螺母自動化凸焊專機的研制

左安邦 楊偉國 郭錦華

摘? 要：螺母凸焊技術是汽車白車身制造過程中一項關鍵制造工藝，螺母自動化凸焊技術對于批量化生產中十分必要。介紹螺母自動凸焊專機的工作原理、技術參數、機械系統。并通過實際焊接工藝實驗得到最優焊接規范。

關鍵詞：凸焊;焊接;螺母輸送機;凸焊夾具

中圖分類號：TG44? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）07-0035-03

Abstract： Nut protruding welding technology is a key manufacturing process in the process of automobile body-in-white manufacturing， nut automatic protruding welding technology is very necessary for mass production. This paper introduces the working principle， technical parameters and mechanical system of the special machine for automatic protruding welding of nuts. Through the actual welding process experiment， the optimal welding specification is obtained.

Keywords： protruding welding; welding; nut conveyor; convex welding fixture

引言

凸焊是經由在焊接零件的表面上的一個或多個凸起點，使其與另一個焊件表面接觸并進行加熱。然后將其壓陷，使這些接觸點形成焊點的電阻焊方法[1]。螺母凸焊技術是汽車白車身制造過程中一項關鍵制造工藝，采用凸焊工藝焊接螺母可以準確定位螺母焊接位置、提升焊接質量，相對二氧化碳氣體保護焊更能減少有害氣體對人的傷害。

傳統的螺母凸焊焊接工藝均是由手工放置螺母，這樣不僅會導致生產過程中的效率低下，更嚴重的是手工放置易產生安全事故，為此將螺母焊接生產流程自動化顯得尤其重要。自動化螺母凸焊設備能夠改善對工人的操作技術要求，減少車間粉塵、焊接飛濺對操作人員健康的危害。自動化焊接設備能夠穩定和提高焊接質量，保證了焊接的均勻一致性。

1 焊接產品結構

所凸焊的零件為某型汽車右側縱向托架橫向總成，材料為高強度熱成型鋼CR1300T，材料厚度為1.2mm。凸焊螺母為M10圓形螺母，該螺母有3個凸點。螺母材料為普通碳鋼。零件整體結構如圖1所示，工件總重量12Kg。凸焊零件有三個位置的凸焊螺母，如圖2所示。此工件重量較重，若采用手工批量焊接，操作工體力負擔過重。因此此工件適合開發自動化凸焊專機實現自動化批量生產。

2 凸焊原理

凸焊是點焊當中的一種特殊形式，凸焊過程中由于焊接電流集中，避免了像點焊時熔核偏移的缺點。凸焊時隨著凸點的壓潰，電極需隨著而快速減小，否則會產生因為失壓而引起飛濺。

如圖3所示，凸焊一般由四個過程構成，第一是準備過程，在該過程完成裝件，上下電極壓緊等準備工作;第二是加壓過程，在該過程中預制在螺母上的凸點在電極壓力的作用下發生變形，高度降低并且板件表面的氧化膜被破壞，螺母與被凸焊板件達到良好的結合;第三為通電焊接過程，該過程包括凸點的壓潰過程和熔核形成過程;第四為保持過程，該過程電流集中通過凸點位置，凸點被徹底壓平。

焊接前需要正確選擇凸焊壓力、焊接電流以及焊接時間。若電極壓力小，凸點起始變形不足，焊后強度不夠;電極壓力過大，螺母變形增大，螺紋受到損害。焊接電流過大則凸點處發生金屬飛濺，電流密度過小，凸點加熱不足，焊后強度降低。

3 凸焊專機設備組成

3.1 固定式逆變凸焊機

凸焊主機為本公司生產的WDB-400型固定式逆變凸焊機。本焊機的基本技術參數可以見表1。凸焊機壓力系統為氣動式，通過比例閥控制氣缸氣壓來調節電極壓力的大小。逆變電阻焊機采用了先進的電力電子技術，與傳統的交流電阻焊機相比具有以下突出優勢：

（1）直流焊接。該焊機采取1KHZ逆變電源，經過變壓器次極整流，可提供連續的直流焊接電流，從而提高焊接效率、消除焊接電流尖峰，增寬焊接電流的焊接范圍，消除輸出極的電感消耗，無“集膚”效應。因此，大大提高焊接質量。在厚工件焊接和多層板焊接上更具有優勢[2]。

（2）焊接變壓器小型化。焊機輸入交流頻率與變壓器鐵芯截面積成反比，故中頻焊接變壓器可以減小變壓器鐵芯截面積，因此可以減小對應變壓器的重量和體積。

（3）提高了焊接電流控制的響應速度，實現了工頻電阻焊機無法完成的焊接工藝。WDB系列逆變焊機實現了本周波的控制，其焊接電流控制響應速度為1ms，（而工頻焊機的響應速度最快為20ms）從而有利于提高焊接質量并可以方便的實現焊接電流的控制。

（4）功率因數高，節能效果好。

表1 WDB-400型凸焊機主要技術參數

3.2 螺母輸送機系統

傳統的螺母焊接方式是操作者手持工件裝入凸焊機下電極定位銷后，再手工把螺母放到定位銷然后焊接。這種方式有安全性差、操作不方便、生產效率低等問題。采用螺母輸送機來輸送凸焊螺母的方式實現了螺母凸焊過程的焊接過程自動化[3]。

螺母輸送機選用電溶機電品牌，型號為nfsif-0012-is5-1的螺母輸送機。本螺母輸送機由分選裝置、螺母傳送裝置、螺母供給裝置以及和凸焊機進行聯動的控制器所組成。由氣動供給頭將螺母輸送到凸焊機螺釘定位銷位置。外部PLC輸入螺母供給信號，從分選螺母到供給螺母一連串動作，都能自動進行，包括和凸焊機進行聯動。具體結構如圖5所示。

3.3 伺服機構和舉升機構

為實現對螺母的定位精度，采用X、Y軸伺服電機，配備HWIN品牌滾珠絲杠和直線導軌系統。電機輸出旋轉運動，通過滾珠絲杠轉化為定位平臺的直線位移。這種結構簡單，成本低，能夠滿足本工件的定位精度要求。

運動位置設有防塵、防飛濺保護罩，保護設備重要部件。X軸、Y軸移動范圍分別為：400mm、150mm，工作臺移動到位精度±0.05mm，重復精度±0.05mm。

采用德國西門子PLC和觸摸屏進行系統控制，采用氣缸推動四組光軸的導向機構，實現對工裝夾具整體的舉升機構。

3.4 凸焊工裝夾具

為保證大批量生產過程中工藝條件的穩定性，確保工件焊接后尺寸精度以及生產效率的提高。需根據工件結構特點和焊接工藝要求進行凸焊夾具設計。另外凸焊夾具與普通夾具不同之處在除了考慮定位穩定性以及焊接空間要求，還需要考慮焊接分流問題。因此需要做好凸焊夾具的絕緣處理，如圖6中凸焊夾具結構圖中所示，支撐定位單元都與整體底板間加了絕緣件，防止分流。

3.5 控制系統

焊接裝置的控制系統采用西門子S7-1200系列PLC，負責伺服系統定位、夾具信號收集處理、與逆變凸焊機通訊以及安全光柵、三色燈等外圍器件的信號采集與控制等。為方便操作盒對設備進行參數設置以及實時監測焊接參數，采用觸摸屏與主控系統進行數據處理交流。采用專用屏蔽電纜，防止外界電磁干擾，保證數據傳輸的可靠性。當設備需要手動調整時，切換到手動模式，可以對各個執行機構進行單獨調整。控制系統框圖如下圖所示。

整個設備操作流程為：（1）放件，操作者手拿工件穿入夾具定位銷;（2）操作者退出光柵外，同時按住雙手啟動兩個按鈕，焊接啟動;（3）工件焊接完成后，夾具自動打開，操作者取件，焊接完成。

4 實際焊接效果與工藝

本凸焊板件材料為熱成型鋼，厚度為1.2mm，螺母為M12外六角三點凸焊螺母。在實際焊接過程中出現扭力滿足螺母焊接要求，但仍然出現螺母脫落的現象[4]。為此，汽車零件生產商常采用對凸焊螺母件進行板材破壞實驗，觀測撕裂板材情況來判斷凸焊焊接質量。

表2列出了兩種焊接工藝參數。本設備涉及凸焊的參數有電流、通電時間、壓緊力、預壓時間。下表為凸焊所選用的參數值。規范1采用大電流、大壓力焊接工件，圖8中01照片為破壞實驗后板件情況，此規范壓力和電流參數稍大，造成焊接時飛濺較大。減少對應焊接電流和焊接時間，對應參數為表中規范2。

在實驗過程中發現電極平行度對焊接質量也有顯著影響。焊接過程中因為上下電極頭的平行度誤差造成很大飛濺，影響了凸焊焊接質量，也造成了車間污染。通過調節凸焊機夾持器的角度來調整上下電極的平行度，在實際操作中，常采用復印紙放在上下電極中間產生的壓痕的均勻度來判斷上下電極的平行度。

5結束語

針對一種汽車凸焊零件，開發了螺母自動化凸焊專機，對專機各重要部件進行了設計說明。該設備在某汽車零件廠使用一年多時間，設備運行正常。提高了螺母凸焊自動化生產效率。

進行了凸焊工藝試驗，焊接質量滿足零件凸焊強度要求，并且提高了焊接質量的穩定性。

參考文獻：

[1]趙熹華.壓力焊[M].北京：機械工業出版社，1989.

[2]成海暉.工頻交流電阻焊控制器的研制[D].河北工業大學，2007.

[3]譚志飛，毛美姣，榮毅.旋轉式螺母輸送機的PLC控制[J].機械工程師，2005（5）：39-41.

[4]易明輝，余進，羅滏，等.螺母凸焊焊點斷口形貌分析[J].電焊機，2017，47（4）：94-97.