汽車焊裝自動點焊飛濺問題分析及優化

摘要：對汽車白車身點焊飛濺原理進行闡述，之后進一步針對實際生產過程中的具體飛濺現象進行飛濺分析，并給出解決辦法及優化標準，對汽車焊裝點焊飛濺優化工作，具有一定的參考意義。

關鍵詞： 電阻點焊；焊接飛濺；飛濺率；博世焊接系統；UI

電阻點焊工藝，因其經濟可靠性，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，焊點總數量通常在6000左右。但是實際生產中，因為諸多因素的影響，焊接時會產生嚴重的飛濺現象。焊接飛濺不僅會導致焊點強度的降低，焊點擊穿等質量問題，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，降低了生產效率。并且，飛濺產生的毛刺，可能在后續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，成為焊裝工藝質量優化最重要的工作。

電阻點焊原理

電阻點焊，是通過焊槍電極將板材壓緊，然后通以電流產生電阻熱，進而使電極帽間的板材局部熔化。斷電后，繼續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，應盡量減小；R3是板材本身電阻，電流通過該電阻產生電阻熱，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。應適當的進行控制。

飛濺的原理

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

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

為詳細描述點焊焊接及飛濺過程，現通過一個現場實際焊接飛濺點的焊接曲線進行說明。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，接觸電阻已經到達最小值，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陡降，電流會出現陡升。

5號點時，博世焊接系統檢測到電阻陡降，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UI功能會繼續補償焊接熱量，焊接電流、壓力繼續施加，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，則博世焊接系統會報錯。

焊接飛濺優化思路

優先對汽車白車身外觀面處的焊接飛濺進行優化。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的飛濺率統計，對焊接飛濺進行整體優化。圖6為從與博世焊接控制柜相連的工藝屏中，導出的焊點飛濺率統計表格。之后應根據焊接飛濺率，從高到低順序進行優化。在實際具體優化過程中，需要對每個飛濺焊點的飛濺原因進行分析研究，以獲得解決方法。

飛濺的原因及優化方法

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，焊點一般會出現扭曲

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

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。焊點一般會出現扭曲。

一般要求電極與板材垂直度偏差在3°以內。實際調試過程中，從飛濺側看，焊槍需要往飛濺的方向調節垂直度，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，塑性環生長不完整，導致塑性環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，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。如果因為車身設計原因導致板材與電極帽干涉，造成邊緣焊，可以嘗試使用焊接軟規范，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，或對零件進行設變，增加板材搭接邊寬度。

4. 電極帽修磨后狀態不良

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，通過優化焊槍修磨姿態，調整修磨參數，例如增加修磨轉數、減小修磨壓力和增加單次修磨時修磨程序次數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，加強環一生產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，會導致其接觸面積變小，電阻和電流密度增大，塑性環過小。因此，融化的金屬就會通過板材間間隙噴出來。

首先應控制板材來料尺寸公差，并配合著調整夾具夾緊力，使板材間間隙控制在1mm內。同時，也需要合理規劃焊接順序，防止焊接變形導致更嚴重的飛濺。對于板材間隙過大而靜電極對應薄板的情況，可以調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：預壓，預熱，冷卻，第一次焊接脈沖，冷卻，第二次焊接脈沖，保壓。其中，預熱時間一般為50～100ms，預熱電流為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持續增長，有效避免了因熔核增長速度大于塑性環增長速度而產生的飛濺問題。

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，需要設置預熱焊接程序，預熱時間一般為120ms，預熱電流為2～3kA，來擊穿膠層。

8. 板材材質

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，也需要設置預熱焊接程序，預熱時間一般為120ms，預熱電流為2～3kA。

9. 博世控制柜輸出電流和壓力超差

由于焊接系統設備的老化或故障，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，輸出壓力在5%內。

如果輸出值超差，需要利用博世焊接控制軟件進行校準。設備維修團隊應制定控制計劃，每年對焊槍進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。這可能會導致博世系統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。為得到優質的電阻曲線，應注意以下六點。

1）采集電阻曲線前，應該首先給電極帽進行修磨，保證電極帽端面的光潔和平整。

2）應設置合理的修磨頻率，防止因為修磨后，焊點的點數過多，造成電極帽端面出現變形或點蝕，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確性。

3）應該對飛濺電阻曲線進行刪除。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，焊接飛濺嚴重，則應先解決飛濺問題，再采集曲線。

4）采集曲線前，應保證焊點外觀和強度符合要求。

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

6）有效電阻曲線條數至少需要20條。

11. 焊接參數不合理

焊接參數設置不合理，可能導致焊接熔核生長過快或過大，導致塑性環無法將其包裹，從而在焊接壓力的作用下飛濺出來。

焊接參數的設定，需要綜合考慮板材材質、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，通過修改焊接參數的方法來優化飛濺，是最后選擇的措施。因為無論是選擇軟規范、增加預熱或是選擇增加焊接脈沖次數的方法，都可能會增加總焊接時間，不利于生產節拍的優化，并且之后也需要進行如對焊點質量跟蹤驗證，重新采集焊接電阻曲線等工作。

結語

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