一種基于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的鍍鋅板點(diǎn)焊參數(shù)計(jì)算方法

吳世鈺

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 201804）

隨著國(guó)產(chǎn)汽車業(yè)的發(fā)展，汽車的防腐蝕能力越來(lái)越受到重視。除了基礎(chǔ)的電泳和油漆外，鍍鋅鋼板的應(yīng)用可以有效提高汽車車身的防腐蝕能力。一般情況下，在干燥的氣候環(huán)境下，鍍鋅鋼板的防腐蝕能力可以維持15 年，在濕潤(rùn)的環(huán)境下可以維持5 年。目前，汽車車身上外覆蓋件基本采用了0.7mm 厚的鍍鋅板，結(jié)構(gòu)件也多采取了鍍鋅板。主流的車型鍍鋅板零件的使用率超過(guò)了90%[1]。

目前，汽車行業(yè)中主流的鍍鋅鋼板分為電鍍鋅鋼板和熱浸鍍鋅鋼板兩大類。電鍍鋅鋼板鍍層薄（單面3 ～12μm）且均勻，可焊接性較好，成本較高。熱浸鍍鋅鋼板鍍層相對(duì)較厚（單面12 ～35μm）且不均勻，可焊接性較差，耐腐蝕性能較好。考慮成本，車身上的鍍鋅鋼板多為熱浸鍍鋅鋼板。鍍鋅板的焊接參數(shù)多采用現(xiàn)場(chǎng)試片焊接多次調(diào)試得出，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此需要一種更加合理的鍍鋅板點(diǎn)焊焊接參數(shù)的計(jì)算方法。

1 鍍鋅板的焊接特性

由于鍍鋅層的存在，鍍鋅鋼板的焊接和裸板的焊接特性有著明顯區(qū)別。這是因?yàn)殇\的熔點(diǎn)為419.5℃，沸點(diǎn)為907℃，都遠(yuǎn)低于碳鋼的熔點(diǎn)，所以焊接過(guò)程中鍍鋅層先于鋼板熔化和氣化，會(huì)影響正常的焊接。通常鍍鋅板的焊接有以下4 個(gè)特點(diǎn)。第一，容易形成虛焊或小熔核。首先，鍍鋅層中的鋅電阻率低和強(qiáng)度低，因此電阻點(diǎn)焊時(shí)電極和鍍鋅板之間的接觸電阻較低。其次，鍍鋅板中的鋅總是先于鋼板熔化，在電極壓力的作用下，液態(tài)鋅被擠壓出去在焊點(diǎn)周邊形成如圖1 所示的鋅環(huán)或鋅暈，減少了電流密度。最后，兩種情況疊加導(dǎo)致鍍鋅板焊接時(shí)容易形成虛焊和小熔核。第二，焊接飛濺嚴(yán)重，影響焊接質(zhì)量和接頭強(qiáng)度。第三，容易產(chǎn)生裂紋或氣孔。焊接過(guò)程中，鍍鋅層中的鍍鋅容易殘留在熔核中形成鋅鐵合金，在熔核冷卻過(guò)程中會(huì)破壞晶體的形成。第四，容易污損焊接電極。在焊接過(guò)程中，如果電極散熱不及時(shí)，在焊接瞬間電極溫度會(huì)超過(guò)電極主要材料銅的熔點(diǎn)（1080℃左右），造成電極局部熔化，繼而與鍍鋅層形成Cu-Zn 化合物，在焊點(diǎn)中會(huì)形成如圖2 所示的金黃色物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致焊接電極表面硬度下降。連續(xù)焊接時(shí)，焊接電極容易過(guò)熱變形，縮短電極使用壽命。在了解鍍鋅板焊接的焊接特性后，可以建立基于鋅暈結(jié)構(gòu)的焊接模型。

圖1 鍍鋅板焊點(diǎn)的鋅暈

圖2 鍍鋅板電極黏連

2 鍍鋅板的焊接參數(shù)

2.1 鍍鋅板焊接與裸板焊接的異同

鍍鋅板焊接和裸板焊接最大的區(qū)別在接觸電阻、電流密度以及鍍鋅層上。鍍鋅板焊接過(guò)程中，由電極輸入的電流產(chǎn)生的熱量首先將鍍鋅層加熱到熔點(diǎn)以上（419.5℃）。在電極間壓力的作用下，熔化的鍍鋅層被電極排擠到電極接觸面外形成鋅暈，擴(kuò)大了焊接接觸面積。焊點(diǎn)的特征區(qū)域如圖3 所示，其中S0為焊點(diǎn)區(qū)面積，S1為鋅暈區(qū)面積[2]。

相較于裸板焊接，鍍鋅板需要額外提供一部分熱量用于熔化鍍鋅層，同時(shí)熔化產(chǎn)生的鋅暈擴(kuò)大了焊接接觸面積，使得焊接總電阻比裸板要小。因此，為了形成同裸板相同尺寸的熔核直徑，在焊接時(shí)間不變的情況下，鍍鋅板需要額外的電流輸入，可以得到：

圖3 鍍鋅板焊點(diǎn)特征區(qū)域示意圖

式中，q1為鍍鋅板焊接所需的最低熱量；q0為祛除鍍鋅層后裸板焊接所需的最低熱量；q′1為熔化鍍鋅層所需要的熱量。鍍鋅層厚度通常最大不超過(guò)35μm，占母材厚度比例不超過(guò)1%。同時(shí)，鋅的熔化溫度和熔化潛熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼板，因此可以近似認(rèn)為：

式中，I1、ρ1、L1分別為鍍鋅板的焊接電流、鍍鋅板電阻率以及母材厚度；I0、ρ0、L0分別為祛除鍍鋅層后裸板焊接、電流電阻率以及母材厚度。

2.2 鍍鋅板焊接參數(shù)的計(jì)算

鍍鋅板焊接參數(shù)除了焊點(diǎn)電流外，其余參數(shù)如電極端面直徑、電極壓力以及焊接時(shí)間等均可以參考裸板的焊接。以下重點(diǎn)討論焊接電流的選用。

從式（3）可以看出，鍍鋅板焊接電流的大小取決于鍍鋅板的焊接總電阻，可以得到：

由于鍍鋅板的焊接熱量基本來(lái)自鍍鋅層下方的鋼板內(nèi)部電阻發(fā)熱，因此可以認(rèn)為二者電阻率相同。同時(shí)，鍍鋅層厚度相對(duì)于母材厚度可以忽略不計(jì)。所以，有：

式中，D1、D0分別為鋅暈區(qū)與焊點(diǎn)區(qū)的直徑。

假設(shè)鍍鋅層在焊接過(guò)程中熔化后全部被電極推出原焊接區(qū)域，形成原厚度的均勻鋅暈層，則有S1=2S0，同時(shí)有：

即在理想情況下鍍鋅板的焊接電流應(yīng)比同料厚（忽略鍍鋅板厚度）的裸板的焊接電流大40%左右。實(shí)際焊接中很難實(shí)現(xiàn)這種理想情況，通常鍍鋅層無(wú)法完全被排擠出焊接區(qū)，同時(shí)形成的鋅暈層厚度并不均勻，因此實(shí)際鍍鋅板的焊接電流并不會(huì)超過(guò)40%。可見(jiàn)，根據(jù)式（6），鍍鋅板焊接電流的大小取決于鋅暈區(qū)與焊點(diǎn)區(qū)的直徑之比，即鋅暈層擴(kuò)大比例。

3 基于圖像技術(shù)的鋅暈層擴(kuò)大比例測(cè)量

為確定合適的鋅暈層擴(kuò)大比例，需要大量測(cè)量合格的鍍鋅板焊點(diǎn)。本文主要采用批量生產(chǎn)的車身焊點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如圖1 所示，鍍鋅板焊點(diǎn)不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓形，通過(guò)傳統(tǒng)的卡尺等方式測(cè)量較為煩瑣，因此借助圖像處理技術(shù)測(cè)量焊點(diǎn)。

3.1 數(shù)字圖像的獲取

為快速、穩(wěn)定地獲取焊點(diǎn)圖像，本文搭建了一種視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)，主要由工業(yè)相機(jī)、視覺(jué)測(cè)量支架、試片固定支架、總成定位支架以及帶三級(jí)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，可以自動(dòng)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行拍照處理，在單套系統(tǒng)內(nèi)完成多個(gè)焊點(diǎn)的尺寸檢測(cè)。

3.2 焊點(diǎn)特征區(qū)域的識(shí)別和測(cè)量分析

本次實(shí)驗(yàn)基于Halcon 軟件，首先通過(guò)threshold 算子篩選焊點(diǎn)圖像閾值，從而篩選出黑色和銀色部分。其次，采用connection 算子將選中部分組合，采用select-shape 算子對(duì)焊點(diǎn)圖像進(jìn)行相似度篩選，采用edges 算子提取邊緣輪廓。最后，采用像素法計(jì)算出焊點(diǎn)各特征區(qū)域面積。

3.3 焊點(diǎn)特征區(qū)域的尺寸統(tǒng)計(jì)

各選取50 臺(tái)白車身中的10 個(gè)合格鍍鋅板焊點(diǎn)測(cè)量鋅暈區(qū)直徑和焊點(diǎn)區(qū)直徑，計(jì)算鋅暈區(qū)直徑相對(duì)焊點(diǎn)區(qū)直徑擴(kuò)大比例，取所有被測(cè)焊點(diǎn)的平均值為18.86%，如圖4 所示。

圖4 鍍鋅板焊點(diǎn)鋅暈層擴(kuò)大比例

4 鍍鋅板焊接計(jì)算方法的驗(yàn)證

鍍鋅板焊接參數(shù)除了焊接電流外，其余參數(shù)如電極端面直徑、電極壓力以及焊接時(shí)間均可以參考裸板的焊接，因此選用相同材料的裸板組合進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

4.1 鍍鋅板焊接參數(shù)的計(jì)算

如表1 所示，各選取車身常見(jiàn)的兩層焊和三層板焊接組合進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

具體參數(shù)如表2 所示，相對(duì)于裸板焊接在電極端面直徑、電極壓力以及焊接時(shí)間不變的情況下，鍍鋅板焊接電流大小遵循式（6），其中取值為1.1886。

表1 常見(jiàn)鍍鋅板組合

表2 鍍鋅板焊接參數(shù)

4.2 試片的焊接和驗(yàn)證

焊接設(shè)備如圖5 所示，選取的是小原機(jī)電有限公司的工頻交流焊機(jī)。

圖5 工頻交流焊機(jī)

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 2651—1989，將焊接完成的試片制備成可用于拉力試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)樣件。電阻點(diǎn)焊的檢測(cè)方法分為破壞性檢測(cè)和非破壞性檢測(cè)兩種。超聲波檢測(cè)作為現(xiàn)在汽車主機(jī)廠中最主流的非破壞性檢測(cè)方式，可以有效地在不破壞焊點(diǎn)的情況下檢測(cè)出對(duì)焊點(diǎn)性能有決定性影響的熔核直徑和壓痕深度等尺寸。如圖6 所示，本文使用的超聲波檢測(cè)設(shè)備為NextNDT 公司的NextSpot 300，是具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖形識(shí)別能力的第三代超聲波設(shè)備，可以給出焊點(diǎn)的彩色超聲波檢測(cè)圖像。

圖6 NextSpot 300 系列超聲波檢測(cè)設(shè)備

如圖7 所示，合格的熔核以圓形區(qū)域的圖像呈現(xiàn)。通過(guò)圖像可以判斷出焊點(diǎn)是否存在過(guò)燒和虛焊的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作確認(rèn)，該設(shè)備的置信度在98%以上，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中可作為主要的質(zhì)量檢查工具。

圖7 合格焊點(diǎn)超聲波檢測(cè)圖像

表3 是試片的超聲波檢測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)熔核直徑大于最低熔核直徑標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)減薄率也低于30%，可以認(rèn)為焊接試片的焊點(diǎn)是合格的。

表3 鍍鋅板試片超聲波檢測(cè)結(jié)果

通常利用拉伸-剪切試驗(yàn)驗(yàn)證焊點(diǎn)接頭的強(qiáng)度。焊點(diǎn)接頭強(qiáng)度和焊接母材本身的強(qiáng)度、熔核直徑的大小成正比關(guān)系。Keller F、Mcmaster R C 和Heuschkel J 等人在焊點(diǎn)拉伸-剪切強(qiáng)度的研究基礎(chǔ)上提出了焊點(diǎn)拉伸-剪切強(qiáng)度的線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式[3-5]：

式中，S 為拉伸-剪切強(qiáng)度；t 為母材厚度；S0為母材強(qiáng)度；d 為焊點(diǎn)直徑；C 和Mn 為合金元素占母材重量的百分比；α 和β 為關(guān)于母材厚度t 的函數(shù)。由式（8）可知，正常情況下焊點(diǎn)接頭的拉伸-剪切強(qiáng)度隨母材本身的強(qiáng)度和焊點(diǎn)直徑（熔核直徑）的變大而增大。

實(shí)際生產(chǎn)中，焊接母材的材料和料厚組合過(guò)于復(fù)雜，焊接過(guò)程中的影響因素過(guò)多，不同焊接參數(shù)對(duì)應(yīng)的焊接結(jié)果也不同，很難使用式（8）完全描述焊點(diǎn)接頭的強(qiáng)度。因此，實(shí)際生產(chǎn)中常常采用有限元模型仿真得到焊點(diǎn)的接頭強(qiáng)度大小。以下采用某主機(jī)廠中使用的有限元軟件SORPAS 對(duì)試片進(jìn)行仿真。

表4 是試片的接頭強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，其中三層焊焊接結(jié)果中拉伸-剪切力1 為上層板的接頭強(qiáng)度，拉伸-剪切力2為下層板的接頭強(qiáng)度。綜上可知，鍍鋅板焊接試片的焊點(diǎn)和裸板的狀態(tài)一致，熔核直徑均優(yōu)于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，焊點(diǎn)的減薄率均小于30%。此外，拉伸-剪切力的10 次結(jié)果平均值也優(yōu)于SORPAS 仿真結(jié)果。

表4 鍍鋅板試片拉伸-剪切試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

鍍鋅板焊接在相同焊接時(shí)間下需要比裸板更高的焊接電流。鍍鋅板鋅暈層對(duì)鍍鋅板焊接參數(shù)具有決定性影響。鍍鋅板焊接電流的大小和鋅暈層的直徑成正比，可以通過(guò)模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。通過(guò)超聲波檢測(cè)和拉伸-剪切力檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)鍍鋅板焊接試片的焊點(diǎn)的幾何特征和接頭強(qiáng)度均優(yōu)于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和SORPAS 仿真結(jié)果，滿足現(xiàn)場(chǎng)的造車需求。