预压时间对伺服焊钳焊接质量的影响

陆德利，冯林林，何柳

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

预压时间对伺服焊钳焊接质量的影响

陆德利，冯林林，何柳

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

在使用普通气动焊钳焊接过程中，预压时间几乎占据了焊接时间的一半，伺服焊钳焊接动作原理与普通气动焊钳不一样，针对采用伺服焊钳时设置不同的预压时间对焊接质量的影响进行了分析。实验对比了相同工况、相同焊接参数、不同预压时间的条件下焊点熔核的大小与焊接飞溅情况。发现伺服焊钳采用不同预压时间对于焊点熔核大小与飞溅情况没有明显的影响。

伺服焊钳；预压时间；焊接质量

在中国汽车工业持续、快速的发展势头下，国内各大汽车主机厂为了加快研发、生产的速度，更快地推出新型汽车，占有细分市场，纷纷引入了更加先进的生产模式与工艺设备，改进生产线的柔性化策略，缩短新产品的研发周期，更加快速的将新产品推向市场。为快速推出新产品抢占市场份额，各大汽车生产厂开始大范围普及机器人自动化柔性生产线。电阻点焊因具有生产效率高、操作简便、无需填充材、易于实现自动化等优点，是现代汽车车身焊装的主要焊接方法[1-2]。电阻点焊作为汽车焊装工艺中最主要的焊接方法之一，承担着白车身约70%的工作量。目前国内各大主机厂焊装区域对电阻点焊焊接质量有影响的焊接时间、电流、压力都有深入研究，近年来各大主机厂焊装自动化率越来越高，大量采用机器人伺服焊钳。因此，机器人伺服焊钳焊接时焊接参数是否与普通气动焊钳一样，这些参数是否对电阻点焊焊接质量有影响成为各大主机厂研究方向之一。在实际的生产中，通常采用电阻点焊焊钳（包含气动焊钳与伺服焊钳，下文简称焊钳）来实现电阻点焊焊接功能，焊接各汽车板件，使汽车板件焊接起来形成一个整体车身件。传统的手工生产线一般采用手工气动焊钳焊接，柔性机器人生产线一般采用伺服焊钳焊接。传统气动焊钳焊接参数中需要设计预压时间，焊接参数中预压时间几乎占据一半的焊接时间，伺服焊钳焊接动作原理与普通气动焊钳不一样，采用伺服焊钳焊接设置不同的预压时间对焊接质量是否存在影响尚不清楚。文章对伺服焊钳是否采用预压时间对焊接质量的影响进行了分析。

1 伺服焊钳工作原理

1.1 伺服焊钳的构成

气动焊钳由变压器（分体或者一体）、气缸（压缩空气为能量源，控制焊钳打开或者闭合）和机械机构组成，伺服焊钳则由变压器、伺服电机（控制焊钳打开或者闭合）和机械结构组成，如图1所示，因此其工作原理不同。其中伺服电机通信电缆连接到机器人控制柜，变压器连接到焊接控制器，因此电极压力由机器人控制器设置，焊接参数（电流和时间）由焊接控制器设置[3]。伺服电机驱动焊钳电极杆运动，喉宽可实现无极变化，从而能够实现电极对工件的柔性接触，大大减少电极冲击造成的焊接压痕和受力不均造成的焊接飞溅，大大提高焊接效率和产品质量[4]。

图1 伺服焊钳的构成

1.2 伺服焊钳压力变化

伺服电机能够精确控制行程，从而能够精确控制伺服焊钳焊接时闭合的行程。伺服焊钳的输出压力根据焊钳闭合状态不一样而改变，而伺服焊钳闭合状态可以通过伺服焊钳精确控制，焊钳压力在接触到钣金后开始增加，直到设定压力。焊接时，机器人调用焊接程序，伺服电机根据压力的设置达到预定压力，焊钳达到设定压力后，机器人调用焊接参数，完成焊接通电工作后，焊钳打开完成焊接工作；焊接过程中焊接控制器实际不控制焊接压力的大小，焊接压力由程序设计伺服电机控制，焊接控制器控制预压、预热、焊接、回热、保持等焊接参数，焊接过程中焊接压力的变化如图2所示。

图2 伺服焊钳的时间-压力曲线

2 电阻点焊原理

2.1 电阻点焊成型原理

电阻点焊是电阻焊的一种，是利用工件本身的电阻，通过电流产生的热源进行焊接，焊接期间产生的热量可用下面公式表示：Q=I2RT.

其中Q为电阻焊产生的热量（J）；I为焊接电流（A）；R为两电极间的电阻（Ω）；T为通过焊接电流的时间（s）；Q根据板材的不同需要满足一定条件，才可融化钣金形成熔核。

2.2 预压时间在气动焊钳中的作用

预压阶段即是从电极开始加压到焊接电流开始接通之前的阶段。电极压力的作用是使焊件贴合面有良好的接触，为焊接电流顺利通过做好必要的准备[5]。

气动焊钳焊接过程中，发出焊接信号后，焊机收到焊接信号，由电磁阀控制压缩空气开关打开，压缩空气进入，焊钳动臂在压缩空气的作用下开始闭合；从发出焊接信号到焊钳闭合需要一定的时间；如果没有这个时间或者这个时间太小，焊钳在没有闭合的时候就通电，导致焊接故障或者焊穿、焊爆电极头，气动焊钳焊接电流与时间的关系见图3.因此气动焊钳必须设置预压时间，且这个预压时间必须大于或者等于焊钳闭合到位时间。

图3 气动焊钳电流与时间的关系

2.3 焊点质量

焊接参数设计其目的是得到满足质量要求的焊点，并且焊接过程中减少飞溅缺陷的产生。主导板厚在0.65～1.29 mm范围内，电阻焊点熔核最小尺寸为4.0 mm.影响焊接质量的工艺主要是焊接电流、焊接时间和电极压力，其中焊接电流是主要因素[6]。焊接中发生飞溅主要是由于焊接参数设定、焊接表面情况、焊接电极的使用及电网波动造成的，综合焊接参数的关系、明确临界压力、保证焊接参数稳定[7]。根据公式Q=I2RT的关系，电流对于焊接质量的影响最大，其次为电阻与焊接时间。电流对于焊接质量的影响非常明显，电流大焊接时容易产生飞溅、焊穿等焊接缺陷，电流小会出现虚焊、脱焊等焊接缺陷；焊接电阻包含了零件本身电阻与零件间隙之间的电阻，焊接压力越大零件之间的间隙越小，压力相对越小，但是压力太大会在板件上产生压痕且因为电阻小热量不够而出现虚焊、脱焊等焊接缺陷，压力小板件之间的间隙大导致电阻增大，经常会产生飞溅、焊穿等焊接缺陷；焊接时间不仅跟焊接质量有关系，还对生产线生产节拍有影响。焊接时间长，会增加焊接时间，同样的焊点数量会用更多的焊接时间，焊接时间长容易产生焊穿等缺陷；焊接时间短时，节拍相对比较快，但是容易出现虚焊、脱焊等焊接缺陷。

3 预压时间对于伺服焊钳焊接质量的影响

3.1 实验条件

选择侧围焊装线同一工位的Global机器人携带小原的伺服焊钳选择两个不同的焊点做实验，两个焊点的主板板厚分别为0.65 mm、1.0 mm（三层焊点）；根据公司的焊接参数设计标准，根据主导板厚分别选取焊接参数且均不采用预压时间；主导板厚0.65 mm焊接电流I=8 000 A，焊接时间（weld）=180 ms，焊接压力P=2 140 N；主导板厚1.0 mm焊接电流I=8 500 A，焊接时间（weld）=180 ms，焊接压力P=2 140 N.实验中保证焊接除焊接参数中的预压时间外，工装等其工艺设备及参数均不做任何变动，实验设备及环境见图4.

图4 实验设备及环境

3.2 预压时间设置

根据实验所选择的焊接参数及设备进行焊接，并在焊接条件及其他参数不变的情况下设置预压时间100 ms、300 ms、500 ms，观察不同的预压时间下焊点熔核及焊接飞溅的情况，实验结果如表1、表2所示。在焊接控制器中，焊接压力设置为0，焊接控制器中工艺参数的设计不会影焊接压力的大小，如图5所示。在预压压力不变的情况下，伺服电机运动到设定压力将不再运动，增加预压时间不会引起焊钳继续闭合增加压力，只保持伺服焊钳现有状态，不再进一步压合零件，对于改善零件贴合状态没有明显作用。增加预压后与增加预压前工件状态与其他工艺设备状态均没有改变，实际的焊接条件前后都没有变化。增加或者减少伺服焊钳的预压时间对伺服焊钳焊接的焊点质量没有明显的改善作用，伺服焊钳在预压时，焊钳伺服电机没有动作，因此预压增加或者取消对于焊接飞溅的改善没有明显作用。

图5焊接控制器中焊接程序

4 结论

表1 主导板厚0.65 mm实验结果

表2 主导板厚1.0 mm实验结果

通过实验表明：在相同的焊接电流、焊接时间及焊接压力的条件下，不设置预压时间对焊点质量没有明显影响，没有出现因不设置预压或者预压不够而导致焊钳没闭合就通电而产生的焊穿、焊爆等焊接质量问题。随着预压时间100 ms、200 ms、500 ms增加，没有对焊点熔核大小有明显影响，没有影响焊接飞溅的大小。

伺服焊钳焊接时，焊钳与工件接触后，开始加压，达到预定压力后才开始启动焊接控制器调用其他焊接参数，是否设置预压时间对于焊钳闭合没有影响，预压时间是通过预压压力体现在焊接质量上。

伺服焊钳焊接时，不设置预压时间不会影响对焊钳正常开闭，不会出现因为不设置预压时间导致焊钳未闭合就焊接产生焊穿、焊爆等焊接缺陷；使用机器人伺服焊钳焊接，伺服焊钳焊接参数中是否设置预压时间对于焊点榕核大小无明显影响，预压时间对于飞溅控制方面没有特别明显的贡献。

[1]谭志恒.电阻点焊参数的研究[J].焊接与切割，2015（22）：65-66.

[2]武万斌，齐庆祝，赵军.点焊飞溅的控制[J].汽车工程师，2011（4）：56-57.

[3]龙伟民，李涛，钟素娟，等.焊接技术在汽车工业中的应用现状及前景[J].电焊机，2004，34（6）：1-3.

[4]袁少波，童彦刚.点焊技术在汽车工业的应用[J].电焊机，2005，35（2）：26-30.

[5]周江奇，覃鑫，覃庆泽，等.基于电极压力调节的机器人点焊飞溅控制[J].焊接技术，2016（4）：59-62.

[6]滑德富，方敏，王玉辉，等.中频伺服机器人焊钳的应用[J].现代零部件，2013（5）：86-88.

[7]覃鑫，郑宏良，黄西利.电极压力对白车身焊点质量的影响[J].电焊机，2014，44（7）：34.

The Effect on Welding Quality of Servo Gun Preloading Time

LU De-li，FENG Lin-lin，HE Liu
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

During the welding process of pneumatic gun，preloading time almost takes over half of welding time。The action principle of servo gun is really different from general pneumatic gun，this paper is aiming at the quality analysis about setting up different preloading time of servo gun.The text compared the same working condition，welding parameter with different preloading time，it’s influence on the size of welding spot and splashing.The text resulted that diffident preloading time making no influence about welding spot size and splashing.

servo gun；preloading time；welding quality

TG443

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0113-03

2017-02-29

陆德利（1988-），男，广西灌阳人，本科，助理工程师，研究方向：车身工艺设计与焊装生产线规划。