中频智能一体式焊钳技术在汽车生产中的应用研究

张惠立 汪红 张正举 黎志梅 易泽武

摘要：本文主要介绍上汽通用五菱技术中心在引进NIMAK中频智能调控一体式焊钳过程中，通过对中频电阻焊的工作原理、智能调控焊接质量技术、一体式焊钳结构特点及投入维护成本等几个方面进行分析和研究，得出相对于以往的工频分体式焊钳技术，中频智能一体焊钳技术在材料的可焊接范围、材料的焊接质量、设备的投入和维护成本等几方面存在较大优势，最终成功引进中频智能调控一体式焊钳技术，提高样车白车身的焊接质量，将样车试制柔性生产线的点焊接范围扩大到高强钢、镀层板、不锈钢和铝合金等新材料的焊接，提升试制柔性生产线的焊接能力。

关键词：中频电阻焊;智能调控;一体式焊钳;焊接质量;节约能源

中图分类号：U461.4                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0219-02

0  引言

随着我国汽车行业的发展，汽车产品的质量要求不断提高，新材料、新结构、新技术的应用不断涌现的情况下，为满足新法规和用户不断提升的要求，近年来汽车领域不断推广应用高强钢、热成形钢、铝合金等新材料的焊接，对电阻焊机的性能品质要求越来越高。传统工频电阻焊机难以满足现代汽车的发展需要，无法保证高强钢、热成形钢、铝合金等新材料的焊接质量。西方发达国家自上世纪末就开始了中频智能电阻焊机的研究和应用，而中国在进入新世纪后也开始了这方面的应用研究。随着中频智能调控焊接质量技术的出现，实现了对电阻焊接电流、电压更高水平的控制，突破了原来的恒电流、恒电压等技术的控制方式，使得电阻焊控制技术得到进一步的发展。

1  中频电阻焊技术

随着科学技术的发展，电阻焊技术得到了飞速的发展，根据目前现有电阻焊技术的工作原理，电阻焊技术可以分三大类：工频电阻焊技术、三相整流电阻焊技术、中频电阻焊技术。如下简述三种电阻技术的工作原理：

1.1 工频电阻焊技术及工作原理

工频电阻焊技术其控制系统一般由两个反并联的晶闸管组构成，使用“相位控制”调节焊接变压器的初级电压，让导通角滞后，仅使每半周波的一部分有效，因此能影响焊接变压器输出，焊接电流依照导通角滞后的大小而变化。工频电阻焊设备特点：设备结构简单，设备体积大，能量转换效率低、损耗大、次级感应电阻大、电网负载不对称、控制精度低。

1.2 三相整流电阻焊技术及工作原理

三相整流电阻焊技术的控制系统与工频交流电焊机不同的是三相整流器焊机是工作在三相。这可以借助三个单相变压器可以实现，每相连接一组晶闸管，借助于大电流整流器，电流在次级线路是整流的。三相整流电阻焊设备特点：变压器占体积大，直流质量差，电流上升缓慢，控制精度低。

1.3 中频电阻焊技术及工作原理

中频电阻焊技术的控制系统主要是通过逆变器将三相交流电整流并变为单相1000赫兹的交流电压，再经过变压器变送和二極管整流，最后提供一个稳定、可以精确调控的直流焊接电流，通过快速的调节和快速的电流提升，从而有效、稳定地输出焊接能量，转换效率高所以变压器体积较小。中频电阻焊设备特点：变压器轻巧，能量转换效率高，能量集中，对工件无影响，直流质量高，电流上升迅速，无次级感应电阻，电网对称，控制精度高，毫秒级控制，焊接重复性好，焊接范围扩大，特别适用于焊接高强钢、不锈钢、铝板、镀锌板以及不同材料等。

2  智能调控焊接质量技术

智能调控焊接质量技术是通过相关的软件系统（如NIMAK的Pegasus软件）对焊接全过程进行管理监控，动态调整焊接相关参数的一种焊接质量调控技术，简称为IQR（Intelligent Quality Regulation）。目前，国内有许多汽车公司已开始用带智能调控焊接质量技术的中频焊接设备，如北京奔驰300C生产线，一汽大众奥迪生产线，沈阳华晨宝马生产线等。如下以NIMAK中频智能调控焊接技术为例，工作原理示意图如图1所示，点焊过程示意图如图2所示。

智能焊接质量调控技术优点：

①可调节焊接各种物理条件下材料;②实时调节当前焊接参数;③比CCR的焊接范围更宽;④高焊接质量，焊接过程的稳定性好;⑤IQR可通过存档功能来储存文件;⑥焊接速度快，适应焊接环境性强。

3  一体式焊钳结构特点

一体式焊钳特点：变压器同焊钳结为一体，结构紧凑，维修方便，体积小、重量轻，大大降低了工人的劳动强度和很大程度上节约了能源。相对于分体式焊钳，一体式焊钳有如下优点：

3.1 配电容量小，初期投入降低

一体式焊钳由于焊钳和变压器连接为一个整体，缩短焊机的次极回路，减小回路阻抗，降低无效功耗，使得焊钳的配置功率大为降低，从而对车间电网的要求降低，可以降低在生产场地及车间配电时的固定投入。

3.2 操作灵活

一体式焊钳配有全向旋架，在焊钳后部没有粗笨的通水电缆束，可在任意方向上自由旋转，操作灵活轻便，可以连接长电缆，大为增加焊钳的活动范围，而分体式焊钳受粗笨的通水电缆影响翻转困难，活动范围很小。

3.3 安全可靠

一体式焊钳安全的悬挂和转盘装置设计，不会对操作者造成伤害（如夹伤手），没有大电流通过电缆，无电磁力的作用，不会造成操作者的手肘劳损。分体式焊钳受结构所限，存在上述方面的安全隐患。在电磁辐射方面，在对一体式焊钳操作时，操作者位于钳臂的后方，保持安全距离，避免电磁辐射的影响。在对分体式焊钳操作时，操作者与焊钳的钳臂并行，受电磁辐射的影响较大。有充分的研究表明强电磁辐射会对人体会造成伤害，在德国早已禁止身体暴露在辐射>500μT下工作。

3.4 节能、节水

一体式焊钳的焊接功率大幅降低，在完成同样焊接任务可节电70%以上，耗水量也只有分体式焊钳的1/3～1/4，可更好利用循环水设施，进一步节能、节水。

3.5 维护方便、费用更低

一体式焊钳的电缆几乎在使用期内不需更换，大大降低了维护费用。如一条白车身生产线按350把焊钳计算，分体式焊钳一年更换通水无感电缆费用70万元以上。

4  中频智能调控一体焊钳应用

目前，技术中心试制车间已引进四台NIMAK中频智能調控一体式焊钳，该设备焊接功率为77KVA，变频器是使用德国Harms & Wende公司的Genius MFI408L型中频变频器。通过这一年的实践应用，发现NIMAK中频智能调控一体式焊钳的焊接技术，不但提高了样车白车身的焊接质量，而且还将样车柔性生产线的点焊接范围扩大到高强钢、镀层板、不锈钢等新材料的焊接，提升试制车间白车身柔性生产线的焊接能力。与传统工频交流焊机相比，NIMAK中频智能调控一体式焊钳有如下优点。

4.1 焊接质量高

NIMAK中频智能调控一体式焊钳时间调节分辨率可达1ms（1000Hz逆变频率），响应速度快，输出稳定性好，控制精度高。

4.2 焊接速度快

NIMAK中频智能调控一体式焊钳为直流输出，加热集中，焊接时间短。

4.3 节能增效多

目前我们上汽通用五菱每一条车身生产线所用焊钳大约为350把，每天生产汽车1000台，每条车身生产线一年节约电费约1345万元。一体式焊钳与分体式焊钳使用电费数据对比如表1所示。

4.4 设备体积与质量小

NIMAK中频智能调控一体式焊钳的变压器体积大大减小，变压器的质量约为工频交流焊机的1/4～1/5，设备较轻巧。

4.5 焊接范围扩大

通过试验，对于同样的镀层钢板，单相交流焊机可焊接110焊点，NIMAK中频智能调控一体式焊钳可焊接350个焊点，同时焊接无飞溅，焊接电流小、电极发热量小、延长电极使用时间，焊接范围更大。

5  结束语

近年来，国内许多知名的汽车企业都已将中频智能调控一体式焊钳技术应用于轿车白车身焊装线，中频智能调控一体式焊钳技术使用量已占60%以上。我们应积极采用中频智能调控一体式焊钳技术，节约能源，降低我们的制造成本，让我们公司的汽车产品更具市场竞争力。

参考文献：

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[2]中国机械工程学会焊接分会.焊接词典[M].三版.北京：机械工业出版社，2008.

[3]成都电焊机研究所.焊接设备选用手册[M]，北京：机械工业出版社，2006.

[4]曹海鹏.铝合金点焊工艺设计及质量控制的智能化研究[D].长春：吉林大学，2005.