通過對比圖13照片數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

1）凹面電極可形成良好的焊點。2）圖16中焊點金相存在氣孔和裂紋的問題，這里分析因為試驗參數(shù)采用單次焊接，實際應(yīng)用中通過參數(shù)優(yōu)化應(yīng)該可以解決。

2 1 . 2 % ，效果提升 4 0 % 。

關(guān)于焊點強度連續(xù)鑿檢3臺份合格，并持續(xù)觀察3個班次無異常。

結(jié)語

經(jīng)過4輪試驗分析與驗證，電極凹面修磨實現(xiàn)了現(xiàn)場的小批量應(yīng)用，驗證了凹面修磨刀片加工技術(shù)層面可行。凹面修磨可以實現(xiàn)穩(wěn)定的修磨狀態(tài)；相同參數(shù)，當凹面焊接在薄板側(cè)時可以在一定程度上解決薄板虛焊問題；對于焊接飛濺有控制作用。

電極凹面修磨在機器人自動點焊行業(yè)內(nèi)是首次試驗與應(yīng)用，希望本次研究能夠起到一個拋磚引玉的作用，在這一條新路上能夠不斷進步，對焊接質(zhì)量車、飛濺控制、綠色環(huán)保作出更大的貢獻。

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