鈦合金波紋板滾焊設備的焊接質量分析及改進措施

李葆平

（貴州永紅航空機械有限責任公司，貴州 貴陽 550009）

目前，我公司鈦合金波紋板焊接使用的中頻滾焊機，由于鈦合金焊接產品價格昂貴，因此要求在產品焊接過程中焊接可靠、穩定，保證焊接質量。而目前經過試驗及產品驗證，焊接工藝使用密集點電阻焊能較好滿足焊接質量要求。但在焊接過程中，焊接設備經常由于自身的機械、電氣原因導致了以下兩個主要問題，影響了鈦合金波紋板焊接質量，甚至使整個產品報廢。

第一，滾焊機在焊接過程中常常會出現機頭在使用過程中定位不準確，造成產品磕碰傷及凌空放電燒穿波紋板，且不利于操作者監視調節。

第二，由于設備在整個焊接過程中，焊接壓力是由伺服力矩電機產生并經中間傳動等機械部件加載，由于傳動機械部件的安裝調整在運行過程中均會產生磨損及位置變動，造成機械部件阻力變化，從而導致設備焊接過程中引起實際焊接壓力的變化，引起焊接質量變化，嚴重時導致產品直接報廢且不易及時發現。

針對以上設備焊接時出現的問題分析如下。

1 滾焊設備電極定位不準

對于滾焊設備電極在焊接過程中定位不準導致產品磕碰及凌空放電燒穿產品。由于此臺設備采用了電動缸伺服電機的編碼器反饋，編碼器的精度在每8個脈沖1mm的精度，而我們操作過程中經常要求達到1mm精度定位要求，再加上定位方式使用的力距控制方式，沒有精準的位置糾正能力造成過沖，常常使電極頭位置控制達不到要求，當要求在焊接過程中準確將電極頭下放至鈦合金波紋板的槽時，常常因電極定位不準導致電極頭磕碰產品及放電擊穿波紋板，造成質量問題。為此，需提高電極頭定位精度，將編碼器反饋改成外置式的光柵尺位置反饋加上高速脈沖比較指令，提高反饋控制位置精度。光柵尺采用soxin STA:5-200，精度達到每個脈沖0.005mm，即使在過沖情況下，也能達到使用要求。

2 焊接壓力導致的質量問題

2.1 影響因素

對于焊接壓力引起的質量問題，當焊接設備所處的外部因素一旦確認，如焊接產品的材料、材料表面狀況、焊接時的環境溫度等，對產品的焊接影響也就完全確認了，因此焊接質量主要取決于焊接設備本身的可調整因素與電氣設定參數。

而設備焊接熱的產生及影響產熱的因素主要由公式：Q=I2RT決定。

（1）焊接電流I的影響。電流大小決定了熔核的焊透率，滾動的距離決定了重疊量，因焊點大小為3mm，按重疊量的誤差0.3mm來計算，在伺服使用鉗位功能的情況下，很容易達到這個精度。引起電流變化的主要原因是電網電壓波動和交流二次回路阻抗變化，電流大小與工件接觸面積及壓力的關系。該設備采用了PWM電流團環控制（機器會根據初級電流的實際大小來自動調整輸出脈沖寬度），在允許范圍內屬恒流性質，恒流能有效克服電網電壓波動和二次回路阻抗變化影響，能有效保證焊點溫度的穩定性。如果超出機器的允許范圍，則機器會報錯（允許調整范圍，因機器購入時選定的6萬安倍輸出，實際使用為8千安左右，即使用率在15%左右，脈沖寬度也就能從15%一直自動調整到80%）。

（2）焊接時間T的影響。焊接時間和休止時間，在恒電流的情況下，焊接時間直接控制著放出熱量的多少，時間變量性線性屬性，所以很容易為操作人員進行參數設定，在休止時間時馬達進行轉動，它可以用來控制重疊量。焊接時間與休止時間之比為1.25:1～2:1，可獲得滿意結果。當焊接速度（決定了滾輪與板件的接觸面）增加時，焊接間距增加，此時，要獲得重疊量相同的焊縫，就必須增大此比例。為獲得一定強度的焊點，可以大電流和短時間，也可小電流長時間，及考慮金屬的形成熔核所需的電流與時間，這可通過實際焊接質量測量來確定相應的焊接電流及焊接時間，由焊接參數進行設定。

（3）電阻R的因素。電阻R主要受焊接滾輪的材料有表面狀況，環境因素、焊接電極的壓力影響而變化，而焊接過程中只要確定了電極的材料及環境，材料及環境對R的影響在焊接過程中也基本保持不變，而電極的壓力的變化將使接觸電阻(R焊接=R材+R接觸)隨電極壓力的增大而減小和隨電極壓力的減少而增大，從而使焊接質量變化。電極壓力過大，會造成產品壓痕過深，壓力過小會引起飛濺，焊接強度降低，或因壓力不一致影響加熱，造成焊點強度的波動。

2.2 應對措施

從以上分析可知焊接壓力是保證焊接質量一大關鍵因素，而此設備在焊接時焊接壓力屬于開環控制，僅有電動缸產生設定壓力，且間接加載于電極頭，而焊接的實際壓力卻無法得知及控制。因此，為保證焊接時的焊接質量，可在焊接電極頭與電動缸連接處增加一荷載傳感器，荷載傳感器的測量范圍以電動缸的輸出力為基準進行選擇（電動缸輸出力為0～4000kg，輸入控制0～10V，采用美國sensotec公司荷載傳感器，型號：41/C830-01），用來檢測焊接壓力是否穩定及滿足要求，并與焊接過程控制程序相配合。通常在焊接循環中，需設定合適的電極壓力時間、預壓時間、焊接時間、冷卻時間、維持時間、休止時間等焊接參數，焊接通電時間必須在電極壓力達到要求后才允許進行放電焊接，否則提示焊接壓力存在問題，停止焊接，這樣可避免產品在焊接完成后不知道是否合格，造成成批的廢品，降低廢品率。有時為了改善焊接的性能，可在焊接過程控制程序中增加下列各項中的一個或多個過程。

圖1 PLC 控制流程圖

圖2 PLC端子接線圖

圖3 主電路及定位、壓力檢測電路

（1）加大預壓力以消除工件間的間隙，使之緊密貼合。

（2）用預熱脈沖提高金屬的塑性，使工件易于緊密貼合，防止飛濺。

（3）加大鍛壓力以壓實熔核，防止產生裂紋和縮孔等措施提高滾焊焊接質量。圖1～3是焊接過程控制程序流程圖及電路控制圖。

[1]焊接手冊.焊接方法及設備：第一卷，第二版[M].北京：機械工業出版社，2001.8.

[2]GJB481-88焊接控制質量要求.

[3]GJB 724A-1998 不銹鋼電阻點焊和縫焊質量檢驗.

[4]HB_Z 78-1984結構鋼和不銹鋼電阻點焊和縫焊工藝.

[5]HB_Z 5134-2000結構鋼和不銹鋼焊接工藝.