中频自适应焊接技术浅析

2018-08-14 16:32:00
陆启蒙
原创
1964

本文阐述了中频自适应 焊接技术的原理,并与传统的工频交流焊接模式进行了对比。中频自适应焊接技术通过监测二次回路的电压、电流,从而计算出电阻,并与一个合格的焊点电阻曲线(样本曲线)进行比较,根据电阻对比差异适时调整焊接电流及焊接时间来保证焊点质量的稳定性,颠覆了传统通过事后撕裂试验获得车身焊点质量的控制方式。

通常每辆轿车白车身有4 000~5 000个焊点,因而点焊质量与焊接效率对轿车的质量与成本有着重要影响。 电阻点焊汽车制造中最主要的 焊接方法,可以完成车身90%以上的装配工作量。目前,国内主流汽车厂不断尝试新型的焊接技术和设备来保证焊接质量,总体可概况为3个转变:从人工焊接向 机器人自动化焊接转变;从采用工频交流焊机向中频直流焊机转变;从采用气动焊钳向伺服焊钳转变,力求保证焊接质量的一致性和稳定性,提高车身焊接质量。

车身焊点质量从工艺角度一般用NQST(白车身焊点强度质量水平)作为评价指标,历来都是车身调试过程中的重点。就乘用车来说,一般NQST指标为3‰,对应的不合格焊点应该控制在10个左右,对焊接控制要求很高,尤其是稳定性要求更高。实际焊接过程中,板件搭接、表面粗糙度、电极磨损、分流和板材差异等工况变化使车身NQST成为调试及生产过程中难以控制的不确定因素。现有的技术方式从人工到机器人、从工频交流气动到中频直流伺服,都只是从事前焊接姿态的一致性和焊接参数稳定性去控制,过程中无法根据工况变化调整,难以满足实际焊接需求,因而迫切需要一种能够根据工况变化来自动调整焊接参数的设备。中频自适应焊接技术应时而生,成为后续点焊焊接技术发展的新方向。

中频自适应焊接技术原理

1.电阻焊

电阻焊又称接触焊,属压力焊范畴,是以电阻热为能源的一类焊接方法。电阻焊是使工件处在一定电极压力作用下,利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化,从而实现连接的焊接方法。电阻焊一般包括点焊、缝焊、凸焊和对焊等。电阻焊原理如图1所示,其中a、b和c代表不同焊接电流的温度曲线,c曲线焊接电流可满足焊接质量要求。

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电阻焊焊接过程中电流产生的热量可用Q=I2Rt来计算,Q为电极间产生的热量,焊接质量可通过控制公式中的I、R和t来实现。其中,I为焊接电流、t为焊接时间,二者可以通过焊接控制器来设置。R为电阻,主要是板件本身的材料特性及加压力决定,可表示为R=R1(材料本身电阻)+R2(工件接触电阻),材料确定后,R1保持不变,R2随接触压力变化关系可表示为R2=KC/Fm,其中KC为与接触材料、表面情况和接触方式有关的系数,通常由实验得出;F为接触压力;m为与接触形式有关的系数,对点、线和面接触分别取0.5、0.7和1。根据上述公式可以得出:Q=I2(R1+KC/Fm)t。

因此,焊接质量的精确稳定控制可以通过对I、F和t的精确控制来实现。

2.中频自适应焊接技术

自适应焊接技术也叫RAFT技术,即R(电阻)、A(自适应)、F(反馈)和T(技术)。自适应焊接技术是一种新型焊接技术,可以为了最好的焊接质量而实时调整焊接电流和时间,可以监测焊接过程并识别是否有偏离,监控 焊接设备并识别是否存在问题,同时可消除焊接产生的大量飞溅。它是通过检测焊钳二次回路的二次电流、电压,在焊机中增加接触反馈扫描并实时修正设备来实现此功能的。

如图2所示,自适应技术原理从硬件上来看主要是在焊钳上增加二次电流、电压测量接口,通过传感器电缆接入到焊机控制器,从而可以实施测量焊接过程焊钳两端U、I和R的变化,并通过软件动态模拟焊接全过程U、I和R曲线,从而显示在外接PC机上,便于人们直观了解焊接全过程的质量。

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从软件来看主要分为以下3步:

(1)模板焊点采集 正常模式下进行焊接,通过优化焊接电流、时间和压力,消除飞溅并且完全保证良好的焊接质量。

(2)样本曲线建立 通过记录一个或多个模板焊点焊接过程UIR曲线,拟合曲线平均值作为以后焊接的参考样本。

(3)自适应焊接调整 打开设备UI调整功能并设定监控限值,焊接过程中监控实际焊接UIR曲线,并与样本曲线进行适时对比,动态调整焊接电流和焊接时间,确保焊接过程的稳定性。

中频自适应焊接技术应用优势

中频自适应焊接技术可根据焊接环境变化动态调整焊接参数,提高焊接质量,保证焊接精度及稳定性,动态UIR曲线监控焊接过程质量,消除焊接飞溅,降低使用成本,节能降耗,应用优势明显。

1.焊接能力

中频自适应焊接能力强主要体现在以下两个方面:对镀锌板、镀铝板、热成形板(表面带黑色氧化物)、With Sealer(密封胶)等各种板件非直接搭接状况的焊接能力,质量稳定;对于不同板厚/超厚板的焊接、多层板(3~4)搭接或总板厚大于5 mm板件的焊接,一套规范可满足焊接质量。下面我们针对这两方面,分别从板件胶焊、镀锌板焊接及板件组合变化来研究自适应焊接技术能力。

(1)胶焊能力

以1.5+1.5 mm普通板材搭接进行胶焊实验,在未涂点焊密封胶前焊接合格焊点作为样本曲线,记录其焊接参数。在板件间涂上点焊密封胶,采用未涂胶的焊接参数焊接70个试片,测量其焊点熔核直径,5个试片一组取平均值,利用数值分析模拟焊点熔核直径随测试结果变化曲线如图3所示。利用自适应焊接技术进行胶焊,实验焊点熔核合格,熔核直径为5.78~8.02 mm,平均熔核直径AVG=7.23 mm,STDEV=0.651 63 mm,质量稳定可靠。

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(2)镀锌板多组合变化焊接能力

选择2~3层,板厚从1.5 mm(0.75+0.75 mm)到6 mm(2+2+2 mm)不同组合的镀锌板作为试验对象,选择最薄的0.75+0.75 mm板材作为样本曲线,焊接质量合格,作为样本曲线下载到控制器中,并以此焊接参数进行所选不同组合板材镀锌板的焊接,样本曲线及组合变更后的实际自适应曲线如图4所示。图4a是样本UIR曲线,其中红线代表电流曲线I,蓝线代表电压曲线U,绿线代表电阻曲线R,选择焊接压力2.6 kN,可以看出其焊接电流为10 kA,焊接时间为300 ms;图4b是2+2+2 mm镀锌板组合实际自适应UIR曲线,黑色是样本电阻,其余红蓝绿曲线代表实际电流、电压和电阻,可以看出由于板厚变大、实际监测电阻增加,自适应焊接曲线发生变化,焊接电流下降到8.2 kA,焊接时间延长至570 ms,焊接质量合格。

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    本次试验的板件组合共12种,每种组合焊接5次,总计60个试片组合,测量其焊点熔核直径,每组5个试片取平均值,利用数值分析模拟焊点熔核直径随测试结果变化曲线如图5所示。利用自适应焊接技术进行镀锌板多组合焊接,实验焊点熔核合格,熔核直径为5.86~8.50 mm,平均熔核直径AVG=6.44 mm,STDEV=0.87 mm,质量稳定可靠。

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2.环境挠动适应能力

中频自适应焊接技术具有很强的焊接环境挠动适应能力,不同焊接环境变动下都能够得到可靠的焊接质量,如焊接分流的影响、焊接压力的变化、板件搭接不良、板厚板层变化、电极头磨损、电极角度不垂直和不对中等。下面以电极头磨损作为变化因素验证自适应焊接技术环境适应能力。

选择全新电极头,验证在电极头不修磨时普通焊接技术与自适应焊接技术焊点质量对电极磨损的适应能力。取130个1+1 mm的实验试片,每5个一组,过程中开合自适应焊接模块分别进行每组试片焊接,测量各实验试片的焊点熔核直径并取每组数据的平均值作为基础数据,利用数值分析模拟焊点熔核直径随测试结果的变化曲线(见图6)。图6a是关闭自适应功能时普通恒流焊接技术焊点熔核随电极磨损变化曲线,图6b是开启自适应功能是自适应焊接技术焊点熔核随电极磨损变化曲线,可以看出普通焊接技术在焊接第120点开始焊点熔核过小出现假焊,继续焊接不能形成熔核,自适应焊接技术熔核稳定,质量全部合格。

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3.焊接质量过程控制能力

中频自适应焊接技术还可以通过对各种基本焊接参数值进行公差带的设定,对其进行实时监控,可监控的基本参数包括电流、导通角、电极电压、电阻、焊接时间和热量。博士力士乐的中频自适应焊接控制器具备质量过程控制能力,分别用两个参数来概括焊接过程的参数变化:用PSF来表示 焊接工艺稳定性参数,用UIP来表示实际焊点质量好坏的参数。

(1)PSF监控

PSF值反应实际焊接曲线与标准样本曲线差异大小,其基准值为100%,范围为0~100%,和标准的样本曲线差异越大则PSF值越低,因而可以通过监控实际焊接过程的PSF值来直观地监控焊接工艺参数的稳定性。

在建立样本曲线后,外部环境的变化往往引起实际UIR曲线的变化,如焊接压力、装配不良、板厚变化和板材涂层改变等,从而引起PSF值的变化。PSF值过低,代表焊接工艺稳定性差,实际焊接环境相对标准样本数据采集环境差异大,此时需要优化焊接参数,重新对该点建立样本曲线,减少环境差异对工艺参数稳定性的影响。图7所示为对工艺参数进行优化前后的PSF值,优化前PSF值为75~100,差异较大;优化后PSF为95~100,工艺参数稳定。

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(2)UIP监控

UIP值反应实际焊接曲线与标准样本曲线差异值大小,其基准值为100%,范围为0~200%,如UIP有偏小的趋势,表示焊接质量的降低;UIP过低意味着焊点熔核小;UIP过高也表示焊接质量不佳,却不一定是焊点熔核小,而是和焊点外形有关,最常见的是由于压痕过深、焊点椭圆形、板材过厚或搭接间隙过大导致的焊接质量不良,UIP过高意味着焊点外形不佳。

外部环境的变化引起实际UIR曲线变化的同时,不仅引起了PSF值的变化,同时还导致了UIP值变化,此时需要对焊接参数进行工艺优化。图8所示为对工艺参数进行优化前后的UIP值,优化前UIP值为75~170,焊接质量不稳定;优化后UIP值为100~116,焊点质量合格并且稳定。

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4.节能降耗

中频自适应焊接技术在节能降耗上也有一定的优势。相比于传统工频焊接,中频自适应焊接能耗节省体现在以下几个方面:

(1)中频直流焊机,无回路感抗,功率因数提高,减少无功损耗。

(2)由于交流有过零转换,其间会损失一定的能量。而直流电源持续加热,能快速得到所需要的热量。因此同样板件组合形成合格熔核需要的焊接电流更小,从而节省单点能耗。

(3)现代车身制作技术中越来越广泛地使用高强板、热成形板、镀锌板、结构胶和点焊密封胶等来提高车身结构强度及防腐性能,传统焊接缺少过程质量控制,为保证NQST指标往往采用冗余焊接热量的方法来确保焊接质量,盲目加大电流和焊接时间的结果不仅浪费能源,也会导致焊接过程飞溅多,甚至产生不合格焊点,导致焊点能耗升高,不合格焊点还需要额外增加返修费用。

(4)中频自适应焊接技术的焊接环境挠动适应能力强,在电极头磨损情况下,通过自适应调整UIR曲线可以很好地保证焊接质量,避免频繁修模电极头,提高电极寿命,降低维护成本。

中频自适应焊接技术通过监测二次回路的电压和电流来计算电阻,并与一个合格的焊点电阻曲线(样本曲线)进行比较,根据电阻对比差异实施调整焊接电流及焊接时间,来提高焊接质量,保证焊接精度及稳定性。传统的焊点质量NQST指标只能通过事后进行整车焊点撕裂实验来统计,自适应焊接技术将焊点质量控制从事后控制上升到事前过程控制,动态UIR曲线监控焊接过程质量,利用PSF、UIP值来直观反映焊接工艺稳定性及焊点质量好坏的参数,并通过焊接参数优化来提高焊点质量稳定性,焊点NQST指标可达0%,焊点全部合格。中频自适应焊接技术具有焊接能力、环境挠动适应能力强以及焊接质量过程可控等优点,适应车身性能及轻量化趋势发展要求,必将在国内外汽车行业得到广泛的应用。

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