江松偉 王偉斌

關(guān)鍵詞：電阻點(diǎn)焊 電極修磨 電極端面檢測

1 電極端面對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的影響

電阻點(diǎn)焊以其生產(chǎn)效率高、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于白車身的焊接工藝。電阻點(diǎn)焊的原理，是通過加壓使電極及工件緊密貼合后通電焊接，通過電流流經(jīng)工件和電極間產(chǎn)生的電阻熱使局部金屬被熔化形成液態(tài)熔核。斷電后，繼續(xù)保持壓力或加大壓力，使熔核在壓力下凝固結(jié)晶，形成組織致密的焊核。良好的電極端面，除了提供焊核形成所需的加壓力，塑造規(guī)整的焊點(diǎn)形狀態(tài)，更是焊接熱量保證的前提。故白車身自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線上，當(dāng)機(jī)器人點(diǎn)焊達(dá)到設(shè)定的焊點(diǎn)數(shù)后就自動(dòng)使用電極修磨器（圖2）上進(jìn)行修磨、清理和整形。但由于焊接過程高溫高壓工況及電化學(xué)腐蝕作用下，電極端面可能劣化嚴(yán)重，或如鍍鋅材料嚴(yán)重堆積、合金化和端面燒損過深，或者修磨作業(yè)產(chǎn)生偏差，都可能導(dǎo)致電極修磨效果達(dá)不到預(yù)期。而根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因電極端面修磨不良造成電阻點(diǎn)焊品質(zhì)不良達(dá)到50% 以上。故有效對(duì)電極端面進(jìn)行修磨和清理，保證其端面直徑和表面狀態(tài)始終保持在良好的狀態(tài)，在大規(guī)模的生產(chǎn)品質(zhì)管理中至關(guān)重要。

2 電極劣化的主要形式

由于焊接過程中電極承受高溫高壓和電化學(xué)作用，電極材料應(yīng)有足夠的高溫硬度與強(qiáng)度，其組織具有再結(jié)晶溫度高的特性，高溫抗氧化好，與焊件形成合金的傾向小。在一般的生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用中大多數(shù)是采用銅合金，最典型的材料是鉻鋯銅（CuCrZr），擁有較高的硬度（160HV），較高的軟化溫度（550℃），良好的導(dǎo)電率（43ms/m）。按照劣化的表現(xiàn)，主要可以分為下面三類：

（1）電極端面直徑劣化：焊接過程中由于高溫高壓的作用，電極端面的逐漸磨耗，或是由于端面由于合金化剝離，都會(huì)造成對(duì)電極端面直徑變大，導(dǎo)致焊接過程電流密度減小，焊核減小，焊接不良發(fā)生;

（2）電極前端形狀劣化：由于高溫高壓工況，或電極過度使用和修磨，以及冷卻條件、被焊材料特性影響，電極前端可能產(chǎn)生塑性形變，導(dǎo)致端面形狀劣化和表面燒損嚴(yán)重?zé)龘p甚至凹陷起坑，影響焊接電流密度而導(dǎo)致焊接不良發(fā)生;

（3）電極端面導(dǎo)電性能劣化：焊接鍍鋅鋼板過程中，鍍鋅層融與電極形成Cu5Zn8（銅鋅）合金層，并逐漸覆蓋電極端面。依據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，在焊接過程中，一方面合金層會(huì)從電極上剝落，造成電極端面凹陷，電極與工作接觸面變小且不規(guī)則，造成焊核區(qū)域壓力不足，焊接條件急劇惡化導(dǎo)致焊接不良。同時(shí)因合金層電阻較大析熱量大，加速了電極端面的磨損和形變，進(jìn)一步惡化焊接條件。而在非鍍鋅板焊接條件下會(huì)好許多，但也會(huì)逐漸形成氧化層惡化焊接條件。

3 電極修磨的原理

電極修磨原理，是利用旋轉(zhuǎn)的修磨刀具對(duì)焊鉗上下電極做銑削運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電極端面和電極錐面清理和整型，將劣化的電極，如上述電極直徑、電極前端形狀、端面導(dǎo)電性能劣化嚴(yán)重的電極，整型清理至良好的工作狀態(tài)。通常白車身自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線上，當(dāng)機(jī)器人點(diǎn)焊達(dá)到設(shè)定的焊點(diǎn)數(shù)后就會(huì)自動(dòng)去進(jìn)行修磨。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，鋁板焊接時(shí)100點(diǎn)左右就需要進(jìn)行修磨，鍍鋅板200-300 點(diǎn)比較合適，冷軋板則可以高達(dá)400-500 點(diǎn)。

電極修磨量是每一次修磨的切削量，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，若切削量過大則可能縮短電極使用時(shí)間造成浪費(fèi)，而切削量過小可能無法有效對(duì)電極進(jìn)行清理和整形，故需要通過實(shí)踐驗(yàn)證形成相關(guān)的管理基準(zhǔn)，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2] 可知，影響電極修磨量（Y）的主要參數(shù)有修磨刀轉(zhuǎn)速（X1）、修磨壓力（X2）、修磨時(shí)間（X3），其關(guān)系可以表示為Y=-0.24+6.95×10-5X1+1.23×10-4X2+0.05X3。其中，修磨轉(zhuǎn)速（X1）是指刀片切削的轉(zhuǎn)速，常用修磨轉(zhuǎn)速在150 ～ 300r/min，主要依據(jù)電極和修磨刀片的材質(zhì)特性進(jìn)行配合選擇。修磨時(shí)間（X2）是指修磨時(shí)焊鉗閉合至打開修磨刀片對(duì)電極切削整形的時(shí)間。修磨壓力（X3）指的修磨時(shí)焊鉗的閉合壓力，也是上下電極夾緊修磨刀的壓力。

修磨時(shí)間過短壓力過小，使修磨量少，修磨不干凈，還會(huì)引起電極在修磨刀上振動(dòng)而導(dǎo)致刀片崩口;修磨時(shí)間長壓力過大，電極切削量過大造成浪費(fèi)，也可能使刀片以及刀架提前損壞。對(duì)于鍍鋅板和冷軋板的焊接可參考每250 點(diǎn)修磨一次的方法，由于焊接次數(shù)較少合金層堆積不多，可使用1200N 的壓力對(duì)電極研磨0.3～0.5s，每次研磨掉的堆積層約僅0.1 毫米左右，兼顧電極成本、生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)效率。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為取得修磨效果和成本效率間的平衡，應(yīng)參照修磨機(jī)廠家的轉(zhuǎn)速、時(shí)間和壓力推薦值進(jìn)行設(shè)定，并依據(jù)產(chǎn)品具體情況和現(xiàn)場生產(chǎn)條件調(diào)試決定。

4 電極修磨常見問題

電極修磨效果對(duì)焊接強(qiáng)度有重要的影響，修磨不良可能焊接條件急劇惡化，造成焊點(diǎn)虛焊、熔核過小等批量的品質(zhì)事故，尤其對(duì)于汽車大規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)，任何一個(gè)細(xì)節(jié)的失誤都會(huì)放大并可能帶來嚴(yán)重的后果。對(duì)于可能出現(xiàn)的問題和整改措施如下：

常見問題（1）：機(jī)器人沒有正確執(zhí)行電極切削作業(yè)。

可能原因：受電氣或機(jī)械故障導(dǎo)致修磨刀盤沒有進(jìn)行切削作業(yè)，或機(jī)器人程序運(yùn)行異常或機(jī)械故障，機(jī)器人未按要求執(zhí)行焊鉗修磨作業(yè)，導(dǎo)致電極不能得到及時(shí)清理和整形。此類問題雖然發(fā)生概率極小，但隱蔽不易檢出，造成后果非常嚴(yán)重。

整改措施：

（1）在修磨裝置追加轉(zhuǎn)速感應(yīng)器，通過轉(zhuǎn)速感應(yīng)器對(duì)修磨裝器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測到馬達(dá)未按設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警并停機(jī)。下圖為PLC 信號(hào)編寫情況：修磨器安裝了一個(gè)接近開關(guān)，修磨器不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)開關(guān)為ON 或者OFF 狀態(tài)，修磨器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)開關(guān)為ON、OFF 交替狀態(tài)。

如圖3 報(bào)警程序所示，當(dāng)發(fā)出修磨指令后，如果0.5 秒內(nèi)檢測開關(guān)一直處于ON（或者一直處于OFF）狀態(tài)，說明修磨器沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，判斷異常發(fā)出報(bào)警，如果開關(guān)為ON、OFF交替，則判斷正常，不會(huì)發(fā)出報(bào)警。

（2）在機(jī)器人主控程序上，設(shè)定電極修磨作業(yè)執(zhí)行頻率，并對(duì)執(zhí)行情況增加計(jì)數(shù)檢測程序。正常情況下，完成設(shè)定數(shù)量焊接作業(yè)后，機(jī)器人會(huì)執(zhí)行電極自動(dòng)修磨，修磨完成后，會(huì)將焊接計(jì)數(shù)清零。如果期間出現(xiàn)了異常，沒有正常執(zhí)行修磨作業(yè)，累計(jì)焊接作業(yè)數(shù)量超出設(shè)定值后，判斷異常，發(fā)出報(bào)警并停機(jī)。

常見問題（2）：電極端面修磨量不足

可能原因：受電極表面合金層過厚影響，或是刀片磨損，刀片崩刃、切削銅屑粘附在刀片上導(dǎo)致未能正常切削，或是其它原因?qū)е码姌O端面修磨量未能達(dá)到設(shè)定要求，電極端面清理和整型未達(dá)到預(yù)期效果。

整改措施：

（1）定期更換刀片，定期檢查修磨狀態(tài)，確保切削的效果。

（2）對(duì)于銅屑等異物粘附，追加吹氣除屑功能，并定期檢查。

（3）增加機(jī)器人槍軸修磨量檢測功能。我們可以應(yīng)用機(jī)器人的槍軸計(jì)算功能，將每一次電極修磨量存放在寄存器內(nèi)進(jìn)行對(duì)比，檢測電極修磨量變化，計(jì)算并判斷電極端面的修磨量是否達(dá)到預(yù)期，如修磨量低于設(shè)定值則可能出現(xiàn)修磨不足的情況，判斷異常，設(shè)備停機(jī)報(bào)警。

如圖4，通過編寫電極修磨量檢測程序TIP1_DRS_CHECK，對(duì)電極修磨量進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí)解發(fā)報(bào)警。

常見問題（3）：電極端面合金層/ 氧化層清理干凈。

可能原因：受電極過度使用或工件表面異物，導(dǎo)致電極軟化墩粗或表面燒損凹陷、電極端面合金層過厚等原因，雖正常執(zhí)行修磨作業(yè)，但電極端面清理和整型未達(dá)到預(yù)期效果。

整改措施：

（1）由于不同材料其電學(xué)特性、電阻特性都存在差異，如電極端面形成的氧化層/合金層，其電阻率遠(yuǎn)大于電極材料銅合金。我們可以應(yīng)用具備電阻檢測功能的焊接控制器，對(duì)焊鉗電極間電阻進(jìn)行校驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電極修磨效果的監(jiān)控。當(dāng)電極端面殘留氧化層/ 合金層時(shí)，電極端面電阻率增大，導(dǎo)致檢測電阻增大，如果電極端面清理效果良好，無殘留氧化層/ 合金層時(shí)，電極端面電阻率較小，檢測電阻電會(huì)較小。

通過對(duì)機(jī)器人自動(dòng)焊槍電極修磨前、修磨后的端面電阻值進(jìn)行一定樣本量的采樣，確定修磨前、后的電阻值的典型波動(dòng)范圍。如表1，修磨前電阻值在80～88μΩ，如修磨后電阻值在65～67μΩ，可設(shè)定檢測閥值為72μΩ。在焊接控制器軟件中設(shè)定修磨后電阻值（66μΩ）和報(bào)警閥值（< 109.1%），如下圖5。通過焊接控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控電極修磨異常的情況，當(dāng)監(jiān)控到電阻值超出閥值時(shí)，判斷電極清理和整理未達(dá)預(yù)期效果，此時(shí)觸發(fā)報(bào)警停機(jī)。

（2）目前行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)一種最新的電極端面檢測技術(shù)，應(yīng)用光電反射技術(shù)，依據(jù)不同材料光學(xué)反射率的差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)電極端面修磨效果進(jìn)行更為直接的監(jiān)控，能更有有效對(duì)修磨效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。其基本原理是修磨良好的電極表面光潔平整、形狀規(guī)則且呈亮銅色，而修磨不良的電極端面氧化層/合金層殘留，表面粗糙或變形、形狀不規(guī)則且顏色較深，兩者對(duì)光的反射能力和反射波段范圍有顯著的差異。

如下圖6 所示，通過前期采樣設(shè)定檢測閥值為3071，修磨良好的電極表面光潔，光線反射高，檢測值為4095（圖6 左），判斷通過。而修磨異常的電極由于氧化層殘留，表面粗糙，反射率低，此時(shí)檢測值為1371（圖6 右），遠(yuǎn)低于設(shè)定閥值3071，判斷不通過，指示燈熄滅，同時(shí)觸發(fā)生產(chǎn)線報(bào)警停機(jī)。

5 結(jié)語

白車身是通過數(shù)以千計(jì)的焊點(diǎn)連接而成，焊點(diǎn)強(qiáng)度對(duì)車身的整體強(qiáng)度和剛性至關(guān)重要。在大規(guī)模的現(xiàn)代化的汽車生產(chǎn)制造，電極修磨不良則是造成焊接強(qiáng)度不良的最主要原因之一，嚴(yán)重時(shí)可能造成批量的品質(zhì)事故。在自動(dòng)化的生產(chǎn)過程中，應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求，制定合理的檢驗(yàn)頻次和檢驗(yàn)方法。同時(shí)對(duì)于過程設(shè)備，選擇合適的修磨器，設(shè)備合理的修磨參數(shù)，健全電極修磨效果的監(jiān)控手段，對(duì)保證白車身焊接品質(zhì)、提高工作效率、降低制造成本有重要的意義。