(北京奔馳汽車有限公司，北京 100176)

Arplas焊接技術(shù)應(yīng)用及質(zhì)量控制

宋宏偉王子辰張秋花

(北京奔馳汽車有限公司，北京100176)

以北京奔馳汽車有限公司某車型Arplas焊接技術(shù)應(yīng)用為例，介紹Arplas焊接工藝過程及質(zhì)量控制方法，分析壓差的影響因素，引入本體噪聲的概念。對生產(chǎn)中出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行原理分析并采取預(yù)防措施。分析及實際生產(chǎn)表明，在合適的參數(shù)設(shè)置及質(zhì)量監(jiān)控下，Arplas焊是替代激光焊的有效方式。預(yù)壓壓力、壓差和焊接能量是Arplas焊接的重要參數(shù)，其中以壓差最為關(guān)鍵。凸臺、預(yù)壓、電極頭、焊槍本體噪音及電極臂導(dǎo)向塊均對壓差有影響。通過預(yù)防性維護(hù)及定期測試可以避免相關(guān)因素影響壓差，獲得真實的監(jiān)控結(jié)果。

車門阿普拉斯焊接質(zhì)量控制壓差

0 序 言

Arplas焊接技術(shù)以普通電阻點焊為基礎(chǔ)，其焊接過程類似于電阻點焊。但基于保證焊點足夠強度的同時，向工件輸入盡可能少的能量原則，Arplas焊接又同時采用了完全不同的工藝過程和參數(shù)。普通的電阻點焊焊接脈沖一般大于8個周期，焊接電流不超過12 kA，而采用Arplas焊接技術(shù)，焊接脈沖小于0.5個工頻周期，焊接電流可達(dá)15 kA。這樣可以在滿足焊接強度的同時，提高焊接效率，減少焊接熱應(yīng)力，避免工件變形。同時由于熱量較小，也無需水冷系統(tǒng)。焊縫背部表面不會出現(xiàn)熔核，故特別適用于外覆蓋件的焊接。

在北京奔馳汽車有限公司某車型中，對于車門窗框和玻璃滑道的焊接，全部采用了Arplas焊接技術(shù)。在中國汽車行業(yè)中，該項目對此技術(shù)應(yīng)用范圍最廣、時間最長。經(jīng)過合理規(guī)劃以及持續(xù)改進(jìn)，該技術(shù)被證明是激光掃描焊可行的替代方案[1]。相比于激光焊，Arplas一次性投入很小，生產(chǎn)穩(wěn)定性高，返修率很低。但其技術(shù)特點決定了Arplas對于水電環(huán)境、機械狀態(tài)及參數(shù)設(shè)置具有很高的敏感性，故需要采取各種手段進(jìn)行質(zhì)量控制。文中就此技術(shù)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的各種問題，討論質(zhì)量控制方法，并探究影響焊接壓差的技術(shù)細(xì)節(jié)。

1 焊接設(shè)備及材料

Arplas焊接系統(tǒng)可以分為兩部分：打沖凸系統(tǒng)(Dimple gun)和焊接系統(tǒng)(Arplas gun)[2]，如圖1所示。其中，沖凸系統(tǒng)用于在內(nèi)外板之間沖出根據(jù)板件厚度而不同高度的凸臺，如圖2所示。Arplas焊槍將電極頭覆蓋在凸臺上方，由于凸臺尖端接觸面積很小，故在短時間內(nèi)電流密度突然增加，熔化接觸面形成焊核[3]。

圖1 Arplas焊接設(shè)備

圖2 預(yù)制凸臺

母材所用鋼板為低碳鍍鋅鋼板，材質(zhì)為CR340LA，上下板板厚均為0.8 mm，采用搭接形式焊接。

2 Arplas焊接質(zhì)量控制因素

相較于其他焊接技術(shù)而言，Arplas焊接質(zhì)量控制參數(shù)較少，主要控制點在預(yù)壓壓力、壓差和焊接能量。預(yù)壓壓力將板件有凸臺的位置壓緊，從而保證電流僅從凸臺處流過形成焊接。壓差代表凸臺因為熔化而潰縮的高度。由于其與焊核尺寸有直接的對應(yīng)關(guān)系，故在質(zhì)量監(jiān)控中可以通過壓差來表征焊接狀態(tài)是否良好。焊接能量用于熔化凸臺與連接位置，能量的設(shè)置既要保證形成足夠的熔池，又要避免能量密度過高導(dǎo)致的熔池飛濺形成虛焊[4]。

在實際生產(chǎn)過程中，判斷焊點質(zhì)量最重要的依據(jù)即為壓差，而造成壓差波動的因素是非常復(fù)雜的。下面根據(jù)大量的實踐經(jīng)驗詳細(xì)介紹。

3 影響焊接壓差的因素及控制策略

3.1 凸臺的影響

凸臺的應(yīng)用是Arplas焊接最具特色的方面。凸臺的形狀和銳度經(jīng)過特殊設(shè)計，使之能夠保證在兩個工件之間形成符合強度要求的焊點，同時在未加工凸臺的那個工件上不留任何痕跡。凸臺的高度、對中度、銳度和位置對于壓差有直接的影響。

(1)高度的影響：對于0.6～0.8 mm板厚，凸臺高度應(yīng)為板厚的10%，在更換新凸臺后需測量實際高度，使用時當(dāng)凸臺高度值h比初始值降低0.1 mm時，需要更換新的沖頭和凹模。當(dāng)凸臺高度降低超過閾值時，尖端表面積加大，這會分散能量密度，造成凸臺潰縮量變小，從而無法形成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的焊核。此時，壓差會出現(xiàn)明顯降低。圖3是新凸臺在焊接30 000次過程中壓差的變化情況。除磨損外，凹模內(nèi)鋅屑或臟東西沉積；氣源壓力不足；沖凸系統(tǒng)合模時間太短(應(yīng)大于1.5 s)會對高度造成影響。

圖3 焊接次數(shù)與壓差的關(guān)系

(2)對中度：凸臺兩邊厚度應(yīng)相等，允許偏差為板材厚度的10%。否則，一側(cè)厚度變薄會顯著降低凸臺的強度，使其在預(yù)壓時發(fā)生潰縮，從而無法獲得有效焊接質(zhì)量。

(3)凸臺銳度：合適的銳度是得到合理電流密度和平穩(wěn)焊接過程的保證。圖4沖凸的尺寸規(guī)格相同，但圖4a為具有0.4 mm尖端R角的圖模，圖4b為不具有R角的凸模。當(dāng)具備R角時，凸臺可以承受預(yù)壓壓力而不會出現(xiàn)變形，故預(yù)壓曲線平穩(wěn)。不具備R角的凸臺，由于尖端面積過小，導(dǎo)致無法承受預(yù)壓壓力提前潰縮，預(yù)壓曲線出現(xiàn)臺階變化。預(yù)壓臺階的出現(xiàn)使得焊接階段板材接觸面積變大且不均勻，從而導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定及壓差變小。

(4)凸臺的位置：對于直接焊接方式，凸臺距離任意搭接零件需要在1.0 mm以上，焊接時上電極中心線與凸臺中心線基本重合，保證電極100%覆蓋凸臺。

圖4 不同規(guī)格凸模對比測量值

3.2 焊接預(yù)壓的影響

焊接預(yù)壓力F用于將上下板通過且只通過凸臺接觸，以形成符合尺寸要求的焊縫。對于機械手焊槍，焊接壓力F保持在900～1 400 N之間，對應(yīng)QCS值630～980。預(yù)壓力F的具體數(shù)值需要根據(jù)實際工況而定。壓力過小，無法形成有效接觸，產(chǎn)生飛濺，且易造成電極頭粘連；壓力過大，凸臺提前潰縮，增大接觸面積，同樣會導(dǎo)致壓差降低，質(zhì)量不合格。實際生產(chǎn)中需要旋轉(zhuǎn)壓力調(diào)節(jié)圓盤進(jìn)行試驗(一整圈改變焊接壓力300 N)以獲得最大壓差。

3.3 電極頭狀態(tài)的影響

電極頭用于導(dǎo)電并對工件進(jìn)行加熱焊接。電極頭出現(xiàn)任何形狀和位置的偏差，都會導(dǎo)致最終壓差不足，焊接過程失效。電極頭的使用壽命，因具體使用條件/電極尺寸不同而異；經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化和尺寸改進(jìn)，目前北京奔馳公司單電極頭更換周期可以達(dá)到30 000點。

為保證焊接質(zhì)量，需要每班次開班前檢查與清潔電極頭。檢查及清潔內(nèi)容包括：

(1)檢查并清理電極頭表面的油/膠等污染物，檢查電極頭是否對中并作調(diào)整。

(2)檢查電極頭是否有開裂，或焊接面臺階。相關(guān)問題會導(dǎo)致電流不能充分熔化凸臺，從而造成開焊。如發(fā)現(xiàn)類似情況需要及時更換電極頭并檢查對中。

(3)引入電極頭計數(shù)器。在焊接第27 000個焊點時，由QCS控制柜發(fā)出報警信號，經(jīng)由PLC連接至警示燈預(yù)留的白燈處，警示燈閃爍從而提醒工人進(jìn)行更換。報警燈及報警邏輯如圖5a～5b所示。

圖5 電極頭計數(shù)器報警燈及邏輯關(guān)系

3.4 焊槍本體噪音的影響

Arplas焊槍在氣缸、電極臂、伸縮桿處由于磨損、漏氣等原因會出現(xiàn)本體噪音，即當(dāng)沒有凸臺、未出現(xiàn)熔核時就有壓差存在。為確定此壓差的大小，需要進(jìn)行測試。

(1)準(zhǔn)備如圖6所示的圓形焊接試片，板厚與實際工件焊厚相同。將圖6a試片打凸臺，并用正常程序進(jìn)行焊接，記錄焊接曲線。圖6b試片不打凸臺，用同樣焊接參數(shù)焊接，記錄曲線并對比兩者壓差。

圖6 本體噪音測試對比試片

(2)獲取焊接測量參數(shù)見表1。對于同一程序，前三次無凸臺時焊接壓差為45～52 N，即64～74 N，而后三次正常凸臺焊接壓差為68～85 N，即97～121 N。這說明槍體本身在空運行時便會產(chǎn)生一部分壓差。

(3)連續(xù)測量十次無凸臺焊接壓差，按照貝塔分布計算背景噪音的數(shù)值，再加上10 N的焊接基礎(chǔ)壓差，將結(jié)果輸入閾值監(jiān)控參數(shù)作為壓差監(jiān)控的基準(zhǔn)。

表1 本體噪音測試測量參數(shù)

3.5 電極臂導(dǎo)向塊的影響

導(dǎo)向塊如圖7a所示，其作用為焊接時保證電極臂垂直伸縮，給工件足夠的壓力并保證焊接姿態(tài)。在實際生產(chǎn)中，由于焊槍的壓力很大，導(dǎo)致導(dǎo)向塊磨損嚴(yán)重，如圖7b所示。這時由于兩個導(dǎo)向塊間接觸面粗糙，會產(chǎn)生垂直分力，從而電極臂無法完全伸縮到位，實際壓差明顯減小甚至變?yōu)?。需要定期檢查導(dǎo)向塊的磨損狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)影響壓差需要立即更換。

圖7 電極臂導(dǎo)向塊

4 質(zhì)量控制方法

對Arplas焊接的質(zhì)量控制，主要有超聲波檢測及剔試兩種方法。

剔試即通過撕開焊接處板材，測量焊核尺寸，從而評估焊接質(zhì)量。由于Arplas凸起是矩形的，當(dāng)破壞性試驗焊點撕開的缺口面積達(dá)到凸起原始投影面積的80%時，則認(rèn)為焊點達(dá)到長度要求。

由于剔試方法檢測時間長、工作量大，并且成本較高，所以往往無法及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題[5]。實際生產(chǎn)中采用Miniscanner超聲波儀器檢測方式，合成C掃描影像，用以評估連接狀態(tài)。相比于廣泛應(yīng)用的焊縫輪廓線檢測系統(tǒng)，這種方式更為直觀精確[6]。圖8為掃描圖像。圖中紅色區(qū)域為單板回波，藍(lán)色區(qū)域為有效焊核。可以利用劃線方式直觀測量出焊核尺寸。為了得到準(zhǔn)確反映實際狀態(tài)的圖像，從而準(zhǔn)確判斷出焊接質(zhì)量，需要進(jìn)行正交對照試驗，并且合理地設(shè)置閘門和閾值。

圖8 Miniscanner掃描圖像

比如，由于焊接凸臺表面存在R角，如果出現(xiàn)鍍鋅層熔合的虛焊現(xiàn)象，在實際掃描圖像中往往由于散射而無法顯示回波。對于此種情況，應(yīng)該開啟焊核回波閘門的位置，以避免一次閘門處無回波而出現(xiàn)誤判。

5 結(jié) 論

(1)實際生產(chǎn)說明，在合適的參數(shù)設(shè)置及質(zhì)量監(jiān)控下，Arplas焊是替代激光焊的有效方式。預(yù)壓壓力、壓差和焊接能量是Arplas焊接的重要參數(shù)，其中以壓差最為關(guān)鍵。

(2)凸臺、預(yù)壓、電極頭、焊槍本體噪音及電極臂導(dǎo)向塊均對壓差有影響。通過預(yù)防性維護(hù)及定期測試可以避免相關(guān)因素影響壓差，獲得真實的監(jiān)控結(jié)果。

(3)通過定期采用超聲波及剔試檢測等質(zhì)量控制手段，可以及時發(fā)現(xiàn)焊接缺陷并采取相應(yīng)措施，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] 王詩洋,王旭友,滕 彬,等.激光全熔透工藝參數(shù)對不銹鋼焊接氣孔率的影響[J].焊接, 2015(6): 30-34．

[2] 任 濤,潘 青.阿普拉斯焊接技術(shù)及應(yīng)用[J].電焊機, 2014(8): 35.

[3] 張 峰,張慧敏. Arplas焊接系統(tǒng)在汽車行業(yè)的應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù), 2013(15): 109.

[4] 周振豐,張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987.

[5] 楊永波,崔 彤,秦偉濤,等.焊接機器人工作站系統(tǒng)中焊接工藝的設(shè)計[J].焊接, 2015(8):43-45.

[6] 劉 航,李志勇,任杰亮,等. 焊縫輪廓線激光檢測系統(tǒng)開發(fā)及算法實現(xiàn)[J].焊接, 2017(1):27-31.

TG438.2

2017-03-21

宋宏偉，1986年出生，碩士研究生。主要從事激光焊接及Arplas焊接工藝質(zhì)量的研究。