中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)淺析

本文闡述了中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)的原理，并與傳統(tǒng)的工頻交流焊接模式進(jìn)行了對(duì)比。中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)通過監(jiān)測(cè)二次回路的電壓、電流，從而計(jì)算出電阻，并與一個(gè)合格的焊點(diǎn)電阻曲線（樣本曲線）進(jìn)行比較，根據(jù)電阻對(duì)比差異適時(shí)調(diào)整焊接電流及焊接時(shí)間來保證焊點(diǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性，顛覆了傳統(tǒng)通過事后撕裂試驗(yàn)獲得車身焊點(diǎn)質(zhì)量的控制方式。

通常每輛轎車白車身有4?000～5?000個(gè)焊點(diǎn)，因而點(diǎn)焊質(zhì)量與焊接效率對(duì)轎車的質(zhì)量與成本有著重要影響。電阻點(diǎn)焊是汽車制造中最主要的焊接方法，可以完成車身90%以上的裝配工作量。目前，國(guó)內(nèi)主流汽車廠不斷嘗試新型的焊接技術(shù)和設(shè)備來保證焊接質(zhì)量，總體可概況為3個(gè)轉(zhuǎn)變：從人工焊接向機(jī)器人自動(dòng)化焊接轉(zhuǎn)變;從采用工頻交流焊機(jī)向中頻直流焊機(jī)轉(zhuǎn)變;從采用氣動(dòng)焊鉗向伺服焊鉗轉(zhuǎn)變，力求保證焊接質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性，提高車身焊接質(zhì)量。

車身焊點(diǎn)質(zhì)量從工藝角度一般用NQST(白車身焊點(diǎn)強(qiáng)度質(zhì)量水平)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，歷來都是車身調(diào)試過程中的重點(diǎn)。就乘用車來說，一般NQST指標(biāo)為3‰，對(duì)應(yīng)的不合格焊點(diǎn)應(yīng)該控制在10個(gè)左右，對(duì)焊接控制要求很高，尤其是穩(wěn)定性要求更高。實(shí)際焊接過程中，板件搭接、表面粗糙度、電極磨損、分流和板材差異等工況變化使車身NQST成為調(diào)試及生產(chǎn)過程中難以控制的不確定因素?，F(xiàn)有的技術(shù)方式從人工到機(jī)器人、從工頻交流氣動(dòng)到中頻直流伺服，都只是從事前焊接姿態(tài)的一致性和焊接參數(shù)穩(wěn)定性去控制，過程中無法根據(jù)工況變化調(diào)整，難以滿足實(shí)際焊接需求，因而迫切需要一種能夠根據(jù)工況變化來自動(dòng)調(diào)整焊接參數(shù)的設(shè)備。中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)應(yīng)時(shí)而生，成為后續(xù)點(diǎn)焊焊接技術(shù)發(fā)展的新方向。

中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)原理

1.電阻焊

電阻焊又稱接觸焊，屬壓力焊范疇，是以電阻熱為能源的一類焊接方法。電阻焊是使工件處在一定電極壓力作用下，利用電流通過工件時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化，從而實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。電阻焊一般包括點(diǎn)焊、縫焊、凸焊和對(duì)焊等。電阻焊原理如圖1所示，其中a、b和c代表不同焊接電流的溫度曲線，c曲線焊接電流可滿足焊接質(zhì)量要求。

電阻焊焊接過程中電流產(chǎn)生的熱量可用Q=I2Rt來計(jì)算，Q為電極間產(chǎn)生的熱量，焊接質(zhì)量可通過控制公式中的I、R和t來實(shí)現(xiàn)。其中，I為焊接電流、t為焊接時(shí)間，二者可以通過焊接控制器來設(shè)置。R為電阻，主要是板件本身的材料特性及加壓力決定，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)，通常由實(shí)驗(yàn)得出;F為接觸壓力;m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，對(duì)點(diǎn)、線和面接觸分別取0.5、0.7和1。根據(jù)上述公式可以得出：Q=I2(R1+KC/Fm)t。

因此，焊接質(zhì)量的精確穩(wěn)定控制可以通過對(duì)I、F和t的精確控制來實(shí)現(xiàn)。

2.中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)

自適應(yīng)焊接技術(shù)也叫RAFT技術(shù)，即R(電阻)、A(自適應(yīng))、F(反饋)和T(技術(shù))。自適應(yīng)焊接技術(shù)是一種新型焊接技術(shù)，可以為了最好的焊接質(zhì)量而實(shí)時(shí)調(diào)整焊接電流和時(shí)間，可以監(jiān)測(cè)焊接過程并識(shí)別是否有偏離，監(jiān)控焊接設(shè)備并識(shí)別是否存在問題，同時(shí)可消除焊接產(chǎn)生的大量飛濺。它是通過檢測(cè)焊鉗二次回路的二次電流、電壓，在焊機(jī)中增加接觸反饋掃描并實(shí)時(shí)修正設(shè)備來實(shí)現(xiàn)此功能的。

如圖2所示，自適應(yīng)技術(shù)原理從硬件上來看主要是在焊鉗上增加二次電流、電壓測(cè)量接口，通過傳感器電纜接入到焊機(jī)控制器，從而可以實(shí)施測(cè)量焊接過程焊鉗兩端U、I和R的變化，并通過軟件動(dòng)態(tài)模擬焊接全過程U、I和R曲線，從而顯示在外接PC機(jī)上，便于人們直觀了解焊接全過程的質(zhì)量。

從軟件來看主要分為以下3步：

(1)模板焊點(diǎn)采集 正常模式下進(jìn)行焊接，通過優(yōu)化焊接電流、時(shí)間和壓力，消除飛濺并且完全保證良好的焊接質(zhì)量。

(2)樣本曲線建立 通過記錄一個(gè)或多個(gè)模板焊點(diǎn)焊接過程UIR曲線，擬合曲線平均值作為以后焊接的參考樣本。

(3)自適應(yīng)焊接調(diào)整 打開設(shè)備UI調(diào)整功能并設(shè)定監(jiān)控限值，焊接過程中監(jiān)控實(shí)際焊接UIR曲線，并與樣本曲線進(jìn)行適時(shí)對(duì)比，動(dòng)態(tài)調(diào)整焊接電流和焊接時(shí)間，確保焊接過程的穩(wěn)定性。

中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)可根據(jù)焊接環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調(diào)整焊接參數(shù)，提高焊接質(zhì)量，保證焊接精度及穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)UIR曲線監(jiān)控焊接過程質(zhì)量，消除焊接飛濺，降低使用成本，節(jié)能降耗，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

1.焊接能力

中頻自適應(yīng)焊接能力強(qiáng)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：對(duì)鍍鋅板、鍍鋁板、熱成形板(表面帶黑色氧化物)、With Sealer(密封膠)等各種板件非直接搭接狀況的焊接能力，質(zhì)量穩(wěn)定;對(duì)于不同板厚/超厚板的焊接、多層板(3～4)搭接或總板厚大于5?mm板件的焊接，一套規(guī)范可滿足焊接質(zhì)量。下面我們針對(duì)這兩方面，分別從板件膠焊、鍍鋅板焊接及板件組合變化來研究自適應(yīng)焊接技術(shù)能力。

(1)膠焊能力

以1.5+1.5?mm普通板材搭接進(jìn)行膠焊實(shí)驗(yàn)，在未涂點(diǎn)焊密封膠前焊接合格焊點(diǎn)作為樣本曲線，記錄其焊接參數(shù)。在板件間涂上點(diǎn)焊密封膠，采用未涂膠的焊接參數(shù)焊接70個(gè)試片，測(cè)量其焊點(diǎn)熔核直徑，5個(gè)試片一組取平均值，利用數(shù)值分析模擬焊點(diǎn)熔核直徑隨測(cè)試結(jié)果變化曲線如圖3所示。利用自適應(yīng)焊接技術(shù)進(jìn)行膠焊，實(shí)驗(yàn)焊點(diǎn)熔核合格，熔核直徑為5.78～8.02?mm，平均熔核直徑AVG=7.23?mm，STDEV=0.651?63?mm，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

(2)鍍鋅板多組合變化焊接能力

選擇2～3層，板厚從1.5?mm(0.75+0.75?mm)到6?mm(2+2+2?mm)不同組合的鍍鋅板作為試驗(yàn)對(duì)象，選擇最薄的0.75+0.75?mm板材作為樣本曲線，焊接質(zhì)量合格，作為樣本曲線下載到控制器中，并以此焊接參數(shù)進(jìn)行所選不同組合板材鍍鋅板的焊接，樣本曲線及組合變更后的實(shí)際自適應(yīng)曲線如圖4所示。圖4a是樣本UIR曲線，其中紅線代表電流曲線I，藍(lán)線代表電壓曲線U，綠線代表電阻曲線R，選擇焊接壓力2.6?kN，可以看出其焊接電流為10?kA，焊接時(shí)間為300?ms;圖4b是2+2+2?mm鍍鋅板組合實(shí)際自適應(yīng)UIR曲線，黑色是樣本電阻，其余紅藍(lán)綠曲線代表實(shí)際電流、電壓和電阻，可以看出由于板厚變大、實(shí)際監(jiān)測(cè)電阻增加，自適應(yīng)焊接曲線發(fā)生變化，焊接電流下降到8.2?kA，焊接時(shí)間延長(zhǎng)至570?ms，焊接質(zhì)量合格。

   本次試驗(yàn)的板件組合共12種，每種組合焊接5次，總計(jì)60個(gè)試片組合，測(cè)量其焊點(diǎn)熔核直徑，每組5個(gè)試片取平均值，利用數(shù)值分析模擬焊點(diǎn)熔核直徑隨測(cè)試結(jié)果變化曲線如圖5所示。利用自適應(yīng)焊接技術(shù)進(jìn)行鍍鋅板多組合焊接，實(shí)驗(yàn)焊點(diǎn)熔核合格，熔核直徑為5.86～8.50?mm，平均熔核直徑AVG=6.44?mm，STDEV=0.87?mm，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.環(huán)境撓動(dòng)適應(yīng)能力

中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)具有很強(qiáng)的焊接環(huán)境撓動(dòng)適應(yīng)能力，不同焊接環(huán)境變動(dòng)下都能夠得到可靠的焊接質(zhì)量，如焊接分流的影響、焊接壓力的變化、板件搭接不良、板厚板層變化、電極頭磨損、電極角度不垂直和不對(duì)中等。下面以電極頭磨損作為變化因素驗(yàn)證自適應(yīng)焊接技術(shù)環(huán)境適應(yīng)能力。

選擇全新電極頭，驗(yàn)證在電極頭不修磨時(shí)普通焊接技術(shù)與自適應(yīng)焊接技術(shù)焊點(diǎn)質(zhì)量對(duì)電極磨損的適應(yīng)能力。取130個(gè)1+1?mm的實(shí)驗(yàn)試片，每5個(gè)一組，過程中開合自適應(yīng)焊接模塊分別進(jìn)行每組試片焊接，測(cè)量各實(shí)驗(yàn)試片的焊點(diǎn)熔核直徑并取每組數(shù)據(jù)的平均值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用數(shù)值分析模擬焊點(diǎn)熔核直徑隨測(cè)試結(jié)果的變化曲線(見圖6)。圖6a是關(guān)閉自適應(yīng)功能時(shí)普通恒流焊接技術(shù)焊點(diǎn)熔核隨電極磨損變化曲線，圖6b是開啟自適應(yīng)功能是自適應(yīng)焊接技術(shù)焊點(diǎn)熔核隨電極磨損變化曲線，可以看出普通焊接技術(shù)在焊接第120點(diǎn)開始焊點(diǎn)熔核過小出現(xiàn)假焊，繼續(xù)焊接不能形成熔核，自適應(yīng)焊接技術(shù)熔核穩(wěn)定，質(zhì)量全部合格。

3.焊接質(zhì)量過程控制能力

中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)還可以通過對(duì)各種基本焊接參數(shù)值進(jìn)行公差帶的設(shè)定，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可監(jiān)控的基本參數(shù)包括電流、導(dǎo)通角、電極電壓、電阻、焊接時(shí)間和熱量。博士力士樂的中頻自適應(yīng)焊接控制器具備質(zhì)量過程控制能力，分別用兩個(gè)參數(shù)來概括焊接過程的參數(shù)變化：用PSF來表示焊接工藝穩(wěn)定性參數(shù)，用UIP來表示實(shí)際焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的參數(shù)。

(1)PSF監(jiān)控

PSF值反應(yīng)實(shí)際焊接曲線與標(biāo)準(zhǔn)樣本曲線差異大小，其基準(zhǔn)值為100%，范圍為0～100%，和標(biāo)準(zhǔn)的樣本曲線差異越大則PSF值越低，因而可以通過監(jiān)控實(shí)際焊接過程的PSF值來直觀地監(jiān)控焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。

在建立樣本曲線后，外部環(huán)境的變化往往引起實(shí)際UIR曲線的變化，如焊接壓力、裝配不良、板厚變化和板材涂層改變等，從而引起PSF值的變化。PSF值過低，代表焊接工藝穩(wěn)定性差，實(shí)際焊接環(huán)境相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)采集環(huán)境差異大，此時(shí)需要優(yōu)化焊接參數(shù)，重新對(duì)該點(diǎn)建立樣本曲線，減少環(huán)境差異對(duì)工藝參數(shù)穩(wěn)定性的影響。圖7所示為對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化前后的PSF值，優(yōu)化前PSF值為75～100，差異較大;優(yōu)化后PSF為95～100，工藝參數(shù)穩(wěn)定。

（2）UIP監(jiān)控

UIP值反應(yīng)實(shí)際焊接曲線與標(biāo)準(zhǔn)樣本曲線差異值大小，其基準(zhǔn)值為100%，范圍為0～200%，如UIP有偏小的趨勢(shì)，表示焊接質(zhì)量的降低;UIP過低意味著焊點(diǎn)熔核小;UIP過高也表示焊接質(zhì)量不佳，卻不一定是焊點(diǎn)熔核小，而是和焊點(diǎn)外形有關(guān)，最常見的是由于壓痕過深、焊點(diǎn)橢圓形、板材過厚或搭接間隙過大導(dǎo)致的焊接質(zhì)量不良，UIP過高意味著焊點(diǎn)外形不佳。

外部環(huán)境的變化引起實(shí)際UIR曲線變化的同時(shí)，不僅引起了PSF值的變化，同時(shí)還導(dǎo)致了UIP值變化，此時(shí)需要對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化。圖8所示為對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化前后的UIP值，優(yōu)化前UIP值為75～170，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定;優(yōu)化后UIP值為100～116，焊點(diǎn)質(zhì)量合格并且穩(wěn)定。

4.節(jié)能降耗

中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)在節(jié)能降耗上也有一定的優(yōu)勢(shì)。相比于傳統(tǒng)工頻焊接，中頻自適應(yīng)焊接能耗節(jié)省體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)中頻直流焊機(jī)，無回路感抗，功率因數(shù)提高，減少無功損耗。

(2)由于交流有過零轉(zhuǎn)換，其間會(huì)損失一定的能量。而直流電源持續(xù)加熱，能快速得到所需要的熱量。因此同樣板件組合形成合格熔核需要的焊接電流更小，從而節(jié)省單點(diǎn)能耗。

(3)現(xiàn)代車身制作技術(shù)中越來越廣泛地使用高強(qiáng)板、熱成形板、鍍鋅板、結(jié)構(gòu)膠和點(diǎn)焊密封膠等來提高車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及防腐性能，傳統(tǒng)焊接缺少過程質(zhì)量控制，為保證NQST指標(biāo)往往采用冗余焊接熱量的方法來確保焊接質(zhì)量，盲目加大電流和焊接時(shí)間的結(jié)果不僅浪費(fèi)能源，也會(huì)導(dǎo)致焊接過程飛濺多，甚至產(chǎn)生不合格焊點(diǎn)，導(dǎo)致焊點(diǎn)能耗升高，不合格焊點(diǎn)還需要額外增加返修費(fèi)用。

(4)中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)的焊接環(huán)境撓動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)，在電極頭磨損情況下，通過自適應(yīng)調(diào)整UIR曲線可以很好地保證焊接質(zhì)量，避免頻繁修模電極頭，提高電極壽命，降低維護(hù)成本。

中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)通過監(jiān)測(cè)二次回路的電壓和電流來計(jì)算電阻，并與一個(gè)合格的焊點(diǎn)電阻曲線(樣本曲線)進(jìn)行比較，根據(jù)電阻對(duì)比差異實(shí)施調(diào)整焊接電流及焊接時(shí)間，來提高焊接質(zhì)量，保證焊接精度及穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的焊點(diǎn)質(zhì)量NQST指標(biāo)只能通過事后進(jìn)行整車焊點(diǎn)撕裂實(shí)驗(yàn)來統(tǒng)計(jì)，自適應(yīng)焊接技術(shù)將焊點(diǎn)質(zhì)量控制從事后控制上升到事前過程控制，動(dòng)態(tài)UIR曲線監(jiān)控焊接過程質(zhì)量，利用PSF、UIP值來直觀反映焊接工藝穩(wěn)定性及焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的參數(shù)，并通過焊接參數(shù)優(yōu)化來提高焊點(diǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性，焊點(diǎn)NQST指標(biāo)可達(dá)0%，焊點(diǎn)全部合格。中頻自適應(yīng)焊接技術(shù)具有焊接能力、環(huán)境撓動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)以及焊接質(zhì)量過程可控等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)車身性能及輕量化趨勢(shì)發(fā)展要求，必將在國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。