自动点焊机器人电极修磨的探讨

江松伟 王伟斌

关键词：电阻点焊 电极修磨 电极端面检测

1 电极端面对点焊质量的影响

电阻点焊以其生产效率高、成本低、适应性强等优点，广泛用于白车身的焊接工艺。电阻点焊的原理，是通过加压使电极及工件紧密贴合后通电焊接，通过电流流经工件和电极间产生的电阻热使局部金属被熔化形成液态熔核。断电后，继续保持压力或加大压力，使熔核在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊核。良好的电极端面，除了提供焊核形成所需的加压力，塑造规整的焊点形状态，更是焊接热量保证的前提。故白车身自动化焊接生产线上，当机器人点焊达到设定的焊点数后就自动使用电极修磨器（图2）上进行修磨、清理和整形。但由于焊接过程高温高压工况及电化学腐蚀作用下，电极端面可能劣化严重，或如镀锌材料严重堆积、合金化和端面烧损过深，或者修磨作业产生偏差，都可能导致电极修磨效果达不到预期。而根据统计数据，因电极端面修磨不良造成电阻点焊品质不良达到50% 以上。故有效对电极端面进行修磨和清理，保证其端面直径和表面状态始终保持在良好的状态，在大规模的生产品质管理中至关重要。

2 电极劣化的主要形式

由于焊接过程中电极承受高温高压和电化学作用，电极材料应有足够的高温硬度与强度，其组织具有再结晶温度高的特性，高温抗氧化好，与焊件形成合金的倾向小。在一般的生产企业应用中大多数是采用铜合金，最典型的材料是铬锆铜（CuCrZr），拥有较高的硬度（160HV），较高的软化温度（550℃），良好的导电率（43ms/m）。按照劣化的表现，主要可以分为下面三类：

（1）电极端面直径劣化：焊接过程中由于高温高压的作用，电极端面的逐渐磨耗，或是由于端面由于合金化剥离，都会造成对电极端面直径变大，导致焊接过程电流密度减小，焊核减小，焊接不良发生;

（2）电极前端形状劣化：由于高温高压工况，或电极过度使用和修磨，以及冷却条件、被焊材料特性影响，电极前端可能产生塑性形变，导致端面形状劣化和表面烧损严重烧损甚至凹陷起坑，影响焊接电流密度而导致焊接不良发生;

（3）电极端面导电性能劣化：焊接镀锌钢板过程中，镀锌层融与电极形成Cu5Zn8（铜锌）合金层，并逐渐覆盖电极端面。依据参考文献[1]，在焊接过程中，一方面合金层会从电极上剥落，造成电极端面凹陷，电极与工作接触面变小且不规则，造成焊核区域压力不足，焊接条件急剧恶化导致焊接不良。同时因合金层电阻较大析热量大，加速了电极端面的磨损和形变，进一步恶化焊接条件。而在非镀锌板焊接条件下会好许多，但也会逐渐形成氧化层恶化焊接条件。

3 电极修磨的原理

电极修磨原理，是利用旋转的修磨刀具对焊钳上下电极做铣削运动，实现电极端面和电极锥面清理和整型，将劣化的电极，如上述电极直径、电极前端形状、端面导电性能劣化严重的电极，整型清理至良好的工作状态。通常白车身自动化焊接生产线上，当机器人点焊达到设定的焊点数后就会自动去进行修磨。根据相关经验，铝板焊接时100点左右就需要进行修磨，镀锌板200-300 点比较合适，冷轧板则可以高达400-500 点。

电极修磨量是每一次修磨的切削量，在实际生产过程中，若切削量过大则可能缩短电极使用时间造成浪费，而切削量过小可能无法有效对电极进行清理和整形，故需要通过实践验证形成相关的管理基准，为实际生产提供指导。根据参考文献[2] 可知，影响电极修磨量（Y）的主要参数有修磨刀转速（X1）、修磨压力（X2）、修磨时间（X3），其关系可以表示为Y=-0.24+6.95×10-5X1+1.23×10-4X2+0.05X3。其中，修磨转速（X1）是指刀片切削的转速，常用修磨转速在150 ～ 300r/min，主要依据电极和修磨刀片的材质特性進行配合选择。修磨时间（X2）是指修磨时焊钳闭合至打开修磨刀片对电极切削整形的时间。修磨压力（X3）指的修磨时焊钳的闭合压力，也是上下电极夹紧修磨刀的压力。

修磨时间过短压力过小，使修磨量少，修磨不干净，还会引起电极在修磨刀上振动而导致刀片崩口;修磨时间长压力过大，电极切削量过大造成浪费，也可能使刀片以及刀架提前损坏。对于镀锌板和冷轧板的焊接可参考每250 点修磨一次的方法，由于焊接次数较少合金层堆积不多，可使用1200N 的压力对电极研磨0.3～0.5s，每次研磨掉的堆积层约仅0.1 毫米左右，兼顾电极成本、生产品质和生产效率。在实际生产过程中，为取得修磨效果和成本效率间的平衡，应参照修磨机厂家的转速、时间和压力推荐值进行设定，并依据产品具体情况和现场生产条件调试决定。

4 电极修磨常见问题

电极修磨效果对焊接强度有重要的影响，修磨不良可能焊接条件急剧恶化，造成焊点虚焊、熔核过小等批量的品质事故，尤其对于汽车大规模的自动化生产，任何一个细节的失误都会放大并可能带来严重的后果。对于可能出现的问题和整改措施如下：

常见问题（1）：机器人没有正确执行电极切削作业。

可能原因：受电气或机械故障导致修磨刀盘没有进行切削作业，或机器人程序运行异常或机械故障，机器人未按要求执行焊钳修磨作业，导致电极不能得到及时清理和整形。此类问题虽然发生概率极小，但隐蔽不易检出，造成后果非常严重。

整改措施：

（1）在修磨装置追加转速感应器，通过转速感应器对修磨装器的工作状态进行监控，当检测到马达未按设定转动时，就会发出报警并停机。下图为PLC 信号编写情况：修磨器安装了一个接近开关，修磨器不转动时开关为ON 或者OFF 状态，修磨器转动时开关为ON、OFF 交替状态。

如图3 报警程序所示，当发出修磨指令后，如果0.5 秒内检测开关一直处于ON（或者一直处于OFF）状态，说明修磨器没有转动，判断异常发出报警，如果开关为ON、OFF交替，则判断正常，不会发出报警。

（2）在机器人主控程序上，设定电极修磨作业执行频率，并对执行情况增加计数检测程序。正常情况下，完成设定数量焊接作业后，机器人会执行电极自动修磨，修磨完成后，会将焊接计数清零。如果期间出现了异常，没有正常执行修磨作业，累计焊接作业数量超出设定值后，判断异常，发出报警并停机。

常见问题（2）：电极端面修磨量不足

可能原因：受电极表面合金层过厚影响，或是刀片磨损，刀片崩刃、切削铜屑粘附在刀片上导致未能正常切削，或是其它原因导致电极端面修磨量未能达到设定要求，电极端面清理和整型未达到预期效果。

整改措施：

（1）定期更换刀片，定期检查修磨状态，确保切削的效果。

（2）对于铜屑等异物粘附，追加吹气除屑功能，并定期检查。

（3）增加机器人枪轴修磨量检测功能。我们可以应用机器人的枪轴计算功能，将每一次电极修磨量存放在寄存器内进行对比，检测电极修磨量变化，计算并判断电极端面的修磨量是否达到预期，如修磨量低于设定值则可能出现修磨不足的情况，判断异常，设备停机报警。

如图4，通过编写电极修磨量检测程序TIP1_DRS_CHECK，对电极修磨量进行监控，当低于设定值时解发报警。

常见问题（3）：电极端面合金层/ 氧化层清理干净。

可能原因：受电极过度使用或工件表面异物，导致电极软化墩粗或表面烧损凹陷、电极端面合金层过厚等原因，虽正常执行修磨作业，但电极端面清理和整型未达到预期效果。

整改措施：

（1）由于不同材料其电学特性、电阻特性都存在差异，如电极端面形成的氧化层/合金层，其电阻率远大于电极材料铜合金。我们可以应用具备电阻检测功能的焊接控制器，对焊钳电极间电阻进行校验，从而实现对电极修磨效果的監控。当电极端面残留氧化层/ 合金层时，电极端面电阻率增大，导致检测电阻增大，如果电极端面清理效果良好，无残留氧化层/ 合金层时，电极端面电阻率较小，检测电阻电会较小。

通过对机器人自动焊枪电极修磨前、修磨后的端面电阻值进行一定样本量的采样，确定修磨前、后的电阻值的典型波动范围。如表1，修磨前电阻值在80～88μΩ，如修磨后电阻值在65～67μΩ，可设定检测阀值为72μΩ。在焊接控制器软件中设定修磨后电阻值（66μΩ）和报警阀值（< 109.1%），如下图5。通过焊接控制器实时监控电极修磨异常的情况，当监控到电阻值超出阀值时，判断电极清理和整理未达预期效果，此时触发报警停机。

（2）目前行业内出现一种最新的电极端面检测技术，应用光电反射技术，依据不同材料光学反射率的差异，实现对电极端面修磨效果进行更为直接的监控，能更有有效对修磨效果进行评价。其基本原理是修磨良好的电极表面光洁平整、形状规则且呈亮铜色，而修磨不良的电极端面氧化层/合金层残留，表面粗糙或变形、形状不规则且颜色较深，两者对光的反射能力和反射波段范围有显著的差异。

如下图6 所示，通过前期采样设定检测阀值为3071，修磨良好的电极表面光洁，光线反射高，检测值为4095（图6 左），判断通过。而修磨异常的电极由于氧化层残留，表面粗糙，反射率低，此时检测值为1371（图6 右），远低于设定阀值3071，判断不通过，指示灯熄灭，同时触发生产线报警停机。

5 结语

白车身是通过数以千计的焊点连接而成，焊点强度对车身的整体强度和刚性至关重要。在大规模的现代化的汽车生产制造，电极修磨不良则是造成焊接强度不良的最主要原因之一，严重时可能造成批量的品质事故。在自动化的生产过程中，应依据产品质量要求，制定合理的检验频次和检验方法。同时对于过程设备，选择合适的修磨器，设备合理的修磨参数，健全电极修磨效果的监控手段，对保证白车身焊接品质、提高工作效率、降低制造成本有重要的意义。