伺服焊枪技术在高强钢电阻点焊质量控制中的应用

 随着汽车轻量化与车身安全性要求的不断提高，以热镀锌双相高强钢为代表的先进高强钢(Advanced High Strength Steels, AHSS)，以其强度高、成型性能好、能量吸收率高、初始加工硬化速率高和防撞凹性能好等综合优势，迅速发展为汽车制造中应用前景最为看好的轻量化材料之一。2005年先进高强钢在汽车工业用钢中的比例为12%，预计2015年这一比例将增至50%。

      随着高强度钢板等轻量化材料在车身中的广泛应用，在生产条件相对恶劣的汽车装配生产线上，点焊接头质量的不稳定及其检测评价标准有待制定的问题日益突出。由于高效率、低成本的电阻点焊技术在车身装配过程中的占比相当大，先进高强度钢板的点焊质量问题已受到国内外研究学者的密切关注。

     相比传统普通低碳钢板，由于先进高强度钢的特殊物理化学属性，其焊接工艺性能较难控制，焊接窗口狭窄、电极磨损剧烈、飞溅严重等问题相对突出，通常需要更高的焊接电流、电极力与焊接时间。然而，电阻点焊是一个多变量耦合的高度非线性过程，点焊的形核处于封闭状态，与此同时，对点焊过程有影响且在焊接期间难以检测的偶然因素较多，使焊点质量评价参数(熔核尺寸、焊点强度等)无论在焊接期间还是焊后都无法直接观测。

     先进高强钢在车身中的应用现状

     目前，全球各类轿车的平均重量在1.2~1.4吨之间，若能全部应用先进高强钢，大约可减重15~20%。在著名的超轻钢车体计划ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body)中，通过大量使用先进高强钢，在不增加成本的前提下大幅提高了车身强度，静态弯曲刚度增加52%，静态扭转刚度增加80%，特别是车重减轻 25%，且不需要增加补强部件。

     在另一个轻量化项目PNGV(Partner Ship for a New Generation of Vehicles)中，车身质量减少了40%，平均每百公里油耗可由9L降至3L。在超轻车体中，双相钢(DP)占了车体总质量的74.3%，总计 162.25kg。 在日本，2000年汽车双相钢用量是1996年的20倍，2003年双相钢已占用钢总量的45%以上，预计到2008年可达60%。

     先进高强钢电阻点焊质量问题

     电阻点焊由预压、通电加热、维持、休止等阶段组成，两层或多层薄板金属在电极力作用下靠一对电极被挤压在一起，当可控硅(SCR)触发导通时，电流流过薄板金属并产生大量的焦耳热。

     由于薄板与薄板之间结合面的电阻在焊接开始阶段相当高，热量集中在结合面周围。当结合面的温度高于金属的熔点时，熔核在结合面形成并长大。电流切断后，熔核开始冷却、固化，形成一个固体接头。

     先进高强钢中碳与微量元素的含量低，一般不产生淬火组织或夹杂物，由于双相钢的高强度性能使塑性温度区间变窄，为获得同样的塑性变形需要较大的电极压力，这导致合适的焊接工艺范围变窄。

     而且，由于钢板内部组织特性，电阻点焊过程中焊点内部冷却速度的不均会产生气孔等缺陷，从而导致焊点熔核区强度低于母材强度，出现焊点熔核界面的断裂。其次，生产中双相钢点焊常采用强规范，电极磨损因此加快，还容易发生飞溅和压痕过深，造成焊接质量的不稳定。

     点焊质量问题主要表现如下：

     1、焊点熔核断裂

     点焊接头断裂形式是评价焊点质量的标准之一。在车身广泛采用的破坏性点焊质量检验中，焊点接头可能从熔核上剪断，即熔核断裂;也可能从焊点四周破断为“纽扣”状，即母材断裂。

     发生熔核断裂的焊点十字拉伸强度将下降约10%，而焊点低周疲劳寿命将下降约25%。发生母材断裂的焊点能够承载较大载荷，熔核尺寸能满足接头强度要求。

     按照焊点质量等级评定要求，一级标准要求每批撕破试片中，应有95%的焊点呈钮扣状撕破，其余5%的焊点可在贴合面熔化区撕开，但熔化区尺寸至少是“钮扣”平均尺寸的80%。在高强度钢电阻点焊过程中，熔核界面断裂问题给传统焊点质量破坏性检测方法提出了技术挑战。

     2、焊接工艺窗口狭窄，鲁棒性差

     由于焊接通电在很短时间内完成，需要用大电流并施加压力，不同焊接工艺参数的组合将影响焊接中的能量输入和分配、局部热积累速度、热量分布、焊接温度场，进而影响点焊熔核的形成。

     对几种不同金属薄板的焊接工艺窗口进行了对比，能够看出高强钢板的点焊工艺窗口相对狭窄很多，表明高强钢的点焊过程鲁棒性较差，可焊性不好，同时焊接过程的飞溅相比低碳钢板也严重得多。

     3、电极磨损严重

     点焊电极在工作时要承受相当大的焊接电流和电极力。由于电极工作表面直接接触焊点，承受焊接所产生的高温，电极压力在常温下对铜合金电极的影响还不太大，但在870K以上时，就会达到或超过某些电极铜合金在该温度下的屈服强度，引起电极工作面的迅速变形和压馈，使电极头部严重变形而无法工作。

     电极磨损导致电极端面面积增加，改变了电极与工件接触表面的导电、导热属性，降低了电极与工件接触面的电流密度与电极压力，影响熔核的形成。在点焊镀锌高强钢板等材料时，电极磨损已经成为影响焊点质量的主要因素。0.8mm双相高强钢(DP600)的点焊电极磨损试验证明，电极端面直径随焊接点数的不断增加而增大。

     不同焊接点数下的电极及其焊点表面状态如图4。焊点直径与表面状态实际上是电极端面直径与表面状态的反映，刚开始焊接时，焊点圆形度较好，表面状态平整，随着电极磨损的加剧，焊点圆形度变差，表面也越发凹凸不平。在点焊镀锌板时，高温使电极表层产生了低熔点合金，当电极离开工件时，低熔点合金在飞溅作用下离开了电极端面，并在端面上产生一个小的弧坑，形成点蚀，也即图4中电极压印的空白区域。

     点蚀提高了其周围的电流密度和电极压力，导致了点蚀周围产生更严重的塑性变形和脱落，加速电极磨损。在约200点时开始出现点蚀，当点蚀面积增加到一定程度，在相同的电极力作用下，电极与工件间必须保持更大的接触面积以抵抗电极力，因此会出现电极与工件间接触面积突增的情况，点蚀对电极表面状态比较敏感，产生的随机性大，对电极寿命影响大，这是点焊镀锌板电极磨损不稳定的主要原因。

     为拉剪强度、熔核直径和电极端面直径随焊接点数的变化规律，当电极端面直径磨损到约6.8mm时，拉剪力开始明显下降，则认为电极失效。此时焊接点数约为1200点，而采用相同尺寸电极点焊普通低碳钢的电极寿命则为9000点，从中可知：高强钢的电极磨损相比普通低碳钢的要严重很多。

     目前一般采用递增电流的工艺方法以补偿电极磨损造成的电流密度降低，但这需要耗费更大的能量，并且只能按照事先通过实验确定的电流递增工艺方案进行焊接，无法解决由于不确定性电极磨损造成的焊点质量下降。

     减少电极磨损对焊点质量影响的另一方法是进行电极修磨，使电极的端面面积与表面状态恢复到初时电极状态。目前的做法只是根据试验事先确定点焊某种材料的电极修磨时刻，在此点数后强制修磨或更换电极。

     对于点焊普通板而言，由于其电极磨损修磨较平缓而有规律，电极修磨的方法较为有效。但是对于新型材料的焊接，无法保证在电极修磨或更换电极以前焊点质量是否合格。而如果通过减少焊接点数保证焊点质量来进行电极修磨，会造成电极修磨频繁，提高生产成本。因此，实现高强钢点焊电极磨损程度的在线检测非常重要。

     基于伺服焊枪的高强钢点焊质量控制方法

     针对上述质量问题，新型焊接装备发展、焊接质量检测与控制方法的革新为高强钢点焊质量保证提供了新的研究方向——伺服焊枪技术。

     伺服焊枪在焊枪的发展里程上相当于机床行业里由普通机床到数控机床的飞跃。它采用伺服电机作为动力装置，精确控制电极位移与电极力，由伺服控制器实现对伺服电机的高效、准确控制，易于与机器人控制器接口有效集成，从而实现对点焊电极的高精度定位与柔性焊接控制。

     1、伺服焊枪技术特性

     伺服电机驱动的伺服焊枪，可对焊接过程进行精确控制。其电极运动由伺服马达控制，能很好地控制电极运动速率，电极与工件接触时的冲击很小，可显著提高电极寿命。

     从控制的观点来看：气动焊机是开环控制，伺服焊枪则是闭环控制，伺服焊枪点焊电极的运动和电极压力便能得到更加精确的控制。伺服焊枪通过缩短单个焊点的预压时间来提高点焊生产率，而且可编程的电极行程和速度也可以缩短同一工位上多个焊点的预压持续时间，提高焊接生产率。

     焊接过程的可控性要归功于伺服电机和它的控制技术。由于可以容易地改变电极压力，焊接过程中锻压力的获得就变得可能。伺服电机转矩和速度作为伺服电机控制器的输出量，其变化量可以容易地转变为电极力和电极位置的变化，并且使电极力和电极位移信号的在线实时监控变得可行，电极运动控制、在线失效探测和电极磨损的自动补偿也比气动焊机更容易。利用伺服焊枪的这些优势，可优化焊接工艺参数，助于提高高强钢点焊接头质量。

     2、基于伺服反馈特性的高强钢点焊质量检测与控制

     由于高强钢点焊熔核界面断裂问题的存在，传统采用4√t或5√t(t为板厚)的焊点质量评价方法很难适用。而利用伺服焊枪位置反馈特性实现焊点压痕的在线提取，通过建立压痕与熔核尺寸、焊点强度的定量关系模型，可实现焊点质量的在线检测，一定程度上避免熔核界面断裂给点焊质量检测带来的问题。