如何通過博世UIR電阻監控提升點焊電極壽命

劉東陽，張正林，王 政，王 辰

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

如何通過博世UIR電阻監控提升點焊電極壽命

劉東陽，張正林，王 政，王 辰

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

基于博世UIR系統對機器人焊槍的電極修磨參數進行優化。簡要闡述了博世UIR系統的電氣原理、動態電阻檢測原理和恒功率補償原理。針對影響機器人焊槍電極壽命的主要因素，即焊槍的修磨間隔點和修磨次數分別展開研究：采用UIR系統的電阻檢測功能自動識別并監控電極修磨后端面的潔凈程度，并以此為基礎優化修磨時刻，即確定最佳修磨間隔點；通過采用“小壓力、多圈數、兩次修磨”的修磨參數來提升電極修磨后的表面質量，減少單次修磨量，增加修磨次數。最后，通過在上汽大眾FabiaNF車型后蓋點焊的應用實例來驗證修磨參數優化的可行性，并最終將0.7+0.7mm鍍鋅鋼板的點焊電極壽命由4500點提升至15500點。

電極壽命；動態電阻；失效機理；修磨優化

0 前言

隨著汽車工業的發展，普通鋼板難以滿足日益增加的輕量化和高耐蝕性的要求，鍍鋅鋼板以其優良的耐腐蝕性能廣泛應用于汽車工業。但是鍍鋅鋼板點焊時有幾個難點：鍍層金屬熔點低，早于鋼板熔化，流入縫隙，增大接觸面積，降低電流密度；鍍層金屬與電極升溫時形成金屬間化合物Cu5Zn8[1]，電極導電導熱性能下降，溫度進一步上升，金屬間化合物增多，產生惡性循環，加速了電極的沾污；鍍層金屬進入熔池產生結晶裂紋。因此鍍鋅鋼板點焊時需要采用比同厚度普通鋼板點焊高25%～35%的焊接電流、高10%～25%的電極壓力和長25%～50%的焊接時間。

采用鍍鋅板后電極磨損加劇，增加消耗成本，成為一個急需解決的問題。據統計，上汽大眾一年的電極消耗成本約為3000萬人民幣，所以降低點焊電極的消耗對于降低車企的焊裝成本、提升車企競爭力具有重要的意義。

1 優化的原因

隨著各車企自動化程度的提高，越來越多的機器人焊槍被應用于焊裝線，機器人焊槍使用一段時間后需要更換新電極。自動線頻繁更換電極不僅降低了設備開通率、影響生產線的節拍和工廠產能，也浪費大量人力成本和物料成本，因此需要提升機器人焊槍的點焊電極壽命。

電極焊接一定時間后，電極端部逐漸磨損成蘑菇狀，端面直徑增加，導致電流密度降低進而影響焊點強度。針對機器人焊槍，實際生產中主要有兩種解決方案：

①電流遞增補償法，即在特定焊點數內（修磨間隔點）逐漸遞增電流。但該方法需要耗費更大的能量，加劇電極磨損，且只能按照事先通過實驗確定的電流遞增工藝方案進行焊接，無法解決因不確定性電極磨損造成的焊點質量下降。

②電極修磨法，即通過修磨使電極端面恢復初始尺寸。但目前工廠均采用經驗修磨時刻修磨，而修磨時刻（修磨間隔點）的選取會對電極壽命和焊接質量產生很大影響。另外修磨參數選取過大會導致電極切削量過多降低電極壽命，而修磨參數選取過小會導致電極未被修復影響后續焊接質量。機器人修磨累計達到一定數量（修磨總次數）后電極達到最終壽命。

綜上所述，機器人焊槍電極壽命=修磨間隔點×修磨總次數。因此提升機器人壽命要通過提升修磨間隔點和修磨總次數來實現。

2 修磨電阻監控的硬件配置及電氣原理

Bosch Rexroth中頻焊接控制器除了具有一般中頻設備的功能外，其最具特色的部分是它的自適應系統與焊接質量監控系統，也就是UIR（U/I Regulator）恒功率反饋系統。自適應質量模塊的電氣連接如圖1所示。UIR系統可以實現焊接過程中的動態電阻測量和恒功率補償。

2.1 動態電阻測量原理

圖1 自適應控制模塊與焊鉗的電氣接線方式

動態電阻檢測原理如圖2所示。博世UIR系統通過集成在變壓器中的電流傳感器測量出二次電流信號，通過安裝在焊鉗上下電極之間的電壓測量傳感電纜測量出電壓信號，然后根據歐姆定律計算出點焊過程中的動態電阻，生成動態電阻曲線[2]。

圖2 動態電阻檢測原理

2.2 恒功率補償功能

UIR恒功率補償的原理如圖3所示。在恒電流模式下對板材進行焊接，不斷優化參數保證焊點合格后，將合格焊點的標準動態電阻曲線儲存下來，制成標準動態電阻曲線。在以后的焊接過程中比較實測動態電阻曲線和標準動態電阻曲線，計算控制調整量，當檢測到焊點能量不足時，自動延長焊接時間、調整電流以確保焊點實際能量不小于樣板焊點能量。

圖3 動態電阻調整原理

3 確保電極修磨干凈

如果電極修磨不干凈，會使焊接熱量消耗在電極發熱上，降低焊點質量，所以電極修磨干凈、穩定是保證焊接質量、延長電極壽命的前提。影響電極修磨的主要因素如下。

①電極桿對中度。

②修磨壓力。修磨壓力決定了碎屑厚度，壓力過小，修磨效果不好，還可能導致刀片無法嵌入電極；壓力過大，會造成電極磨損快、刀片磨損快，降低電極壽命和刀片壽命。

③修磨圈數。圈數太少，可能造成電極修不干凈；圈數太多，容易導致電極磨損快，碎屑長、堵塞刀片，降低電極壽命和刀片壽命；為減少塞屑，可將多圈數修磨分為兩次，即修磨一次后打開刀片，空轉甩出碎屑后再次閉合修磨，這樣銅屑不致于太長而堵塞修磨片或排氣通道。

④刀片磨損程度。刀片磨損后可能造成刀刃無法嵌入電極。

⑤焊槍修磨位置。電極中心與修磨機刀頭位置不對，容易導致電極在刀頭旋轉時不停擺動搖晃；上下電極軸線與修磨刀片中心線不垂直，會出現電極擺動和上下電極修偏；靜臂電極距離刀片太近或太遠均容易造成單邊電極磨損量較大，通常靜臂電極在修磨前應與刀片留有0.5～1 mm的間隙，可保證兩端電極磨損量基本一致。

綜上所述，在保證電極桿對中度、焊槍修磨位置調整到位后，選用“小壓力、多圈數、兩次修磨”的修磨參數，以減少碎屑的長度、厚度，延長電極和刀片的壽命。

4 采用UIR系統監控電極修磨狀態

原先判斷電極修磨后是否干凈，需要在修磨后目視檢查電極表面狀態，圖4分別為端面合金化、輕微蝕點、干凈3種狀態。但采用目視檢查無法客觀評價、跟蹤批量狀態，對自動流水線進工位檢查還會影響批量生產。

圖4 電極端面的3種狀態——合金化、點蝕、干凈

UIR電阻檢測可以用來檢測修磨后電極清潔度，其過程為：修磨后將兩電極短路通恒定電流，通過測量兩端電壓，根據歐姆定律計算出電阻。圖5為在焊槍閉合后，通過100 ms的短暫焊接來測量回路電阻，可見在15 ms后回路電阻已趨于穩定。由于焊槍回路中電極端面清潔程度會造成電阻變化，而其他電阻基本穩定，所以電阻值能夠反應修磨后電極端面的清潔程度。

圖5 修磨后電極電阻測量

當電極修磨不干凈、表面有合金層殘留時，電阻值會顯著增大。將測量值與參考值進行比較可以判斷是否修磨干凈，例如：圖6中虛線左側，修磨圈數較少導致電極表面修不干凈，電阻較高；增加修磨圈數后，電極端面修磨干凈，回路電阻下降且穩定在 110 μΩ。

圖6 采用UIR對電極表面清潔度進行檢測

采用UIR電阻檢測監控電極端面修磨狀態可以用數值客觀反映電極端面潔凈度，自動跟蹤批量狀態、不影響流水線批量生產，如圖7所示。同時還可以設置監控值、自動報警，例如：針對圖6的回路電阻設置監控，將檢測標準值設置為110 μΩ，公差設置為±10%。那么當發現修磨不干凈，即回路電阻值大于121 μΩ或小于99 μΩ時，焊槍會自動停機報警，需要人工復位確保修磨干凈后才可繼續焊接，有效保證了焊接質量。

5 優化修磨時刻

優化修磨時刻，即在保證焊點質量合格、電極不失效的前提下，盡可能增加修磨間隔點，為此首先要了解電極的失效形式。通常電極有幾種失效形式：

圖7 采用UIR對電極表面清潔度進行監控

①塑性變形。在高溫高壓下電極端面墩粗，端部直徑隨焊點數目的增加而增加，從而導致焊接電流密度下降，焊點強度下降。研究表明，電極端面直徑增量大于30%會降低電流密度，影響焊點強度[3]。一般焊接多層厚板或高強鋼易產生此現象。

②合金化。即銅電極與板材表面焊接時相互接觸，板材表面的合金元素高溫下持續滲入銅基材，造成電極表面導電性能急劇惡化、硬度變低、變形增大等，一般焊接鍍鋅板易產生此現象，如圖8所示。

圖8 電極端面合金化

③點蝕。焊接鍍鋅板時發生合金化作用，產生低熔點的合金，當電極離開鍍鋅板時，會有一些低熔點的合金飛濺離開電極表面，造成電極表面的不平整，隨著飛濺合金的增加就形成了點蝕[4]，如圖9所示。

圖9 電極端面點蝕坑

點蝕區域在高溫、高壓作用下易產生微裂紋，如圖10所示。鍍層中金屬元素沿微裂紋滲入電極內部，加劇裂紋產生擴張，導致電極壽命下降[5]。對于微裂紋，如果一次修不干凈，還會影響后續修磨效果。

圖10 電極端面點蝕微裂紋影響修磨效果

此外電極失效形式還有熱疲勞、再結晶等。

6 增加修磨次數

通過兩種方法得到電極的極限修磨次數。

（1）方法1：采用帶生命線的電極，不進行焊接，連續修磨，達到生命線后立即停止試驗，所累計的修磨次數就是極限修磨次數。

（2）方法2：通過端面厚度和單次修磨量計算得到極限修磨次數。

①可切削厚度。電極剖視圖如圖11所示，隨著修磨次數增加，端面厚度逐漸減少。研究表明當電極端面厚度小于3 mm時，在焊接壓力作用下，可能壓潰電極，造成漏水事故。因此可切削厚度=電極總長度-底部深度-3 mm。

圖11 電極可切削厚度示意

②單次修磨量。也就是電極每次修磨前后的磨損量，如圖12所示。FABIA NF后蓋焊槍原電極長22.06 mm，修磨30次后上下電極分別為19.27 mm、18.67 mm，取磨損量較大的電極進行換算，則單次修磨量=（22.06-18.67）/30≈0.113 mm/次。

一般來說，方法1由于修磨時電極未產生墩粗、合金化等失效形式，與實際焊接過程存在偏差，而采用方法2所得到的極限修磨次數與實際更為接近。

圖12 修磨30次后電極長度對比

7 優化電極壽命實例

對上汽大眾FABIA NF車型后蓋焊點的電極壽命進行優化，該處焊點均為0.7 mm+0.7 mm薄板，優化之前間隔點為150點，修磨次數為30次，電極壽命=150×30=4 500點。

提升電極壽命的核心思路：在保證電極修磨干凈基礎上，電極使用壽命=間隔點數目×修磨次數，因此提高電極壽命應該從提高間隔點數目和修磨次數入手。

7.1 提升間隔點

針對FABIA NF后蓋焊接，將間隔點從150點提高到180、210、250點，從電極磨損狀態和焊點質量兩方面評價焊接效果。

（1）電極表面形態。隨間隔點數增加，表面合金化逐漸加劇，端面發黑，焊點到達250點時，表面出現輕微點蝕坑（見圖13），由于點蝕不利于后續修磨，所以將間隔點設置為250點。

圖13 修磨間隔點對電極表面形態的影響

（2）電極端面直徑。電極端面直徑增加30%會影響焊接質量[3]，而試驗中間隔點提升為250點時端面直徑最大增加量19.4%小于30%，可認為電流密度未明顯降低。

（3）焊點質量。參考大眾標準（VW01105、PV6702），鍍鋅板破壞性鑿測后，焊點凸臺直徑應大于1.15×。單獨考察間隔點為250點的焊點質量，如圖14所示，焊點為撕裂式斷裂，凸臺直徑為4.5mm大于3.37mm，可以認為焊點質量合格。

圖14 焊點破壞性鑿測檢驗

7.2 增加修磨次數

根據方法2計算得：

綜上，將焊槍電極壽命提升為250×62=15500點。

8 結論

（1）通過優化修磨參數、提升間隔點數、減增加修磨次數等措施，成功地將上汽大眾FABIA NF車型后蓋自動焊槍的電極壽命從4 500點提高到1 500點。

（2）采用帶有UIR系統的中頻伺服點焊機，可以提升電極壽命，保證焊點質量，滿足實際生產需要

[1]帥歌旺，方平，郭正華，等.鍍鋅鋼板電阻點焊電極的失效效分析[J].熱加工工藝，2009（13）：122-124,128.

[2]王毅，王東.UIR技術在車身焊接中的應用[J].金屬加工（熱加工）,2009（22）：20-22.

[3]邱鵬程.伺服焊槍點焊電極磨損規律研究及其修磨參數優化[D].上海：上海交通大學，2008.

[4]朱袁其.關于鍍鋅鋼板點焊電極壽命的研究[J].汽車維修2012（9）：10-11.

[5]張旭強，張延松，陳關龍.熱鍍鋅高強鋼點焊的點蝕對電極壽命的影響[J].焊接學報，2009，30（6）：13-16.

How to prolong the electrode life through BOSCH UIR dynamic resistance measurement

LIU Dongyang，ZHNAG Zhenglin，WANG Zheng，WANG Chen
（SAIC Volkswagen，Shanghai 201805，China）

Based on the Bosch UIR system，the tip dressing parameters of the robot welding gun were optimized.The electrical principle dynamic resistance detection principle and constant power compensation principle of Bosch UIR system are briefly described.The ti dressing interval and parameters，which affect the electrode life，were studied separately：The UIR system's resistance detection function i used to automatically identify and monitor the cleanliness of the electrode face.Optimize tip dressing timing，that is，to determine th appropriate tip dressing interval；And then through the use of"small pressure，multi-lap，twice dressing"tip dressing parameters to enhanc surface quality of electrode，reduce amount of electrode axial wear and increase the number of dressing.Finally，the feasibility of th optimization was verified by the application examples of the spot welding of the Fabia NF model in the SAIC-Volkswagen，and the electrod life of 0.7+0.7 mm galvanized steel sheet was increased from 4 500 to 15 500 points.

electrode life；dynamic resistance；degradation mechanism；optimization of tip dressing parameters

TG438.2

B

1001-2303（2017）06-0042-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.09

2016-10-22；

2017-06-

劉東陽（1987—），男，工程師，碩士，主要從事電阻點焊設備與工藝及應用工作，E-mail：Nandy2012@126.com。

本文參考文獻引用格式：劉東陽，張正林，王政，等.如何通過博世UIR電阻監控提升點焊電極壽命[J].電焊機，2017，47（06）：42-46.