機器人電阻點焊飛濺控制的研究

汪飛　葉少劍　田永強　李松　李宏

摘 要：由于生產效率高、焊接穩定，機器人點焊越來越廣泛運用于汽車車身生產制造中，如何降低機器人火花飛濺成為各大汽車主機廠的重大課題。本文結合某車型生產實際，從飛濺產生的機理出發，分析了飛濺產生的各種影響因素。從電極修磨、焊槍垂直度調試、焊接參數等三個主要方面進行優化，將飛濺率由36.24%降為8.26%，明顯控制了飛濺現象，又提升了焊點的品質，減少了后工序打磨時間，有效提高了生產效率。

關鍵詞：機器人點焊 飛濺 焊接參數 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個焊點，電阻點焊因其使用成本低、生產效率高等優勢，廣泛運用于焊裝車間生產制造中。電阻點焊完成了白車身90%以上的裝配工作量，是車身裝配的主要連接方式。隨著科學技術的快速發展，工業機器人逐步代替人工焊接，越來越多的使用于點焊工藝中。以廣汽集團乘用車（杭州）有限公司焊裝車間為例，主線焊接自動化率已經達到100%，整車焊接自動化率70%左右。隨著工業機器人的大規模運用，自動化電阻焊焊接時產生的火花飛濺（圖1）導致的焊接品質不良，往往是一種影響自動化效率的普遍現象。

火花飛濺會對生產制造產生諸多負面的影響，如：降低了焊點的品質、易產生焊點徑小、氣泡等不良，影響整車的外觀品質以及大大降低車身焊接強度、增加后工序打磨返修工時，污染焊接設備與夾具、降低設備的使用壽命，還會污染現場工作環境。因此，如何降低焊接火花飛濺成為國內外各大主機廠不斷優化的重大課題。本文從飛濺產生的機理出發，結合廣汽集團乘用車（杭州）有限公司焊裝車間實際生產降低飛濺為例，分析了飛濺產生的主要因素及控制措施，有效降低了焊點的飛濺率。

2 焊接飛濺產生機理及原因

電阻點焊的工作原理是在施加外部壓力和電流的作用下，板材之間產生電阻熱使金屬熔化，斷電后金屬溶液冷卻結晶形成焊核。電阻點焊一般有加壓、通電、維持、休止等四個階段，在通電階段，電阻熱會使焊接處產生熔核區和塑性環，正常情況下，塑性環會包住熔核區，使金屬溶液不會產生飛濺，從而形成完整焊核，如圖2。但是，在如下兩種情況下例外。第一種是當焊接處的熱量不斷增大時，熔核區也隨之長大，當熔核的直徑長大到超過電極帽端面范圍時，此時熔核區無法受到塑性環的保護，在一定的壓力作用下，液態金屬溶液就會從電極帽端面處飛出產生飛濺。第二種情況是當電流過大，熱量產生過大，導致熔核區的長大速度過快，當其生長速度大于塑性環的生長速度時，液態金屬會突破塑性環飛出形成火花飛濺現象。

從飛濺形成的機理出發，結合生產實際分析總結，產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，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、焊點位置等也會影響飛濺的產生。

3 機器人焊接飛濺控制措施

3.1 電極帽修磨優化

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等現象。修磨不良會直接增大板材間的接觸電阻，導致熱量集中增大，容易產生飛濺火花。因此保證電極帽表面的修磨狀態是管控飛濺的基本硬件基礎，作者通過優化焊槍的修磨軌跡及修磨參數，最終得到表面較光滑平整、無黑色氧化物等雜質的電極帽（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、對中度無異常（在標準1mm范圍內），不僅是管控飛濺的重要措施，也是焊點強度的重要支撐。因此建立合理的修磨頻次和修磨效果監察制度是必要的，根據每把焊槍每輛車打點數量不一，一般焊120-170點后進行一次修磨，每班次換一次電極帽，班前班后專人檢查修磨狀態并記錄，有異常情況應及時反饋。

3.2 焊槍垂直度調試

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

3.3 焊接參數優化

一般情況下，點焊的焊接方式有兩種，第一種軟規范：長時間、小電流，第二種硬規范：短時間、大電流。對于生產企業而言，為了降低成本、提高生產效率，往往選擇第二種焊接方式。但此種焊接方式較容易產生飛濺，而且還會造成能源的浪費。

Q=I2Rt ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Q-熱量，I-焊接電流，R-電阻，t-焊接時間

1.焊接電流

由公式（1）可知，電流對熱量產生有較大的影響，當焊接電流過大時，熱量增長過快，導致熔核區生長速度大塑性環的生長速度，金屬溶液容易突破塑性環而產生火花飛濺。如果焊接電流過小，熱量產生較小，降低焊點的強度，容易產生虛焊、開焊等不良。除焊接電流大小外，電流密度也會對飛濺和焊接質量產生影響。電極帽與板材接觸面積較小，電流密度增大，也會容易造成火花飛濺，嚴重情況下還會產生噴濺、焊接處板材炸穿。焊接分流和電極帽接觸面積較大，會降低電流密度，弱化焊點的強度。

2.焊接時間

焊接時間如過小，會產生徑小等不良，在實際設定中應結合材料的厚度、材質、搭接組合，與焊接電流搭配使用。對于鍍鋅板、熱成型鋼板的焊接而言，傳統的硬規范和軟規范難以滿足生產需求，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），當板材一定時，電極壓力過小，板材間的接觸電阻Rc和電極與板材的接觸電阻Rew增大，導致熱量過大，融核區的生長速度大于塑性環擴展速度而產生火花飛濺。電極壓力過大，產熱減少，易降低焊點的強度。在確保焊點質量的前提下，適當增大壓力可有效降低飛濺。

4.參數綜合優化

隨著汽車產業技術的發展，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，表面鋅層在焊接過程中特別容易產生噴濺，這不僅使焊接過程更復雜，也增加了飛濺管控的難度。

為解決上述問題，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，初始設定參數為壓力3400N，電流9.0KA，通電時間20CYC，此時飛濺率較高。優化焊接參數為3600N、6.5/8.5KA、5/20CYC，飛濺明顯減少，自適應電阻曲線平緩完整（如圖6）。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象，也大大減少了飛濺產生的幾率。改善了電極磨損，緩解了主纜過熱等問題。

4 飛濺改善效果

通過修磨優化、垂直度調試、參數優化等一系列措施，將0.5-3m飛濺焊點由58個降為15個，3m以上飛濺由21減少為3個，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 結論

1.點焊飛濺是汽車生產中不可避免的問題，飛濺主要是熔核區與塑性環之間的作用關系。

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

3.使用多脈沖焊接方式避免了焊接區域加熱過急，有效抑制了飛濺的產生。

4.通過對主要因素進行一系列的優化，火花飛濺得到了較明顯的改善，將側圍飛濺率由 36.24%降為8.26%。

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