螺母自动化凸焊专机的研制

左安邦 杨伟国 郭锦华

摘  要：螺母凸焊技术是汽车白车身制造过程中一项关键制造工艺，螺母自动化凸焊技术对于批量化生产中十分必要。介绍螺母自动凸焊专机的工作原理、技术参数、机械系统。并通过实际焊接工艺实验得到最优焊接规范。

关键词：凸焊;焊接;螺母输送机;凸焊夹具

中图分类号：TG44          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）07-0035-03

Abstract： Nut protruding welding technology is a key manufacturing process in the process of automobile body-in-white manufacturing， nut automatic protruding welding technology is very necessary for mass production. This paper introduces the working principle， technical parameters and mechanical system of the special machine for automatic protruding welding of nuts. Through the actual welding process experiment， the optimal welding specification is obtained.

Keywords： protruding welding; welding; nut conveyor; convex welding fixture

引言

凸焊是经由在焊接零件的表面上的一个或多个凸起点，使其与另一个焊件表面接触并进行加热。然后将其压陷，使这些接触点形成焊点的电阻焊方法[1]。螺母凸焊技术是汽车白车身制造过程中一项关键制造工艺，采用凸焊工艺焊接螺母可以准确定位螺母焊接位置、提升焊接质量，相对二氧化碳气体保护焊更能减少有害气体对人的伤害。

传统的螺母凸焊焊接工艺均是由手工放置螺母，这样不仅会导致生产过程中的效率低下，更严重的是手工放置易产生安全事故，为此将螺母焊接生产流程自动化显得尤其重要。自动化螺母凸焊设备能够改善对工人的操作技术要求，减少车间粉尘、焊接飞溅对操作人员健康的危害。自动化焊接设备能够稳定和提高焊接质量，保证了焊接的均匀一致性。

1 焊接产品结构

所凸焊的零件为某型汽车右侧纵向托架横向总成，材料为高强度热成型钢CR1300T，材料厚度为1.2mm。凸焊螺母为M10圆形螺母，该螺母有3个凸点。螺母材料为普通碳钢。零件整体结构如图1所示，工件总重量12Kg。凸焊零件有三个位置的凸焊螺母，如图2所示。此工件重量较重，若采用手工批量焊接，操作工体力负担过重。因此此工件适合开发自动化凸焊专机实现自动化批量生产。

2 凸焊原理

凸焊是点焊当中的一种特殊形式，凸焊过程中由于焊接电流集中，避免了像点焊时熔核偏移的缺点。凸焊时随着凸点的压溃，电极需随着而快速减小，否则会产生因为失压而引起飞溅。

如图3所示，凸焊一般由四个过程构成，第一是准备过程，在该过程完成装件，上下电极压紧等准备工作;第二是加压过程，在该过程中预制在螺母上的凸点在电极压力的作用下发生变形，高度降低并且板件表面的氧化膜被破坏，螺母与被凸焊板件达到良好的结合;第三为通电焊接过程，该过程包括凸点的压溃过程和熔核形成过程;第四为保持过程，该过程电流集中通过凸点位置，凸点被彻底压平。

焊接前需要正确选择凸焊压力、焊接电流以及焊接时间。若电极压力小，凸点起始变形不足，焊后强度不够;电极压力过大，螺母变形增大，螺纹受到损害。焊接电流过大则凸点处发生金属飞溅，电流密度过小，凸点加热不足，焊后强度降低。

3 凸焊專机设备组成

3.1 固定式逆变凸焊机

凸焊主机为本公司生产的WDB-400型固定式逆变凸焊机。本焊机的基本技术参数可以见表1。凸焊机压力系统为气动式，通过比例阀控制气缸气压来调节电极压力的大小。逆变电阻焊机采用了先进的电力电子技术，与传统的交流电阻焊机相比具有以下突出优势：

（1）直流焊接。该焊机采取1KHZ逆变电源，经过变压器次极整流，可提供连续的直流焊接电流，从而提高焊接效率、消除焊接电流尖峰，增宽焊接电流的焊接范围，消除输出极的电感消耗，无“集肤”效应。因此，大大提高焊接质量。在厚工件焊接和多层板焊接上更具有优势[2]。

（2）焊接变压器小型化。焊机输入交流频率与变压器铁芯截面积成反比，故中频焊接变压器可以减小变压器铁芯截面积，因此可以减小对应变压器的重量和体积。

（3）提高了焊接电流控制的响应速度，实现了工频电阻焊机无法完成的焊接工艺。WDB系列逆变焊机实现了本周波的控制，其焊接电流控制响应速度为1ms，（而工频焊机的响应速度最快为20ms）从而有利于提高焊接质量并可以方便的实现焊接电流的控制。

（4）功率因数高，节能效果好。

表1 WDB-400型凸焊机主要技术参数

3.2 螺母输送机系统

传统的螺母焊接方式是操作者手持工件装入凸焊机下电极定位销后，再手工把螺母放到定位销然后焊接。这种方式有安全性差、操作不方便、生产效率低等问题。采用螺母输送机来输送凸焊螺母的方式实现了螺母凸焊过程的焊接过程自动化[3]。

螺母输送机选用电溶机电品牌，型号为nfsif-0012-is5-1的螺母输送机。本螺母输送机由分选装置、螺母传送装置、螺母供给装置以及和凸焊机进行联动的控制器所组成。由气动供给头将螺母输送到凸焊机螺钉定位销位置。外部PLC输入螺母供给信号，从分选螺母到供给螺母一连串动作，都能自动进行，包括和凸焊机进行联动。具体结构如图5所示。

3.3 伺服机构和举升机构

为实现对螺母的定位精度，采用X、Y轴伺服电机，配备HWIN品牌滚珠丝杠和直线导轨系统。电机输出旋转运动，通过滚珠丝杠转化为定位平台的直线位移。这种结构简单，成本低，能够满足本工件的定位精度要求。

运动位置设有防尘、防飞溅保护罩，保护设备重要部件。X轴、Y轴移动范围分别为：400mm、150mm，工作台移动到位精度±0.05mm，重复精度±0.05mm。

采用德国西门子PLC和触摸屏进行系统控制，采用气缸推动四组光轴的导向机构，实现对工装夹具整体的举升机构。

3.4 凸焊工装夹具

为保证大批量生产过程中工艺条件的稳定性，确保工件焊接后尺寸精度以及生产效率的提高。需根据工件结构特点和焊接工艺要求进行凸焊夹具设计。另外凸焊夹具与普通夹具不同之处在除了考虑定位稳定性以及焊接空间要求，还需要考虑焊接分流问题。因此需要做好凸焊夹具的绝缘处理，如图6中凸焊夹具结构图中所示，支撑定位单元都与整体底板间加了绝缘件，防止分流。

3.5 控制系统

焊接裝置的控制系统采用西门子S7-1200系列PLC，负责伺服系统定位、夹具信号收集处理、与逆变凸焊机通讯以及安全光栅、三色灯等外围器件的信号采集与控制等。为方便操作盒对设备进行参数设置以及实时监测焊接参数，采用触摸屏与主控系统进行数据处理交流。采用专用屏蔽电缆，防止外界电磁干扰，保证数据传输的可靠性。当设备需要手动调整时，切换到手动模式，可以对各个执行机构进行单独调整。控制系统框图如下图所示。

整个设备操作流程为：（1）放件，操作者手拿工件穿入夹具定位销;（2）操作者退出光栅外，同时按住双手启动两个按钮，焊接启动;（3）工件焊接完成后，夹具自动打开，操作者取件，焊接完成。

4 实际焊接效果与工艺

本凸焊板件材料为热成型钢，厚度为1.2mm，螺母为M12外六角三点凸焊螺母。在实际焊接过程中出现扭力满足螺母焊接要求，但仍然出现螺母脱落的现象[4]。为此，汽车零件生产商常采用对凸焊螺母件进行板材破坏实验，观测撕裂板材情况来判断凸焊焊接质量。

表2列出了两种焊接工艺参数。本设备涉及凸焊的参数有电流、通电时间、压紧力、预压时间。下表为凸焊所选用的参数值。规范1采用大电流、大压力焊接工件，图8中01照片为破坏实验后板件情况，此规范压力和电流参数稍大，造成焊接时飞溅较大。减少对应焊接电流和焊接时间，对应参数为表中规范2。

在实验过程中发现电极平行度对焊接质量也有显著影响。焊接过程中因为上下电极头的平行度误差造成很大飞溅，影响了凸焊焊接质量，也造成了车间污染。通过调节凸焊机夹持器的角度来调整上下电极的平行度，在实际操作中，常采用复印纸放在上下电极中间产生的压痕的均匀度来判断上下电极的平行度。

5结束语

针对一种汽车凸焊零件，开发了螺母自动化凸焊专机，对专机各重要部件进行了设计说明。该设备在某汽车零件厂使用一年多时间，设备运行正常。提高了螺母凸焊自动化生产效率。

进行了凸焊工艺试验，焊接质量满足零件凸焊强度要求，并且提高了焊接质量的稳定性。

参考文献：

[1]赵熹华.压力焊[M].北京：机械工业出版社，1989.

[2]成海晖.工频交流电阻焊控制器的研制[D].河北工业大学，2007.

[3]谭志飞，毛美姣，荣毅.旋转式螺母输送机的PLC控制[J].机械工程师，2005（5）：39-41.

[4]易明辉，余进，罗滏，等.螺母凸焊焊点断口形貌分析[J].电焊机，2017，47（4）：94-97.