汽車行業焊接專業電阻點焊降飛濺淺析

熊明釗 唐曉雪 云雷

（一汽-大眾汽車有限公司成都分公司，成都 610100）

1 前言

隨著汽車行業的迅猛發展，焊接工藝在保證焊接質量的同時，也越來越關注焊接時所產生的飛濺對設備和操作者造成的危害。焊接過程中產生的高溫飛濺附著在信號線、檢測開關等精密設備表面，會造成設備故障，造成停臺，降低設備開動率。同時飛濺可能灼傷員工，甚至引發火災，存在安全隱患；飛濺產生的粉塵會直接影響到操作者的身體健康，飛濺的產生會導致焊接能量的丟失，需要焊接質量控制模塊（The Integrated Quality Assurance System of the Weld Timer，PSQ）調整功能補償焊接電流和焊接時間來保證焊接質量，這樣就造成了能源的浪費和生產節拍的損失。

2 點焊飛濺產生的原因

如圖1所示，由于外部因素使焊核生長速度大于塑性環擴展速度，金屬會沖破塑性環向外噴射形成飛濺，因此，產生飛濺的根本原因就是由于塑性環破裂或不完整，失去了對熔池金屬的包容作用。

圖1 塑性環和焊核

3 飛濺的分類

焊接飛濺根據產生的時間（相對于焊接總時間）分為前期飛濺、中期飛濺和后期飛濺；根據飛濺發生的位置分為板間飛濺和外部飛濺。

板間飛濺一般發生在焊接前期，由于塑性環沒有形成，此時焊點如果加熱過快，使內部金屬氣化，金屬便以飛濺形式向板間縫隙噴射，如圖2a所示；外部飛濺一般發生在焊接中后期，形成熔核后，如果焊接熱量過高，熔核徑向擴展速度太快，在電極壓力作用下沖破塑性環向表面噴射形成外部飛濺，如圖2b所示[1]。

圖2 飛濺種類[1]

4 產生飛濺的因素以及應對措施

飛濺產生的因素一般有以下3點（圖3），一是設備硬件存在缺陷，二是材料材質方面限制，三是焊接參數使用不合格，其應對措施也基本上是從設備硬件、材料、軟件參數等方面制定解決方案。

圖3 飛濺產生的因素

4.1 設備硬件方面

4.1.1 電極對中性不好

對中性不好的影響：導致電極與工件接觸異常，零件與電極帽端面貼合不佳造成塑性環扭曲，產生焊接飛濺。

應對措施：每焊接120 000～140 000個點（數據來源試驗數據）對上下電極桿對中性進行檢查，發現異常及時整改處理，如圖4所示。

圖4 對中性不好

4.1.2 靜電極與工件不垂直

靜電極與工件不垂直的影響：導致電極與工件接觸異常，零件與電極帽端面貼合不佳造成塑性環扭曲，產生焊接飛濺，如圖5所示。

圖5 電極不垂直

應對措施：每焊接120 000～140 000點（數據來源試驗數據）對上下電極桿對中性進行檢查，發現異常及時整改處理；更換動靜電極桿后檢查靜電極與工件的垂直度；若某焊點突發飛濺，檢查電極對中性后，還需檢查靜電極與工件的垂直度。

檢查方法：可使用小型直角尺，測量靜電極4個方向的垂直度，在85～90°范圍內視為合格；觀察焊點外觀，塑性環痕跡與焊點焊核是否同心，若焊核有擠壓，則將電極向擠壓方向調整。

4.1.3 靜電極與工件接觸分流、焊點咬邊

靜電極與工件接觸分流、焊點咬邊的影響：邊緣焊時塑性環不完整，靠近邊緣的一側為塑性環最薄弱部分，焊接時熔核金屬很容易從該處噴出形成飛濺。

應對措施：項目前期根據焊接板材搭接寬度，選擇合適的電極帽尺寸或者銑刀刀片型號；優化調整機器人焊接軌跡，使焊接焊點距離法蘭邊＞2 mm。

4.1.4 電極帽修模

電極帽修模的影響：電極帽端面在修模后，表面氧化層未銑削掉、端面不平整，在焊接的過程中接觸電阻變大，導致瞬時能量變大，破壞焊點塑性環產生飛濺，如圖6所示，應對措施如下：

圖6 電極帽修模標準

a.電極修模后，空焊測試電阻，以檢查氧化層是否銑削掉；

b.制作輔助校具，保證銑削時靜電極與銑刀的同心性；

c.設置合適的修模最大焊點數（焊接高強度鋼時，最大焊點數應設置小些）；

d.銑刀刀片壽命設置合理周期，達到最大修模次數時立即更換（以Ravitex公司的RX三刃刀片為例，銑刀刀片壽命為30 000次）。

4.2 材料方面

4.2.1 零件表面清潔度

零件表面清潔度低會造成焊接時接觸電阻增大，因而發熱量加大，形成飛濺。

應對措施：控制上道工序外協件、自制件來件的油污以及其他雜物。

4.2.2 零件匹配狀態

對于一些厚板組合，特別是含高強鋼的組合，材質較硬，工件間裝配易產生間隙，另外焊接規范區間窄，很容易產生焊接飛濺，應對措施如下：

a.對零件匹配進行監控，當板厚≤1.2 mm時，要求板間間隙≤0.8 mm；當板厚＞1.5 mm時，要求板間間隙≤0.15 mm。針對零件實際匹配間隙大的位置及時進行調整處理。

b.采用預熱預壓的焊接方式加大板材間的貼合度。

c.采用軟規范（小電流、長時間）。

4.2.3 零件材質差異、板材間有填充材料（膠）

對存在表面處理的板材，由于表面鍍層厚度差異，相應的焊接參數也不同，因此對于電鍍板，尤其是熱鍍鋅板在焊接過程中易出現焊接飛濺。若板材間有膠，在焊接過程中會出現電阻變化，產生飛濺。

應對措施：采用預熱方式，增加板材的貼合度，提前破壞材料表面材料防止熱量增加速度過快；在參數中增加斜坡功能，采用強電流擊穿膠層。

4.3 參數選取要點

焊接參數設置一般依據板材類項、強度、厚度選擇合適的焊接電流、電壓、時間及電極壓力，可參考圖7。

圖7 焊接參數設定參考標準

參數設置需要遵循如下原則：

a.規范選擇：軟規范（小電流、長時間）——加熱時間長，溫度場合分布平穩，塑性區寬，在焊鉗壓力的功效下不易發生形變，減少融核內的噴濺，因此飛濺小；硬規范（大電流、短時間）——加熱時間短，溫度遞增快，溫度場合分布不穩定，塑性區窄，在壓力下容易產生飛濺。

b.鍍鋅板材、材料厚等情況下，使用預壓、預熱功能；

c.增加斜坡可以使電流緩慢增加，降低前期飛濺；

d.增加脈沖焊接和冷卻，能防止焊接電流輸入過大；

e.開啟自適應系統（UIR）調整功能、監控功能，對焊點能量進行監控和補償。

5 減少焊接飛濺思路及步驟

5.1 焊點信息核對

主要核對信息如表1所示，主要作用如下：

表1 焊點核對信息

a.保證一個焊點使用只屬于它的一套參數；

b.保證有關于這個焊點的所有信息正確，在參數設置、優化時可以根據此信息采取合適焊接方式；

c.保證在優化參數時參數修改的準確性。

5.2 Bosch控制器飛濺記錄模式

Bosch控制器飛濺記錄在電壓電流調節器（Voltage/Current Regulator，UI）設置頁面，打開記錄模式[2]，在新打開的窗口中勾選需要記錄的控制器名稱（注意勾選了新記錄后系統會自動刪除之前的記錄曲線），設置過程如圖8所示。

圖8 Bosch控制器模式

5.3 鎖定需優化的焊點

Bosch控制器統計飛濺率結果如圖9所示。

圖9 飛濺率統計結果

飛濺率為飛濺焊點數與總焊點數的比值。利用飛濺統計功能，確定出飛濺率高的焊點，優先從飛濺率高的焊點進行優化。

5.4 根據焊接曲線確定飛濺類項

單位時間內動態電阻陡降一定比例的電阻值就認定為有飛濺，經驗值是5 ms內降低4%電阻。確定步驟如下：

步驟1：焊接總時間前1/3內為早期飛濺，一般由于設備、匹配問題造成（參照前文，若硬件優化無法消除，嘗試優化參數）。焊接總時間后2/3為中后期飛濺，一般由于參數設置問題造成，如圖10所示（根據焊點所處信息，如板材厚度、是否有膠等信息優化參數）。

圖10 飛濺分期曲線

步驟2：確保控制器輸出電流、壓力穩定，對于相差較大的參數進行電流、壓力標定。

步驟3：檢查焊鉗冷卻水流量（圖11）、溫度是否正常，冷卻循環水流量在合理范圍內，保證焊鉗電極冷卻良好。

圖11 冷卻水流量計

步驟4：確保修模器工作正常，電極帽端面修模正常（銑掉氧化層、銑削同心），銑削步驟如下：

a.設定焊鉗修磨后電阻的檢測程序（空焊)。

b.根據焊接材料，每把焊鉗設定為最大焊點數（修模一次焊接的最大點數）。

c.根據每把焊鉗電極帽修模量，設定銑刀刀片的最大壽命數。

d.根據銑刀形狀，設計合適的輔具，使電極帽銑削同心，端面銑削更好。

步驟5：確保焊鉗電極對中性良好，靜電極與工件垂直度良好，無咬邊、分流。

a.可使用小型直角尺，測量靜電極4個方向的垂直度。

b.觀察焊點外觀，塑性環痕跡與焊點焊核是否同心，若焊核有擠壓，則將電極向擠壓方向調整。

5.5 開啟UIR自適應功能補償焊點質量

在飛濺消除后，開啟PSQ的調整功能，控制器根據相應設置對飛濺焊點進行能量補償，如圖12所示。

圖12 飛濺焊點能量補償曲線

6 BC316底板降飛濺優化案例

6.1 使用斜坡功能

信息點：U1A11110R01機器人，焊點索引號3376焊 點5QL-800-710-P0017-N-0210-015800，板件組合為2 mm TL4225和1.2 mm TL4225 2層高強度鋼，板料間有膠。

配合焊接電阻曲線分析，板間有膠是產生飛濺的主要因素，因此增加斜坡功能，使用10 kA，20 ms短時強電流破壞膠層，然后通主焊接電流，參數設置如圖13所示[3]。

圖13 優化前后參數對比

6.2 優化電極垂直度

信息點：U2USTW2205R01機器人與2200R01為雙節拍工位，焊接同一處的23個焊點，2200R01飛 濺 率 為5.5%，2205R01飛 濺 率 為51.7%。對比這2個機器人相同焊點參數，未發現太大差異，且查看2205R01焊接曲線，飛濺均為早期飛濺，故先檢查并優化此焊點對應電極垂直度（圖14）。

圖14 使用直角尺配合調節靜電極與工件的垂直度

優化效果：2205 R01點焊機器人整體飛濺率由51.7%降至20.4%，如圖15所示；展示了此機器人焊點飛濺率在80%以上的焊點飛濺率變化情況。

圖15 整體飛濺率優化前后變化

6.3 使用預熱與脈沖功能

信息點：AB14160R02機器人，門檻下方區域焊點；鈑金匹配間隙狀態較差且間隙難以優化到理想狀態，如圖16所示。

圖16 門檻下方區域焊點

優化措施1：優化前使用單次脈沖，分析發現飛濺主要產生在焊接前期約50 ms時及焊接中期約130 ms時；進行第1次優化，增加預熱，1次脈沖改為3次脈沖，如圖17所示。

圖17 焊接參數優化前后設置

效果驗證：優化焊接參數之后，焊接飛濺集中在118 ms，如圖18所示；說明預熱階段在壓合鈑金之后第1個主焊接脈沖里發生飛濺，可能存在2種原因：焊接壓力不足、焊接能量過于集中。

圖18 焊接電阻監控曲線

優化措施2：增加壓力，由2.6 kN優化為3.0 kN；降低焊接電流，由7.6 kA優化為6.5 kA，同時焊接時間增加到400 ms，分4個脈沖，如圖19所示。

圖19 優化后的焊接參數

效果驗證：優化焊接參數之后，該機器人整體飛濺率由43%降低到6.5%。

7 結論

a.在某項目中，改變傳統焊接飛濺統計的方法（目測），使用控制器的功能飛濺率統計，此方法更加準確、直觀地為優化焊接飛濺提供了方向與目標。在此過程中，通過“電阻-時間”曲線分析，明確前期飛濺原因為設備與匹配問題，中后期飛濺原因為參數設置問題。經過對產生焊接飛濺的原因深入分析，確定出變化（設備硬件、材料）與不變化（參數）的二元性因素，為長期保持焊接低飛濺率提供了方便簡潔的方法。

b.最優參數建立在設備硬件以及零件狀態達到要求的前提下，此時飛濺率最低的狀態是參數最優的設置，在今后長期的生產活動中，飛濺率增高則說明是設備硬件或者零件狀態方面發生了變化，不要用參數彌補設備與零件的變化。

c.板材使用在參數使用方面，綜合節拍與飛濺率，高強度板材偏適于小電流長時間；鍍鋅板材偏適于大電流短時間；多層板材焊接工藝偏適于預熱預壓；板材夾雜膠料，偏適于斜坡、脈沖等焊接方式。

d.采用Bosch控制器PSQ的UIR功能，可以采集并生成焊接過程中的標準的動態電阻曲線，并根據標準動態電阻曲線對高強鋼點焊過程進行恒功率補償，補償飛濺造成的能量損失。

e.通過UIR系統的監控功能，可以有效監控焊點質量和焊接過程的穩定性，有效保證批量生產過程中的點焊質量。