王 剛 王良濤

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

基于中頻焊機(jī)對普通鋼板焊接參數(shù)的研究與工程應(yīng)用

王 剛 王良濤

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

電阻點(diǎn)焊是轎車行業(yè)最主要的焊接方法，傳統(tǒng)點(diǎn)焊設(shè)備為工頻焊機(jī)設(shè)備壽命短、能源浪費(fèi)多、功率因數(shù)低、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，新型的中頻焊機(jī)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)焊接設(shè)備的缺陷。文中基于中頻焊機(jī)對普通鋼板的焊接，研究不同焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，結(jié)合工程生產(chǎn)實(shí)際、數(shù)據(jù)擬合、優(yōu)化運(yùn)算，為生產(chǎn)車間針對不同板材組合找到合適的焊接參數(shù)區(qū)間。不同板厚組合不同焊接參數(shù)，研究焊點(diǎn)表面質(zhì)量、金相組織、顯微結(jié)構(gòu)。工程應(yīng)用表明，這種方法得到的參數(shù)具有使用方便、參數(shù)選取準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在新車型試生產(chǎn)與后續(xù)參數(shù)調(diào)試優(yōu)化過程中效果顯著。

電阻點(diǎn)焊 中頻焊機(jī) 數(shù)據(jù)處理 工程應(yīng)用

0 序 言

電阻點(diǎn)焊操作簡單、質(zhì)量相對穩(wěn)定、便于控制、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化。因此一直以來是轎車行業(yè)最主要的焊接工藝，完成90%以上的轎車車身焊裝工作量[1-2]。目前各大汽車生產(chǎn)工廠使用的點(diǎn)焊焊機(jī)按其頻率分，主要有中頻和工頻兩種。雖然工頻焊機(jī)控制簡單、技術(shù)成熟、成本相對較低，但是焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。新型的中頻焊機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)直流焊接、變壓器小型化、電流控制響應(yīng)速度快、功率因數(shù)高、節(jié)能效果好、能量密度高縮短焊接時間、部分設(shè)備具有良好的自適應(yīng)功能，可以實(shí)現(xiàn)工頻控制無法實(shí)現(xiàn)的焊接工藝，因此傳統(tǒng)的工頻焊接設(shè)備逐步被新型的中頻伺服焊機(jī)所取代已成為必然趨勢[3-8]。例如某大型汽車制造廠長沙工廠、武漢工廠所有點(diǎn)焊設(shè)備均為中頻焊機(jī)。

焊接參數(shù)直接影響點(diǎn)焊質(zhì)量，隨著中頻焊機(jī)的普及推廣、產(chǎn)能提升和汽車項(xiàng)目速度加快，針對中頻焊接設(shè)備參數(shù)的快速選擇，已然成為汽車制造業(yè)界的亟待解決的難題。文中結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用現(xiàn)狀，根據(jù)影響焊接質(zhì)量的因素，研究一種快速選擇焊接參數(shù)的方法。

Q=I2Rt=Q1+Q2+Q3

(1)

式中,Q為焊接設(shè)備產(chǎn)生的總能量；Q1為形成熔核的有效能量；Q2為焊接區(qū)域向周圍散發(fā)的能量(包括飛濺)；Q3為焊槍電極吸收的能量；I為焊接電流；R為電極間的電阻；t為焊接時間。

介于影響焊接質(zhì)量因素眾多且大部分不可控，文中將從三個可控參數(shù)焊接電流、通電時間、電極壓力，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，來研究不同焊接參數(shù)對普通鋼板的焊接質(zhì)量的影響。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具采用數(shù)據(jù)擬合、優(yōu)化算法，得到一套選擇焊接參數(shù)的方法。以便在新項(xiàng)目階段指導(dǎo)焊接參數(shù)的設(shè)定，后期批量生產(chǎn)階段焊接質(zhì)量的優(yōu)化工作。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選擇的原材料是車間實(shí)際使用的普通鋼板，表面清理干凈，忽略油污的影響，零件匹配間隙小于0.1 mm，忽略匹配對焊接過程的影響。所有試驗(yàn)材料均為熱軋鋼板，材料元素含量如表1所示。

表1 板材元素質(zhì)量百分含量表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)原理

為了得到一定的樣本，選擇4種板厚組合的板材進(jìn)行試驗(yàn)。采用正交試驗(yàn)法選取樣本時，保證每個樣本均勻抽樣，研究出每一個焊接參數(shù)對結(jié)果的影響，以及焊接結(jié)果對每一個參數(shù)的敏感程度。試驗(yàn)選擇0.7+0.7，0.9+0.9，1.3+1.3，1.5+1.5，2.0+2.0的普通冷軋鋼板，針對所選取樣本采用正交試驗(yàn)法做焊接試驗(yàn)。

本文系統(tǒng)的闡述了青海柴達(dá)木盆地周緣殘山地球化學(xué)景觀區(qū)地形、地貌、水系發(fā)育程度；水系沉積物、土壤、鈣積層和風(fēng)成物的分布特點(diǎn)；風(fēng)成物和鈣積層的分布對水系沉積物樣品的干擾程度等。通過采樣對比分析，認(rèn)為排除干擾最有效的辦法是剔除表層干擾物，直接采集基巖風(fēng)化的巖屑物質(zhì)代替水系沉積物。在野外采樣過程中應(yīng)用水系沉積物采樣有效控制匯水域的思想，用放射的樹枝狀結(jié)構(gòu)多點(diǎn)組合、主副點(diǎn)結(jié)合的化探采樣方法，盡可能的提高每個樣品的有效性和代表性，野外采用化探采樣航跡監(jiān)控系統(tǒng)對主副點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，確保采樣到位率，使得所采集的巖屑組合樣能有效代替控制匯水域范圍內(nèi)下伏基巖的化學(xué)成份，保證獲得質(zhì)量可靠的第一手資料。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

企業(yè)焊接質(zhì)量評判指標(biāo)有以下幾項(xiàng)：焊點(diǎn)直徑、焊核偏移率、剩余板厚。而不同的焊接參數(shù)焊點(diǎn)的熱力學(xué)過程不同，顯微結(jié)構(gòu)也必然存在差異，不同的顯微結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同，同樣也會影響焊接質(zhì)量。當(dāng)焊點(diǎn)板厚存在差異時，不同板上的熱力學(xué)過程也存在差異，存在焊合偏移的現(xiàn)象，而相同板厚焊接時不存在焊核偏移的現(xiàn)象。文中僅針對相同板厚的焊接，因此選擇的評判指標(biāo)是焊點(diǎn)熔核直徑和剩余板厚。

2.1 變量正交試驗(yàn)

由于焊接參數(shù)較多，每一個參數(shù)變化都會影響焊接質(zhì)量，且他們的影響效果不同，即焊點(diǎn)熔核直徑對焊接參數(shù)的靈敏度不相同，因此文中設(shè)計出如表2所示的焊接正交試驗(yàn)設(shè)計表。

表2 焊接正交試驗(yàn)設(shè)計表

試驗(yàn)選取焊接時間、焊接電流、板材厚度、電極壓力4個變量作為參考因子，試驗(yàn)依次以t,I,H,F表示，每個變量選擇4個水平，根據(jù)正交試驗(yàn)方法，選擇L16(4-5)直交表設(shè)計試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)的曲線效應(yīng)分析，可以看出4個變量因子對焊點(diǎn)熔核直徑大小產(chǎn)生顯著影響，影響曲線圖如圖1所示。其中,tx為焊接時間;Ix為焊接電流;Hx為板厚之和;Fx為電極壓力；縱軸為焊核直徑對4個因子的響應(yīng)靈敏度。

圖1 4個因子對熔核直徑的影響曲線圖

圖1通過焊接正交試驗(yàn)，可以看出4個變量每變化一個單位時所對應(yīng)的焊點(diǎn)熔核直徑的變化量。則可得出4個因子對焊點(diǎn)熔核直徑的影響大小依次是：焊接電流I>焊接時間t>板厚H>電極壓力F。因此生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)熔核不足，最有效的辦法就是增加焊接電流，當(dāng)電流增加到一定程度時可以適當(dāng)增加電極壓力，以保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.2 變量的擬合

為了研究某一個焊接參數(shù)對焊點(diǎn)熔核直徑的影響大小，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)處理軟件Isight進(jìn)行擬合計算，發(fā)現(xiàn)影響焊點(diǎn)熔核直徑的4個自變量和熔核直徑這個因變量是復(fù)雜的五維空間。而實(shí)際生產(chǎn)中針對確定的一個焊點(diǎn)對應(yīng)的焊槍是確定，同時板材組合和電極壓力是不會發(fā)生變化的，因此只有面對車間所有焊點(diǎn)時，這4個自變量和一個因變量才是五維空間。面對對某一確定板材可以認(rèn)為只有兩個變量焊接電流和焊接時間，即板厚和電極力不變，焊接電流和焊接時間與焊核直徑三者在空間坐標(biāo)系中是一個瓦片狀曲面，如圖2a焊接電流I和時間t對熔核直徑D的影響。

如果人為調(diào)整電極壓力，即當(dāng)其他條件不變電極力F和焊接時間t發(fā)生變化時焊點(diǎn)熔核直徑在空間坐標(biāo)系中成馬鞍面狀，如圖2b焊接壓力F和時間t對熔核直徑的影響。

實(shí)際焊接時焊接參數(shù)是在一定范圍內(nèi)變化，影響焊點(diǎn)直徑的根本原因是焊接面吸收的能量。為了適合工程制造，引入焊接面有效焊接能量這個概念。有效能量與焊接參數(shù)存在如式(2)關(guān)系：

Q1=I2t/(F·h)-αtFI2h

(2)

式中,Q1為形成熔核的有效能量；F為焊接電極壓力；h為接觸電阻系數(shù)；α為電極間導(dǎo)熱系數(shù)；I為焊接電流；R為電極間的電阻；t為焊接時間。

圖2 焊點(diǎn)熔核直徑與三個變量關(guān)系圖

焊核直徑與Q1存在非線性關(guān)系，每種板厚焊點(diǎn)質(zhì)量狀態(tài)取決于Q1。當(dāng)P1Q1>P2時焊點(diǎn)會出出現(xiàn)飛濺毛刺，焊核直徑合格；當(dāng)Q1>P3時會出現(xiàn)焊接噴濺，出現(xiàn)焊接飛濺過大甚至焊穿，剩余板厚出現(xiàn)的不合格一般在出現(xiàn)在這個區(qū)間。其中，P1為焊核直徑合格需要能量臨界值；P2為飛濺焊接能量臨界值；P3為噴濺焊接能量臨界值。針對一種板才組合這三個臨界值是不變的，如圖3所示焊接能量臨界值。其中，αtFI2h為散失的能量，占總能量輸入的70%以上，α與板厚、電極帽直徑、金屬熱傳導(dǎo)率有關(guān)。

圖3 焊接能量輸入與焊接質(zhì)量圖譜

2.3 接頭顯微組織

電阻焊焊點(diǎn)區(qū)域形成過程是母材熔化重新結(jié)晶的過程，再結(jié)晶過程中不同的能量輸入對板材再結(jié)晶影響不同，再結(jié)晶時焊核及塑性環(huán)區(qū)域顯微組織也會相應(yīng)不同。焊核的金相圖如圖4所示，圖4中A區(qū)域?yàn)樗苄原h(huán)區(qū)域，B區(qū)域?yàn)楹负藚^(qū)域。

圖4 焊核金相圖

塑性環(huán)是焊核與母材熱影響區(qū)的過渡區(qū)域，這個區(qū)域焊接時溫度梯度最大，焊接時最先冷卻將焊核包裹起來，有助于焊點(diǎn)焊接后期的成形，并且對焊點(diǎn)承受載荷起到關(guān)鍵作用。

焊核顯微組織與母材越接近或者晶粒越細(xì)，則強(qiáng)度和疲勞壽命會更好，更接近材料的原始特性或者更優(yōu)。試驗(yàn)研究不同焊接參數(shù)對焊核內(nèi)部及塑性環(huán)區(qū)域結(jié)晶狀態(tài)顯微組織的影響。

不同的焊接參數(shù)會產(chǎn)生不同的能量輸入，板材焊接的焊點(diǎn)塑性環(huán)及焊核結(jié)晶狀態(tài)影響不同[9-11]。對于特定板材組合，壓力和板厚都不會變，變量只有時間和電流。保證焊點(diǎn)強(qiáng)度的條件下，采用小電流焊接時，因?yàn)樾‰娏鞫虝r間焊接，能量輸入小，塑性環(huán)區(qū)域冷卻速度快，此處顯微組織片狀珠光體+鐵素體，如圖5所示；隨著焊接時間的增加焊點(diǎn)熱影響區(qū)會逐漸變大，塑性環(huán)區(qū)域散熱效果逐漸變差，此處的顯微組織逐漸過渡到魏氏體+滲碳體組織，如圖6所示；焊核區(qū)域原本位于熔池中部散熱效果更差差，隨著焊接時間的增減熱影響區(qū)擴(kuò)大，散熱速度更低，其顯微組織由片狀珠光體逐漸變?yōu)槲菏象w+鐵素體組織，如圖7～8所示。

大電流焊接時，采用短時間焊接，即硬規(guī)范焊接，因?yàn)榫€能量輸入低，塑性環(huán)區(qū)域連接金屬母材散熱效果好，其組織為顆粒狀狀珠光體+鐵素體如圖9所示；隨著焊接時間增加時線能量輸入增加，熱影響區(qū)變大，焊核金屬熔化區(qū)散熱效果變差，塑性環(huán)區(qū)域冷卻速度低，其組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w+鐵素體，如圖10所示；對于焊核區(qū)域而言，當(dāng)焊接時間減小時，焊核區(qū)域能量密度低，金屬熔池結(jié)晶后顯微組織為顆粒狀珠光體，如圖11所示；當(dāng)焊接時間繼續(xù)增加至達(dá)到噴濺點(diǎn)時，熔核區(qū)顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w+滲碳體，如圖12所示。

圖5 小電流短時間塑性環(huán)上顆粒狀珠光體

圖6 小電流長時間塑性環(huán)魏氏體+滲碳體

圖7 小電流短時間焊核區(qū)域片狀珠光體+滲碳體

圖8 小電流長時間焊核區(qū)域魏氏體

圖9 大電流短時間塑性環(huán)區(qū)域顆粒狀珠光體

顯微組織顆粒狀珠光體性能最好，且顆粒狀晶粒越接近原始材料。因此實(shí)際生產(chǎn)中焊接參數(shù)的選擇，盡量選用線能量密度較低參數(shù)來焊接，焊接時間和焊接電流并非越大越好，應(yīng)該首選小電流短時間的焊接參數(shù)、其次是短時間大電流的焊接參數(shù)，對于厚板來說為了到達(dá)一定的熔核直徑，采用大電流短時間即硬規(guī)范焊接，焊核顯微組織性能比軟規(guī)范焊接的顯微組織更好。實(shí)際生產(chǎn)中為了保證安全和現(xiàn)場整潔的條件，一般選用軟規(guī)范焊接。

圖10 大電流長時間塑性環(huán)區(qū)域魏氏體+滲碳體

圖11 大電流短時間焊核區(qū)域顆粒狀珠光體

圖12 大電流長時間焊核區(qū)域魏氏體

3 工程實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際生產(chǎn)中對于薄板及表面要求高的焊點(diǎn)焊接首選硬規(guī)范，焊接完工后焊點(diǎn)表面質(zhì)量高，飛濺也比較小。對于厚板焊接，機(jī)器人工位采用硬規(guī)范，飛濺雖然大，但焊核質(zhì)量高，焊點(diǎn)熔核直徑達(dá)標(biāo)，且塑性環(huán)和焊核區(qū)域顯微組織為細(xì)小均勻顆粒狀珠光體，焊點(diǎn)疲勞性能高于軟規(guī)范焊點(diǎn)。手動焊接崗位，考慮到人機(jī)工程和環(huán)境因素，選用軟規(guī)范焊接此時焊核顯微組織為粗大的魏氏體組織。

針對車間的1.3 mm普通鋼板焊接作為應(yīng)用實(shí)例。根據(jù)軟件計算出來的參數(shù)如下：電流I為7.86 kA、焊接時間為362 ms、電極壓力為2.51 kN。實(shí)際應(yīng)用時，參數(shù)選擇四舍五入的辦法設(shè)定焊接參數(shù)，設(shè)定的參數(shù)是：電流I為7.9 kA、焊接時間為362 ms、電極壓力為2.5 kN，焊接后焊點(diǎn)表面質(zhì)量良好，焊點(diǎn)熔核直徑為6.0 mm，剩余板厚1.2 mm滿足公司標(biāo)準(zhǔn)，塑性環(huán)區(qū)域的顯微組織是顆粒狀珠光體組織，焊核區(qū)域的組織為顆粒稍大的珠光體組織。

4 結(jié) 論

(1)焊點(diǎn)熔核直徑對焊接電流更為敏感，生產(chǎn)中出現(xiàn)熔核直徑不足，排除設(shè)備故障的情況下，焊接參數(shù)中增加焊接電流最為快速有效。

(2)焊點(diǎn)熔核直徑取決于有效能量輸入，它是焊接電流、焊接時間、電極壓力和板材厚度4個變量綜合作用的結(jié)果，保證有效能量在臨界值P1與P3之間焊核質(zhì)量都合格，當(dāng)有效能量

(3)采用硬規(guī)范焊接的焊點(diǎn)，塑性環(huán)及焊核區(qū)域顯微組織是性能較好的珠光體組織；軟規(guī)范焊接的焊點(diǎn)，塑性環(huán)和焊核區(qū)域顯微組織是魏氏體或魏氏體+滲碳體。

[1] 姜賢茂, 張小云. 伺服焊槍中頻直流點(diǎn)焊在車身制造中的應(yīng)用[J]. 焊接, 2014(4):36-39.

[2] 吳青云, 魏慶豐, 周 景,等. 中頻直流伺服焊接技術(shù)優(yōu)勢[J]. 汽車工藝師, 2012(3):40-43.

[3] 王 平. 中頻焊接的優(yōu)勢[J]. 汽車工藝師, 2006(9):92-93.

[4] 劉世權(quán). 中頻逆變電阻焊接的優(yōu)勢[J]. 現(xiàn)代制造, 2008(43):43-43.

[5] 劉新霞. 馬氏體高強(qiáng)鋼中頻電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的研究[J]. 焊接, 2010(5):62-65.

[6] 張 勇. 電阻焊控制技術(shù)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2014.

[7] 王 淼. 淺議中頻電阻焊技術(shù)的應(yīng)用性能[J].中國電子商務(wù), 2012(23):83-84.

[8] 許祥平, 李 恒, 王錫嶺,等. 采用中頻逆變電阻焊和閃光對焊焊接圓環(huán)鏈的對比研究[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015, 29(3):239-242.

[9] 白韶軍, 王 超, 陳樹君,等. 熱沖壓22MnB5硼鋼中頻電阻點(diǎn)焊接頭組織及力學(xué)性能研究[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2013, 39(5):666-670.

[10] 李海賓, 陳 鎧, 肖榮詩,等. 熱成形硼鋼激光焊接與電阻點(diǎn)焊接頭性能對比研究[J]. 電加工與模具, 2012(1):20-23.

[11] 張 健, 嚴(yán)思杰. 汽車用DP590雙相高強(qiáng)鋼板電阻點(diǎn)焊性能研究[J]. 熱加工工藝, 2017(5):231-233.

2017-02-21

TG453+.9

王 剛,1986年出生，學(xué)士學(xué)位。主要從事車身車間焊接工藝管理與質(zhì)量優(yōu)化控制工作，主導(dǎo)上汽大眾汽車有限公司途觀、途安、新桑塔納等車型的焊接工藝與質(zhì)量優(yōu)化工作。