電阻點焊在汽車車身焊接技術(shù)中的發(fā)展與應(yīng)用

夏華杰，張明玉，方健

奇瑞商用車安徽有限公司 安徽蕪湖 41000

1 序言

電阻點焊由于具有能量集中、操作簡單、生產(chǎn)率高和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于機械制造中，尤其在汽車車身焊接中被大量使用。隨著高強度鋼板和熱沖壓成形板的大量使用，對焊接接頭的質(zhì)量和可靠性也提出了更高的要求，因此如何采用更加精確的控制方法來監(jiān)控電阻點焊過程，以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要已經(jīng)成為了質(zhì)量控制研究的重點[1]。而國內(nèi)電阻點焊也由傳統(tǒng)的工頻焊接向中頻焊接、再到中頻自適應(yīng)焊接發(fā)展。

2 電阻點焊的工作原理

焊件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進行焊接的方法稱為電阻點焊（見圖1）。

圖1 電阻點焊原理

電阻點焊時產(chǎn)生的熱量由Q=I2Rt決定，其中，Q為產(chǎn)生的熱量，I為焊接電流，R為電極間電阻，t為焊接時間[2]。

（1）電阻R及影響R的因素 電阻R主要由板件本身的材料特性及施加壓力決定，可表示為R=R1（材料本身電阻）+R2（工件接觸電阻）。材料確定后，R1保持不變，R2隨接觸壓力變化關(guān)系可表示為R2=KC/Fm，其中，KC為與接觸材料、表面情況和接觸方式有關(guān)的系數(shù)，通常由試驗得出；F為接觸壓力；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)。根據(jù)上述公式可以得出：Q=I2（R1+KC/Fm）t。

（2）焊接電流的影響 從電阻點焊熱量公式可知，電流對產(chǎn)熱的影響比電阻和時間兩者都大。因此，在焊接過程中，它是一個必須嚴格控制的參數(shù)。引起電流變化的主要原因是電網(wǎng)電壓波動和交流焊機二級回路阻抗變化引起，阻抗變化是因為回路的幾何形狀變化或因在二級回路中引入不同量的磁性金屬導(dǎo)致的。

（3）焊接時間的影響 為了保證熔核尺寸和焊點強度，焊接時間與焊接電流在一定范圍內(nèi)可以相互補充。由熱量計算公式可以得出其與電阻一樣，也是正比于焊接熱量。對于某一固定的焊接環(huán)境，其電子控制設(shè)備可以控制的參數(shù)有焊接電流、焊接時間、電極壓力，因此，“電流”“時間”“壓力”稱為電阻點焊的三要素，決定著焊接質(zhì)量。

3 電阻點焊技術(shù)的應(yīng)用

電阻點焊系統(tǒng)主要由工件、焊接變壓器、控制器三大部分組成，控制箱是整個電阻點焊機的關(guān)鍵控制部分，整個焊機的功能范圍、焊接質(zhì)量和設(shè)備的可靠性基本上由控制箱決定。下面就車身焊接中常用的電阻點焊設(shè)備予以介紹。

3.1 工頻交流點焊機

工頻交流點焊機電路原理是其一次側(cè)串聯(lián)在控制主回路中，兩相交流380V的一端與主焊接變壓器的一端連接，另一端通過一對反并聯(lián)的晶閘管（可控硅）后與主焊接變壓器的另一端相連。通過控制這對反并聯(lián)的晶閘管的觸發(fā)延遲角，實現(xiàn)對主焊接變壓器二次側(cè)電流大小的控制。通過主焊接變壓器后的電源頻率（50Hz）沒有變化，但輸出交變的二級電流。

工頻交流點焊機的工作原理是電流經(jīng)過焊接變壓器，二次側(cè)會產(chǎn)生幾千至幾萬安培交變后的二級電流，該電流使相互接觸的焊件在焊接電極處產(chǎn)生巨大的熱能，熔化焊件金屬，冷卻后形成熔核，從而使焊件牢固結(jié)合[3]。

3.2 中頻直流點焊機

中頻直流點焊機電路原理是先將恒壓、恒頻的三相交流電經(jīng)全波整流、慮波后變成直流電，再用4個大功率的IGBT管逆變?yōu)樽儔鹤冾l的交流電，最后經(jīng)焊接變壓器降壓并二級整流，輸出可調(diào)節(jié)的直流焊接電源。如圖2所示，經(jīng)過變頻的電源頻率達到1000Hz以上（控制周期就僅為1ms），輸出平滑的二級電流。

圖2 中頻逆變焊接波形

中頻直流點焊機將工頻三相交流電進行三相橋式整流、濾波，然后將電流轉(zhuǎn)換成為單相直流波形，再通過IGBT開關(guān)電路，將直流波形轉(zhuǎn)換為方波并提升頻率到1000Hz以上，輸出給焊接變壓器，最后一次實現(xiàn)逆變（直流），用于電阻點焊。

3.3 中頻自適應(yīng)點焊機

中頻自適應(yīng)控制（SAIRS）是一種國內(nèi)應(yīng)用較少的焊接技術(shù)，它可以根據(jù)實時焊接質(zhì)量而調(diào)整焊接電流和時間，同步監(jiān)測焊接過程并識別是否有偏離，同時可最大程度地消除焊接產(chǎn)生的飛濺。

從硬件上來看，主要是在焊鉗上增加二次電流、電壓測量接口，通過傳感器電纜接入到焊機控制器，從而可以實施測量焊接過程焊鉗兩端U、I和R的變化，并通過軟件動態(tài)模擬焊接全過程U、I和R曲線顯示在外接PC上，便于人們直觀了解焊接全過程的質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 SAIRS焊接全過程UIR動態(tài)模擬曲線

SAIRS技術(shù)原理是在焊鉗二次回路上增加二次電流和電壓傳感器，通過監(jiān)測電阻的動態(tài)變化及時調(diào)整焊接電流和焊接時間，從而確保焊接能量、焊接直徑和焊接質(zhì)量。

（1）SAIRS使用方法 具體方法如下：

1）樣本UIR曲線采集。在恒流模式下，根據(jù)薄板組合方式和理論參數(shù)庫選取初版焊接參數(shù)，通過優(yōu)化焊接電流、時間和壓力，得到無飛濺且焊接質(zhì)量良好的合格焊點。在需要焊接的板件上焊接一個或多個合格焊點，從焊接資料波形圖里記錄這些焊點的焊接過程的UIR曲線，擬合曲線平均值作為以后焊接的參考樣本。

2）SAIRS設(shè)置。基值電流增量與基值電流成增幅關(guān)系，其設(shè)定是基于恒流模式針對薄板組合方式試焊，且每次按0.5kA增量增加焊接電流直至焊接過程出現(xiàn)飛濺，即產(chǎn)生飛濺時的最大電流。

焊接時間（無限）的設(shè)定是無動態(tài)電阻最大值時的焊接時間；最長焊接時間的設(shè)定是在設(shè)置能量限值時，自動延長的最長極限時間。

其他參數(shù)設(shè)置參見SAIRS設(shè)置說明。

3）SAIRS焊接調(diào)整。根據(jù)設(shè)定監(jiān)控限值打開設(shè)備UI調(diào)整功能，焊接過程中監(jiān)控實際焊接UIR曲線，并與樣本曲線進行適時對比，動態(tài)調(diào)整焊接電流和焊接時間，確保焊接過程的穩(wěn)定性。

（2）SAIRS焊接能力驗證 自適應(yīng)方式相對于恒流方式的最大特點是其能根據(jù)焊接工況變化動態(tài)調(diào)整焊接參數(shù)，下面以焊接實例，列舉不同焊接工況下的中頻自適應(yīng)焊機的補償控制能力。

舉例：焊接條件為SGARC590 1.4t×1.4t，加壓力300kgf（3000N），設(shè)定最適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)條件；焊點結(jié)果為焊核直徑6.7mm，拉伸載荷1.49tf（1tf=10×103N），焊點質(zhì)量為合格。圖4、圖5為合格焊點的撕裂實物及其UIR樣本曲線。

圖4 合格焊點的撕裂實物

圖5 合格焊點的UIR樣本曲線

1）分流焊接。焊接已焊過的兩個焊點間，是之前焊接部分有電流損失時的測試，焊點結(jié)果為焊核直徑6.3mm，拉伸載荷1.3tf，焊點質(zhì)量合格。圖6～圖8分別為焊點分流、焊點撕裂實物和焊點UIR曲線。

圖6 焊點分流

圖7 分流焊點撕裂

圖8 分流焊點UIR曲線

通過圖8可以看出，分流焊接比正常焊接的動態(tài)電阻最大值延遲、焊接時間增加以及電流值上升。其中，電阻最高值的檢測時間延遲實行焊接補償。

2）異物焊接。兩塊試板的中間夾入一張名片進行焊接測試，依據(jù)薄板組合方式和SAIRS參數(shù)的設(shè)置標準調(diào)試好焊接參數(shù)，焊接實物經(jīng)過檢測，焊核直徑達到7.0mm，拉伸載荷1.2tf，焊點合格。

通過外接PC上UIR曲線發(fā)現(xiàn)，焊接過程為先焊接時間延遲（除去異物），除去異物后再實行正常焊接。

3）三層焊接。采用兩層焊接時的同一焊接條件實行三層焊接時的補償控制測試，焊點結(jié)果為焊核直徑8.0mm，拉伸載荷1.35tf，焊點質(zhì)量合格。

通過圖9可以看出，兩層板焊接條件下的三層焊接時動態(tài)電阻最大值延遲、焊接時間增加、電流值上升，其中，電阻最高值的檢測時間延遲實行焊接補償。

圖9 三層焊接UIR曲線

4）厚度變化。焊接板厚度變更，以1.4t×1.4t變更為1.4t×0.7t的補償控制測試，焊點結(jié)果為焊核直徑7.0mm，拉伸載荷1.1tf，焊點質(zhì)量合格（見圖10）。

圖10 厚度變更后焊接實物

焊接板厚度變薄時比正常焊接的電阻最高點提前、焊接時間和電流值減少，其中，焊接時間和電流值減少，可防止焊接飛濺。

5）棱角焊接。焊接棱角部分的補償控制測試，焊點結(jié)果為焊核直徑6.5mm，拉伸載荷1.2tf，焊點質(zhì)量合格。焊接棱角比正常焊接的動態(tài)電阻最大值提前、焊接時間增加和電流值減少。其中，最小化電流增加，防止焊接飛濺，因焊接時間的延遲，所以需補償?shù)碗娏鳌?/p>

6）電極磨損。使用φ6mm電極的正常焊接和使用φ8mm電極的焊接補償控制測試，焊點結(jié)果為焊核直徑6.7mm，拉伸載荷1.5tf，焊點質(zhì)量也是合格的。電極磨損情況下焊接比正常焊接的動態(tài)電阻最高值延遲、焊接時間和電流值增加，其中由于電阻最高值的檢測時間延遲，因此需實行焊接補償。

通過以上焊接能力驗證，可以看出SAIRS焊機能根據(jù)焊接工況的變化適時做出焊接補償，因此具有良好的焊接能力、環(huán)境適應(yīng)能力和焊接質(zhì)量過程控制能力。

4 電阻點焊設(shè)備的應(yīng)用對比分析

三種電阻點焊接設(shè)備的應(yīng)用對比見表1。通過表1對比分析得出：

1）工頻交流焊機結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，適合于一些普通多層鋼板的焊接。

表1 三種電阻點焊機的應(yīng)用對比

2）中頻直流焊機相對工頻焊機為直流焊接，變壓器小型化，提高電流控制的響應(yīng)速度，實現(xiàn)工頻控制無法實現(xiàn)的焊接工藝，能夠?qū)θ嚯娋W(wǎng)平衡，中頻焊接的功率因數(shù)高，節(jié)能效果好。

3）中頻自適應(yīng)焊機相對于中頻直流焊機在車身焊接中有著更加明顯的使用優(yōu)勢，能根據(jù)實際焊接的工況變化動態(tài)調(diào)整焊接參數(shù)，解決了焊接過程中難以控制的不確定因素，又消除焊接飛濺，降低使用成本，節(jié)能降耗。對比工頻焊接和中頻焊接，自適應(yīng)焊接應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

5 結(jié)束語

中頻自適應(yīng)控制技術(shù)通過監(jiān)測二次回路的電壓和電流來計算電阻，并與一個合格的焊點電阻曲線（樣本曲線）進行比較，根據(jù)電阻對比差異實施調(diào)整焊接電流和焊接時間，將焊點質(zhì)量從事后控制上升到事前預(yù)防，提高了焊接質(zhì)量，保證了焊接精度及穩(wěn)定性。

中頻自適應(yīng)焊機不僅適應(yīng)多種材料的焊接而且能夠根據(jù)工況變化來自動調(diào)整焊接參數(shù)，其特有的焊接質(zhì)量過程可控等優(yōu)點完全適應(yīng)汽車車身性能及輕量化趨勢發(fā)展要求，將在汽車行業(yè)車身焊接中得到廣泛應(yīng)用。