特殊電極端面焊接質量、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：電流流經工件接觸面及鄰近區域時，由于電阻的存在會產生電阻熱效應，將工件加熱到熔化或塑性狀態，從而形成金屬結合。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 ），或通過優化焊接參數殊途同歸。主要是降低熱量的輸入、降低能量密度、降低單位時間內能量輸入的速度。

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

眾所周知，同材質，同條件下，材料導電面積越小電阻越大。只要減小薄板側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的電阻。保持電極端面直徑不變，改變電極的端面結構由原平面結構（見圖1），變為凹面結構（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時，焊接前期相對較小的接觸面積理論上提高了薄板側的能量密度，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，使用打磨設備對電極端面進行打磨，使端面產生內凹，然后隨機選取一臺焊接設備，更換手動處理電極，焊接前進行1次修磨。處理后的電極狀態如圖5所示，處理后電極焊接焊點狀態如圖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整與優化。

為使機器人自動修磨過程中電極端面能夠產生凹面的效果，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，中間偶發細小凸起。

經實物修磨驗證，凹面自動修磨可實現，但是修磨過程存在抖動情況，且偶發中間遺留小凸起。分析可能導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）凸起結構旋轉與電極橫向侵入，排屑不暢。

（2）第一輪焊接狀態本次焊接狀態試驗采用上述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 ）。

焊接參數見表1。

（3）第一輪結果分析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，導致電極中心存在小凸起，焊接過程中可能導致尖端放電的情況。修磨后外觀如圖10所示，電極凹面內存在不平整的情況。原因分析可能為修磨抖動導致。金相分析如圖11所示，因數據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據。

通過對比圖11照片數據可以得出以下結論：

1）A1/B1平面的電極融核距離薄板側明顯有一段距離。

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

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。

2.第二輪正式試驗

本輪試驗根據上一輪試驗所產生的問題，結合其他的驗證項，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，中間偶發細小凸起。

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

（2）第二輪焊接狀態本次焊接狀態試驗采用上述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， ） ，焊接參數見表2。

（3）第二輪結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照片數據可以得出以下結論：

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狀熔核（符合理論設想），但相同參數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。

3.第三輪正式試驗

本輪試驗根據第二輪試驗所產生的問題，結合其他的驗證項，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。

經過本輪優化后的刀片，實物修磨驗證實現凹面 自動修磨，修磨平順無抖動無小凸起。

（2）第三輪焊接狀態本次焊接狀態試驗采用上述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。板材搭接關系I為鍍鋅 + 熱壓 + 鍍鋅， 2 . 0+2 . 0+0 . 6 5 （mm）。焊接參數參考表2。

（3）第三輪結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.現場驗證

通過前面的試驗積累，現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，涉及的評價數據有目視飛濺點和設備自動采集飛濺率（共10點，每點數據約 2 0 ～ 3 0 條）。驗證前數據采集如圖17所示，更換刀片后數據采集如圖18所示，驗證前后數據對比如圖19所示。

通過對比數據，目視飛濺從10點降低到5點，效果提升 5 0 % ；設備自動采集的飛濺率從 3 5 . 5 % 降低到通過對比圖13照片數據可以得出以下結論：

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采用單次焊接，實際應用中通過參數優化應該可以解決。

2 1 . 2 % ，效果提升 4 0 % 。

關于焊點強度連續鑿檢3臺份合格，并持續觀察3個班次無異常。

結語

經過4輪試驗分析與驗證，電極凹面修磨實現了現場的小批量應用，驗證了凹面修磨刀片加工技術層面可行。凹面修磨可以實現穩定的修磨狀態；相同參數，當凹面焊接在薄板側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內是首次試驗與應用，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，對焊接質量車、飛濺控制、綠色環保作出更大的貢獻。

參考文獻：

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