自動點焊機器人電極修磨的探討

江松偉 王偉斌

關鍵詞：電阻點焊 電極修磨 電極端面檢測

1 電極端面對點焊質量的影響

電阻點焊以其生產效率高、成本低、適應性強等優點，廣泛用于白車身的焊接工藝。電阻點焊的原理，是通過加壓使電極及工件緊密貼合后通電焊接，通過電流流經工件和電極間產生的電阻熱使局部金屬被熔化形成液態熔核。斷電后，繼續保持壓力或加大壓力，使熔核在壓力下凝固結晶，形成組織致密的焊核。良好的電極端面，除了提供焊核形成所需的加壓力，塑造規整的焊點形狀態，更是焊接熱量保證的前提。故白車身自動化焊接生產線上，當機器人點焊達到設定的焊點數后就自動使用電極修磨器（圖2）上進行修磨、清理和整形。但由于焊接過程高溫高壓工況及電化學腐蝕作用下，電極端面可能劣化嚴重，或如鍍鋅材料嚴重堆積、合金化和端面燒損過深，或者修磨作業產生偏差，都可能導致電極修磨效果達不到預期。而根據統計數據，因電極端面修磨不良造成電阻點焊品質不良達到50% 以上。故有效對電極端面進行修磨和清理，保證其端面直徑和表面狀態始終保持在良好的狀態，在大規模的生產品質管理中至關重要。

2 電極劣化的主要形式

由于焊接過程中電極承受高溫高壓和電化學作用，電極材料應有足夠的高溫硬度與強度，其組織具有再結晶溫度高的特性，高溫抗氧化好，與焊件形成合金的傾向小。在一般的生產企業應用中大多數是采用銅合金，最典型的材料是鉻鋯銅（CuCrZr），擁有較高的硬度（160HV），較高的軟化溫度（550℃），良好的導電率（43ms/m）。按照劣化的表現，主要可以分為下面三類：

（1）電極端面直徑劣化：焊接過程中由于高溫高壓的作用，電極端面的逐漸磨耗，或是由于端面由于合金化剝離，都會造成對電極端面直徑變大，導致焊接過程電流密度減小，焊核減小，焊接不良發生;

（2）電極前端形狀劣化：由于高溫高壓工況，或電極過度使用和修磨，以及冷卻條件、被焊材料特性影響，電極前端可能產生塑性形變，導致端面形狀劣化和表面燒損嚴重燒損甚至凹陷起坑，影響焊接電流密度而導致焊接不良發生;

（3）電極端面導電性能劣化：焊接鍍鋅鋼板過程中，鍍鋅層融與電極形成Cu5Zn8（銅鋅）合金層，并逐漸覆蓋電極端面。依據參考文獻[1]，在焊接過程中，一方面合金層會從電極上剝落，造成電極端面凹陷，電極與工作接觸面變小且不規則，造成焊核區域壓力不足，焊接條件急劇惡化導致焊接不良。同時因合金層電阻較大析熱量大，加速了電極端面的磨損和形變，進一步惡化焊接條件。而在非鍍鋅板焊接條件下會好許多，但也會逐漸形成氧化層惡化焊接條件。

3 電極修磨的原理

電極修磨原理，是利用旋轉的修磨刀具對焊鉗上下電極做銑削運動，實現電極端面和電極錐面清理和整型，將劣化的電極，如上述電極直徑、電極前端形狀、端面導電性能劣化嚴重的電極，整型清理至良好的工作狀態。通常白車身自動化焊接生產線上，當機器人點焊達到設定的焊點數后就會自動去進行修磨。根據相關經驗，鋁板焊接時100點左右就需要進行修磨，鍍鋅板200-300 點比較合適，冷軋板則可以高達400-500 點。

電極修磨量是每一次修磨的切削量，在實際生產過程中，若切削量過大則可能縮短電極使用時間造成浪費，而切削量過小可能無法有效對電極進行清理和整形，故需要通過實踐驗證形成相關的管理基準，為實際生產提供指導。根據參考文獻[2] 可知，影響電極修磨量（Y）的主要參數有修磨刀轉速（X1）、修磨壓力（X2）、修磨時間（X3），其關系可以表示為Y=-0.24+6.95×10-5X1+1.23×10-4X2+0.05X3。其中，修磨轉速（X1）是指刀片切削的轉速，常用修磨轉速在150 ～ 300r/min，主要依據電極和修磨刀片的材質特性進行配合選擇。修磨時間（X2）是指修磨時焊鉗閉合至打開修磨刀片對電極切削整形的時間。修磨壓力（X3）指的修磨時焊鉗的閉合壓力，也是上下電極夾緊修磨刀的壓力。

修磨時間過短壓力過小，使修磨量少，修磨不干凈，還會引起電極在修磨刀上振動而導致刀片崩口;修磨時間長壓力過大，電極切削量過大造成浪費，也可能使刀片以及刀架提前損壞。對于鍍鋅板和冷軋板的焊接可參考每250 點修磨一次的方法，由于焊接次數較少合金層堆積不多，可使用1200N 的壓力對電極研磨0.3～0.5s，每次研磨掉的堆積層約僅0.1 毫米左右，兼顧電極成本、生產品質和生產效率。在實際生產過程中，為取得修磨效果和成本效率間的平衡，應參照修磨機廠家的轉速、時間和壓力推薦值進行設定，并依據產品具體情況和現場生產條件調試決定。

4 電極修磨常見問題

電極修磨效果對焊接強度有重要的影響，修磨不良可能焊接條件急劇惡化，造成焊點虛焊、熔核過小等批量的品質事故，尤其對于汽車大規模的自動化生產，任何一個細節的失誤都會放大并可能帶來嚴重的后果。對于可能出現的問題和整改措施如下：

常見問題（1）：機器人沒有正確執行電極切削作業。

可能原因：受電氣或機械故障導致修磨刀盤沒有進行切削作業，或機器人程序運行異?；驒C械故障，機器人未按要求執行焊鉗修磨作業，導致電極不能得到及時清理和整形。此類問題雖然發生概率極小，但隱蔽不易檢出，造成后果非常嚴重。

整改措施：

（1）在修磨裝置追加轉速感應器，通過轉速感應器對修磨裝器的工作狀態進行監控，當檢測到馬達未按設定轉動時，就會發出報警并停機。下圖為PLC 信號編寫情況：修磨器安裝了一個接近開關，修磨器不轉動時開關為ON 或者OFF 狀態，修磨器轉動時開關為ON、OFF 交替狀態。

如圖3 報警程序所示，當發出修磨指令后，如果0.5 秒內檢測開關一直處于ON（或者一直處于OFF）狀態，說明修磨器沒有轉動，判斷異常發出報警，如果開關為ON、OFF交替，則判斷正常，不會發出報警。

（2）在機器人主控程序上，設定電極修磨作業執行頻率，并對執行情況增加計數檢測程序。正常情況下，完成設定數量焊接作業后，機器人會執行電極自動修磨，修磨完成后，會將焊接計數清零。如果期間出現了異常，沒有正常執行修磨作業，累計焊接作業數量超出設定值后，判斷異常，發出報警并停機。

常見問題（2）：電極端面修磨量不足

可能原因：受電極表面合金層過厚影響，或是刀片磨損，刀片崩刃、切削銅屑粘附在刀片上導致未能正常切削，或是其它原因導致電極端面修磨量未能達到設定要求，電極端面清理和整型未達到預期效果。

整改措施：

（1）定期更換刀片，定期檢查修磨狀態，確保切削的效果。

（2）對于銅屑等異物粘附，追加吹氣除屑功能，并定期檢查。

（3）增加機器人槍軸修磨量檢測功能。我們可以應用機器人的槍軸計算功能，將每一次電極修磨量存放在寄存器內進行對比，檢測電極修磨量變化，計算并判斷電極端面的修磨量是否達到預期，如修磨量低于設定值則可能出現修磨不足的情況，判斷異常，設備停機報警。

如圖4，通過編寫電極修磨量檢測程序TIP1_DRS_CHECK，對電極修磨量進行監控，當低于設定值時解發報警。

常見問題（3）：電極端面合金層/ 氧化層清理干凈。

可能原因：受電極過度使用或工件表面異物，導致電極軟化墩粗或表面燒損凹陷、電極端面合金層過厚等原因，雖正常執行修磨作業，但電極端面清理和整型未達到預期效果。

整改措施：

（1）由于不同材料其電學特性、電阻特性都存在差異，如電極端面形成的氧化層/合金層，其電阻率遠大于電極材料銅合金。我們可以應用具備電阻檢測功能的焊接控制器，對焊鉗電極間電阻進行校驗，從而實現對電極修磨效果的監控。當電極端面殘留氧化層/ 合金層時，電極端面電阻率增大，導致檢測電阻增大，如果電極端面清理效果良好，無殘留氧化層/ 合金層時，電極端面電阻率較小，檢測電阻電會較小。

通過對機器人自動焊槍電極修磨前、修磨后的端面電阻值進行一定樣本量的采樣，確定修磨前、后的電阻值的典型波動范圍。如表1，修磨前電阻值在80～88μΩ，如修磨后電阻值在65～67μΩ，可設定檢測閥值為72μΩ。在焊接控制器軟件中設定修磨后電阻值（66μΩ）和報警閥值（< 109.1%），如下圖5。通過焊接控制器實時監控電極修磨異常的情況，當監控到電阻值超出閥值時，判斷電極清理和整理未達預期效果，此時觸發報警停機。

（2）目前行業內出現一種最新的電極端面檢測技術，應用光電反射技術，依據不同材料光學反射率的差異，實現對電極端面修磨效果進行更為直接的監控，能更有有效對修磨效果進行評價。其基本原理是修磨良好的電極表面光潔平整、形狀規則且呈亮銅色，而修磨不良的電極端面氧化層/合金層殘留，表面粗糙或變形、形狀不規則且顏色較深，兩者對光的反射能力和反射波段范圍有顯著的差異。

如下圖6 所示，通過前期采樣設定檢測閥值為3071，修磨良好的電極表面光潔，光線反射高，檢測值為4095（圖6 左），判斷通過。而修磨異常的電極由于氧化層殘留，表面粗糙，反射率低，此時檢測值為1371（圖6 右），遠低于設定閥值3071，判斷不通過，指示燈熄滅，同時觸發生產線報警停機。

5 結語

白車身是通過數以千計的焊點連接而成，焊點強度對車身的整體強度和剛性至關重要。在大規模的現代化的汽車生產制造，電極修磨不良則是造成焊接強度不良的最主要原因之一，嚴重時可能造成批量的品質事故。在自動化的生產過程中，應依據產品質量要求，制定合理的檢驗頻次和檢驗方法。同時對于過程設備，選擇合適的修磨器，設備合理的修磨參數，健全電極修磨效果的監控手段，對保證白車身焊接品質、提高工作效率、降低制造成本有重要的意義。