淺析電容儲能凸焊機焊接熱成形鋼零件

徐永吉，徐瑰瑰

1.上海屹豐汽車模具制造有限公司 上海 200949

2.凱里學院理學院 貴州凱里 556011

1 序言

隨著汽車輕量化的發展，熱成形鋼板在汽車A柱、B柱、保險杠及防撞梁等車身部件上應用廣泛。熱成形零件焊接一直是汽車制造比較關注的話題，從其焊接性講，常規焊接設備在使用過程中受電網、材料（涂層、力學性能）等因素制約，容易導致產品出現焊后質量缺陷，使生產過程難以管控。

本文通過介紹新型電容儲能凸焊機焊接原理、產品焊接實例和相關試驗，重點闡述其在汽車熱成形零件上焊接緊固件（凸焊類）的應用能力。

2 電容儲能凸焊機工作原理及應用

電容儲能式凸焊機是利用電容儲存能量而在瞬時釋放出電流，即利用集中大電流向小面積凸點傳導，而起到熔接效果：焊接過程只在十幾毫秒內完成，其間通過數萬安培到幾十萬安培的次級熔接電流[1]。因此，在焊接時因產生熱量而導致工件局部變形的缺陷會有所減少。

電網三相交流經整流電裝置整流后，對電容器組C進行充電，焊接時，晶閘管VTH導通，C對焊接變壓器T一次繞組放電，在二次側獲得峰值大、時間短的脈沖電流，開關S為轉換開關，用于通往焊接變壓器T的電流變換方向，防止變壓器單向通電飽和[2]。電容儲能電阻焊電源電路原理如圖1所示。

圖1 電容儲能電阻焊電源電路原理（VD：續流二極管）

由于電容儲能焊機的充電電流遠小于放電電流，對電網沖擊比較小，對電源功率要求不高，故焊接過程不受電網波動影響，焊接穩定性良好。之前由于其高效穩定性及焊接特殊性，被家電行業、衛浴行業等廣泛使用，隨后在汽車行業開始普及，適合焊接低碳鋼、不銹鋼、銅合金等產品。

目前，汽車行業使用的熱成形零件有表面鍍Al-Si涂層和無涂層兩類，由于其屈服強度達到1300MPa左右，金相為馬氏體組織，材料加入了合金元素（如Mn，Si，Cr，Ni，B），元素B的加入，提高了鋼的熱強性，因此焊接時需要很大的焊接壓力，而常規工頻交流焊機和中頻直流逆變焊機在熱成形零件上焊接緊固件，難以保證焊后產品質量檢測的穩定性，導致焊接緊固件熔深達不到0.2mm，且凸焊螺母的螺紋容易變形。選擇電容儲能式凸焊機作為熱成形零件的焊接設備，經過反復試驗和生產驗證，發現該凸焊機在焊接熱成形零件方面，焊后質量檢測結果表現較好。

3 電容儲能凸焊機結構

整個焊機系統由機械系統、儲能系統、電氣控制系統及冷卻系統組成。以型號DR20KJ的電容儲能凸焊機為例（下同），采用C型結構，由儲能組件、機架、工作臺、垂直氣缸座、加壓機構、焊接二次回路、阻焊變壓器以及電氣控制回路等組成。其外部結構如圖2所示，分為主視圖和左視圖。

圖2 單頭電容儲能凸焊機結構

從設備外部結構看，與一般工頻、中頻凸焊機對比，儲能式凸焊機重點在于放電變壓器和儲能焊接控制器有差異。如放電變壓器，為保障電容瞬時大電流的徹底輸出，采用高導磁硅鋼片，并用環氧樹脂真空澆注而成，特殊工藝設計。如儲能焊接控制器，使用PLC、數控焊接主板系統和工業人機界面等相結合方式，實現焊接參數實時監控，并控制穩壓誤差＜1%。

4 凸焊試驗

（1）產品應用介紹 某汽車公司零部件常用鋼板包含熱成形鋼板和普通鍍鋅低碳合金鋼板，需凸焊螺母緊固件。不同板材厚度與應用環境所對應螺母規格不同，文中選擇公司常用的板材與緊固件進行焊接試驗，母材材質、料厚、緊固件規格等信息見表1，使用20kJ容量的電容儲能凸焊機，并選擇合理的焊接參數，見表2。

表1 試驗材料描述

表2 主要焊接參數

（2）破壞檢測 在破壞試驗時，主要檢測拉脫力、拉脫力破壞程度、金相試驗等。對上述4組焊接緊固件進行力學性能和金相檢測，其中第2組母材為低碳合金鋼，其余組別為熱成形鋼。

1）力學性能檢測。使用微機控制電子萬能試驗機（型號：WDW-50C）做試件拉脫力試驗，該試驗機最大負荷50kN。上述4種螺母拉脫力試驗，根據主機廠技術標準，體現檢測平均值和合格與否情況，結果見表3。

表3 拉脫力試驗要求及結果

從表3可看出，頂出試驗均合格，檢測值高于主機廠技術標準。通過對焊接緊固件做破壞試驗，從實物狀態圖3中看出，圖3a中破壞試驗的斷裂位置在螺母上，沒有形成虛焊，圖3b、圖3c中實現“脫扣”要求，且凸點全帶出母材，熱成形板除第4組外（該四角螺母為銅合金，凸點較小，且母材過厚），符合技術要求。

2）金相檢測。對上述焊接緊固件使用金相切割機進行切割，再經過拋光、腐蝕等工序，用體視顯微鏡（型號：C900）觀察，查看熔深、螺母和母材間隙、焊接缺陷的信息，金相檢測結果如圖4所示。

圖4 金相檢測結果

從金相圖查看，第1組六角螺母M14金相熔深達到0.42mm，第2組法蘭盤M6金相熔深達到0.77mm，第3組圓螺母M8金相熔深達到0.41mm。所有熔深均能超過0.2mm，且熔核無內部缺陷，緊固件與母材之間貼合緊密，符合技術要求。第5組試驗因焊接螺母凸點大小約2mm，按照客戶技術要求，不再做金相檢測，只需進行力學性能檢測。

5 缺點

1）由于其需完成一次焊接（放電）后進行二次充電儲能過程，因此與中頻凸焊機相比，儲能式凸焊機完成單個緊固件的工作時間較長。

2）因為電容器充放電過程中充電回路要消耗較大電能，所以能量轉換率比其他類型焊機低。

3）若設備長期頻繁使用，電容器需要快速充放電，導致其壽命短，特別是電解電容器，壽命周期約為兩年[2]。

4）儲能式焊接電流波形陡升陡降，短時間、硬規范，焊接低碳鋼時，需謹慎選擇焊接參數。

6 結束語

通過以20kJ容量的電容儲能凸焊機為例，進行一系列焊接生產驗證試驗，發現儲能凸焊機在熱成形鋼上焊接緊固件，其產品力學性能和金相檢測均能滿足客戶技術要求，解決了以往熱成形鋼板凸焊緊固件因強度低、虛焊等造成質量不合格的問題。