汪飛　葉少劍　田永強(qiáng)　李松　李宏

摘 要：由于生產(chǎn)效率高、焊接穩(wěn)定，機(jī)器人點(diǎn)焊越來(lái)越廣泛運(yùn)用于汽車車身生產(chǎn)制造中，如何降低機(jī)器人火花飛濺成為各大汽車主機(jī)廠的重大課題。本文結(jié)合某車型生產(chǎn)實(shí)際，從飛濺產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，分析了飛濺產(chǎn)生的各種影響因素。從電極修磨、焊槍垂直度調(diào)試、焊接參數(shù)等三個(gè)主要方面進(jìn)行優(yōu)化，將飛濺率由36.24%降為8.26%，明顯控制了飛濺現(xiàn)象，又提升了焊點(diǎn)的品質(zhì)，減少了后工序打磨時(shí)間，有效提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人點(diǎn)焊 飛濺 焊接參數(shù) 控制

Research on Spatter Control of Robot Resistance Spot Welding

Wang Fei Ye Shaojian Tian Yongqiang Li Song Li Hong

Abstract：Due to high production efficiency and stable welding， robot spot welding is more and more widely used in automobile body production. How to reduce robot spark splash has become a major issue for major automobile OEMs. Based on the actual production of a certain car model， this paper analyzes various influencing factors of splash from the mechanism of splash. Optimized from three main aspects： electrode grinding， welding torch verticality adjustment， welding parameters， etc.， the spatter rate was reduced from 36.24% to 8.26%， which obviously controlled the spatter phenomenon， improved the quality of the solder joints， and reduced the subsequent polishing process， and the production efficiency was effectively improved.

Key words：robotic spot welding， spatter， welding parameters， control

1 引言

一輛白車身約有4000-6000個(gè)焊點(diǎn)，電阻點(diǎn)焊因其使用成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，廣泛運(yùn)用于焊裝車間生產(chǎn)制造中。電阻點(diǎn)焊完成了白車身90%以上的裝配工作量，是車身裝配的主要連接方式。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人逐步代替人工焊接，越來(lái)越多的使用于點(diǎn)焊工藝中。以廣汽集團(tuán)乘用車（杭州）有限公司焊裝車間為例，主線焊接自動(dòng)化率已經(jīng)達(dá)到100%，整車焊接自動(dòng)化率70%左右。隨著工業(yè)機(jī)器人的大規(guī)模運(yùn)用，自動(dòng)化電阻焊焊接時(shí)產(chǎn)生的火花飛濺（圖1）導(dǎo)致的焊接品質(zhì)不良，往往是一種影響自動(dòng)化效率的普遍現(xiàn)象。

火花飛濺會(huì)對(duì)生產(chǎn)制造產(chǎn)生諸多負(fù)面的影響，如：降低了焊點(diǎn)的品質(zhì)、易產(chǎn)生焊點(diǎn)徑小、氣泡等不良，影響整車的外觀品質(zhì)以及大大降低車身焊接強(qiáng)度、增加后工序打磨返修工時(shí)，污染焊接設(shè)備與夾具、降低設(shè)備的使用壽命，還會(huì)污染現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境。因此，如何降低焊接火花飛濺成為國(guó)內(nèi)外各大主機(jī)廠不斷優(yōu)化的重大課題。本文從飛濺產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，結(jié)合廣汽集團(tuán)乘用車（杭州）有限公司焊裝車間實(shí)際生產(chǎn)降低飛濺為例，分析了飛濺產(chǎn)生的主要因素及控制措施，有效降低了焊點(diǎn)的飛濺率。

2 焊接飛濺產(chǎn)生機(jī)理及原因

電阻點(diǎn)焊的工作原理是在施加外部壓力和電流的作用下，板材之間產(chǎn)生電阻熱使金屬熔化，斷電后金屬溶液冷卻結(jié)晶形成焊核。電阻點(diǎn)焊一般有加壓、通電、維持、休止等四個(gè)階段，在通電階段，電阻熱會(huì)使焊接處產(chǎn)生熔核區(qū)和塑性環(huán)，正常情況下，塑性環(huán)會(huì)包住熔核區(qū)，使金屬溶液不會(huì)產(chǎn)生飛濺，從而形成完整焊核，如圖2。但是，在如下兩種情況下例外。第一種是當(dāng)焊接處的熱量不斷增大時(shí)，熔核區(qū)也隨之長(zhǎng)大，當(dāng)熔核的直徑長(zhǎng)大到超過(guò)電極帽端面范圍時(shí)，此時(shí)熔核區(qū)無(wú)法受到塑性環(huán)的保護(hù)，在一定的壓力作用下，液態(tài)金屬溶液就會(huì)從電極帽端面處飛出產(chǎn)生飛濺。第二種情況是當(dāng)電流過(guò)大，熱量產(chǎn)生過(guò)大，導(dǎo)致熔核區(qū)的長(zhǎng)大速度過(guò)快，當(dāng)其生長(zhǎng)速度大于塑性環(huán)的生長(zhǎng)速度時(shí)，液態(tài)金屬會(huì)突破塑性環(huán)飛出形成火花飛濺現(xiàn)象。

從飛濺形成的機(jī)理出發(fā)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析總結(jié)，產(chǎn)生飛濺的主要因素有：電極帽修磨不良、焊槍電極帽與板材的垂直度、焊接參數(shù)，其它因素有板材之間的搭接間隙、車體精度、板材的潔凈度、加膠、焊點(diǎn)位置等也會(huì)影響飛濺的產(chǎn)生。

3 機(jī)器人焊接飛濺控制措施

3.1 電極帽修磨優(yōu)化

修磨不良主要是指電極帽修磨之后端面有缺口、不平整，表面未修干凈、仍殘留黑色氧化物或雜質(zhì)等現(xiàn)象。修磨不良會(huì)直接增大板材間的接觸電阻，導(dǎo)致熱量集中增大，容易產(chǎn)生飛濺火花。因此保證電極帽表面的修磨狀態(tài)是管控飛濺的基本硬件基礎(chǔ)，作者通過(guò)優(yōu)化焊槍的修磨軌跡及修磨參數(shù)，最終得到表面較光滑平整、無(wú)黑色氧化物等雜質(zhì)的電極帽（如圖3）。

此外，保證電極帽端面直徑5-6mm、上下電極帽貼合面接觸良好、對(duì)中度無(wú)異常（在標(biāo)準(zhǔn)1mm范圍內(nèi)），不僅是管控飛濺的重要措施，也是焊點(diǎn)強(qiáng)度的重要支撐。因此建立合理的修磨頻次和修磨效果監(jiān)察制度是必要的，根據(jù)每把焊槍每輛車打點(diǎn)數(shù)量不一，一般焊120-170點(diǎn)后進(jìn)行一次修磨，每班次換一次電極帽，班前班后專人檢查修磨狀態(tài)并記錄，有異常情況應(yīng)及時(shí)反饋。

3.2 焊槍垂直度調(diào)試

焊槍電極帽在夾緊狀態(tài)如果與板材接觸面不垂直（圖4），此時(shí)塑性環(huán)不處于密封狀態(tài);在一定壓力的作用下，金屬溶液被擠壓飛濺而出，此時(shí)的焊點(diǎn)表象為扭曲，周邊經(jīng)常有毛刺存在。通過(guò)調(diào)試焊槍的焊接姿態(tài)，使電極帽與板材的接觸角度在90°±5°以內(nèi)。

3.3 焊接參數(shù)優(yōu)化

一般情況下，點(diǎn)焊的焊接方式有兩種，第一種軟規(guī)范：長(zhǎng)時(shí)間、小電流，第二種硬規(guī)范：短時(shí)間、大電流。對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)而言，為了降低成本、提高生產(chǎn)效率，往往選擇第二種焊接方式。但此種焊接方式較容易產(chǎn)生飛濺，而且還會(huì)造成能源的浪費(fèi)。

Q=I2Rt ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Q-熱量，I-焊接電流，R-電阻，t-焊接時(shí)間

1.焊接電流

由公式（1）可知，電流對(duì)熱量產(chǎn)生有較大的影響，當(dāng)焊接電流過(guò)大時(shí)，熱量增長(zhǎng)過(guò)快，導(dǎo)致熔核區(qū)生長(zhǎng)速度大塑性環(huán)的生長(zhǎng)速度，金屬溶液容易突破塑性環(huán)而產(chǎn)生火花飛濺。如果焊接電流過(guò)小，熱量產(chǎn)生較小，降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度，容易產(chǎn)生虛焊、開(kāi)焊等不良。除焊接電流大小外，電流密度也會(huì)對(duì)飛濺和焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。電極帽與板材接觸面積較小，電流密度增大，也會(huì)容易造成火花飛濺，嚴(yán)重情況下還會(huì)產(chǎn)生噴濺、焊接處板材炸穿。焊接分流和電極帽接觸面積較大，會(huì)降低電流密度，弱化焊點(diǎn)的強(qiáng)度。

2.焊接時(shí)間

焊接時(shí)間如過(guò)小，會(huì)產(chǎn)生徑小等不良，在實(shí)際設(shè)定中應(yīng)結(jié)合材料的厚度、材質(zhì)、搭接組合，與焊接電流搭配使用。對(duì)于鍍鋅板、熱成型鋼板的焊接而言，傳統(tǒng)的硬規(guī)范和軟規(guī)范難以滿足生產(chǎn)需求，常使用多脈沖的焊接方式。

3.電極壓力

R=Rc+Rw1+Rw2+Rew1+Rew2? ? ? （2）

R-電阻，Rc-板材間的接觸電阻，Rw1、Rw2-板材本身電阻，Rew1、Rew2-電極與板材的接觸電阻

電極壓力主要影響電阻R（圖5），當(dāng)板材一定時(shí)，電極壓力過(guò)小，板材間的接觸電阻Rc和電極與板材的接觸電阻Rew增大，導(dǎo)致熱量過(guò)大，融核區(qū)的生長(zhǎng)速度大于塑性環(huán)擴(kuò)展速度而產(chǎn)生火花飛濺。電極壓力過(guò)大，產(chǎn)熱減少，易降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度。在確保焊點(diǎn)質(zhì)量的前提下，適當(dāng)增大壓力可有效降低飛濺。

4.參數(shù)綜合優(yōu)化

隨著汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，鍍鋅鋼板由于具有良好的抗腐蝕性能，又能滿足車體的輕量化，被廣泛運(yùn)用于車身制造中。但是鍍鋅板可焊性較差，表面鋅層在焊接過(guò)程中特別容易產(chǎn)生噴濺，這不僅使焊接過(guò)程更復(fù)雜，也增加了飛濺管控的難度。

為解決上述問(wèn)題，作者采用多脈沖的焊接方式，即兩段電流焊接模式。以某車型生產(chǎn)為例，板材由寶鋼出廠，DC54D+ZF0.7、HC420/780DPD+ZF1.2與HC340/590DPD+ZF1.2三層板組合，初始設(shè)定參數(shù)為壓力3400N，電流9.0KA，通電時(shí)間20CYC，此時(shí)飛濺率較高。優(yōu)化焊接參數(shù)為3600N、6.5/8.5KA、5/20CYC，飛濺明顯減少，自適應(yīng)電阻曲線平緩?fù)暾ㄈ鐖D6）。二次脈沖的原理為第一段通電，打破鋅層，第二段通電為鋼板焊接，這種焊接方式減少了銅鋅合金的形成和粘銅現(xiàn)象，也大大減少了飛濺產(chǎn)生的幾率。改善了電極磨損，緩解了主纜過(guò)熱等問(wèn)題。

4 飛濺改善效果

通過(guò)修磨優(yōu)化、垂直度調(diào)試、參數(shù)優(yōu)化等一系列措施，將0.5-3m飛濺焊點(diǎn)由58個(gè)降為15個(gè)，3m以上飛濺由21減少為3個(gè)，飛濺率從36.24%降為8.26%，有效控制了0.5m以上的火花飛濺。

5 結(jié)論

1.點(diǎn)焊飛濺是汽車生產(chǎn)中不可避免的問(wèn)題，飛濺主要是熔核區(qū)與塑性環(huán)之間的作用關(guān)系。

2.從機(jī)、物、料、環(huán)等方面分析了機(jī)器人點(diǎn)焊飛濺的影響因素，主要因素為電極的修磨狀態(tài)、焊槍與板材間的垂直度、焊接工藝參數(shù)等，其他因素有焊點(diǎn)位置（邊緣焊、R角）、車身精度、板材潔凈度、電網(wǎng)波動(dòng)等。

3.使用多脈沖焊接方式避免了焊接區(qū)域加熱過(guò)急，有效抑制了飛濺的產(chǎn)生。

4.通過(guò)對(duì)主要因素進(jìn)行一系列的優(yōu)化，火花飛濺得到了較明顯的改善，將側(cè)圍飛濺率由 36.24%降為8.26%。

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