汽车行业焊接专业电阻点焊降飞溅浅析

熊明钊 唐晓雪 云雷

（一汽-大众汽车有限公司成都分公司，成都 610100）

1 前言

随着汽车行业的迅猛发展，焊接工艺在保证焊接质量的同时，也越来越关注焊接时所产生的飞溅对设备和操作者造成的危害。焊接过程中产生的高温飞溅附着在信号线、检测开关等精密设备表面，会造成设备故障，造成停台，降低设备开动率。同时飞溅可能灼伤员工，甚至引发火灾，存在安全隐患；飞溅产生的粉尘会直接影响到操作者的身体健康，飞溅的产生会导致焊接能量的丢失，需要焊接质量控制模块（The Integrated Quality Assurance System of the Weld Timer，PSQ）调整功能补偿焊接电流和焊接时间来保证焊接质量，这样就造成了能源的浪费和生产节拍的损失。

2 点焊飞溅产生的原因

如图1所示，由于外部因素使焊核生长速度大于塑性环扩展速度，金属会冲破塑性环向外喷射形成飞溅，因此，产生飞溅的根本原因就是由于塑性环破裂或不完整，失去了对熔池金属的包容作用。

图1 塑性环和焊核

3 飞溅的分类

焊接飞溅根据产生的时间（相对于焊接总时间）分为前期飞溅、中期飞溅和后期飞溅；根据飞溅发生的位置分为板间飞溅和外部飞溅。

板间飞溅一般发生在焊接前期，由于塑性环没有形成，此时焊点如果加热过快，使内部金属气化，金属便以飞溅形式向板间缝隙喷射，如图2a所示；外部飞溅一般发生在焊接中后期，形成熔核后，如果焊接热量过高，熔核径向扩展速度太快，在电极压力作用下冲破塑性环向表面喷射形成外部飞溅，如图2b所示[1]。

图2 飞溅种类[1]

4 产生飞溅的因素以及应对措施

飞溅产生的因素一般有以下3点（图3），一是设备硬件存在缺陷，二是材料材质方面限制，三是焊接参数使用不合格，其应对措施也基本上是从设备硬件、材料、软件参数等方面制定解决方案。

图3 飞溅产生的因素

4.1 设备硬件方面

4.1.1 电极对中性不好

对中性不好的影响：导致电极与工件接触异常，零件与电极帽端面贴合不佳造成塑性环扭曲，产生焊接飞溅。

应对措施：每焊接120 000～140 000个点（数据来源试验数据）对上下电极杆对中性进行检查，发现异常及时整改处理，如图4所示。

图4 对中性不好

4.1.2 静电极与工件不垂直

静电极与工件不垂直的影响：导致电极与工件接触异常，零件与电极帽端面贴合不佳造成塑性环扭曲，产生焊接飞溅，如图5所示。

图5 电极不垂直

应对措施：每焊接120 000～140 000点（数据来源试验数据）对上下电极杆对中性进行检查，发现异常及时整改处理；更换动静电极杆后检查静电极与工件的垂直度；若某焊点突发飞溅，检查电极对中性后，还需检查静电极与工件的垂直度。

检查方法：可使用小型直角尺，测量静电极4个方向的垂直度，在85～90°范围内视为合格；观察焊点外观，塑性环痕迹与焊点焊核是否同心，若焊核有挤压，则将电极向挤压方向调整。

4.1.3 静电极与工件接触分流、焊点咬边

静电极与工件接触分流、焊点咬边的影响：边缘焊时塑性环不完整，靠近边缘的一侧为塑性环最薄弱部分，焊接时熔核金属很容易从该处喷出形成飞溅。

应对措施：项目前期根据焊接板材搭接宽度，选择合适的电极帽尺寸或者铣刀刀片型号；优化调整机器人焊接轨迹，使焊接焊点距离法兰边＞2 mm。

4.1.4 电极帽修模

电极帽修模的影响：电极帽端面在修模后，表面氧化层未铣削掉、端面不平整，在焊接的过程中接触电阻变大，导致瞬时能量变大，破坏焊点塑性环产生飞溅，如图6所示，应对措施如下：

图6 电极帽修模标准

a.电极修模后，空焊测试电阻，以检查氧化层是否铣削掉；

b.制作辅助校具，保证铣削时静电极与铣刀的同心性；

c.设置合适的修模最大焊点数（焊接高强度钢时，最大焊点数应设置小些）；

d.铣刀刀片寿命设置合理周期，达到最大修模次数时立即更换（以Ravitex公司的RX三刃刀片为例，铣刀刀片寿命为30 000次）。

4.2 材料方面

4.2.1 零件表面清洁度

零件表面清洁度低会造成焊接时接触电阻增大，因而发热量加大，形成飞溅。

应对措施：控制上道工序外协件、自制件来件的油污以及其他杂物。

4.2.2 零件匹配状态

对于一些厚板组合，特别是含高强钢的组合，材质较硬，工件间装配易产生间隙，另外焊接规范区间窄，很容易产生焊接飞溅，应对措施如下：

a.对零件匹配进行监控，当板厚≤1.2 mm时，要求板间间隙≤0.8 mm；当板厚＞1.5 mm时，要求板间间隙≤0.15 mm。针对零件实际匹配间隙大的位置及时进行调整处理。

b.采用预热预压的焊接方式加大板材间的贴合度。

c.采用软规范（小电流、长时间）。

4.2.3 零件材质差异、板材间有填充材料（胶）

对存在表面处理的板材，由于表面镀层厚度差异，相应的焊接参数也不同，因此对于电镀板，尤其是热镀锌板在焊接过程中易出现焊接飞溅。若板材间有胶，在焊接过程中会出现电阻变化，产生飞溅。

应对措施：采用预热方式，增加板材的贴合度，提前破坏材料表面材料防止热量增加速度过快；在参数中增加斜坡功能，采用强电流击穿胶层。

4.3 参数选取要点

焊接参数设置一般依据板材类项、强度、厚度选择合适的焊接电流、电压、时间及电极压力，可参考图7。

图7 焊接参数设定参考标准

参数设置需要遵循如下原则：

a.规范选择：软规范（小电流、长时间）——加热时间长，温度场合分布平稳，塑性区宽，在焊钳压力的功效下不易发生形变，减少融核内的喷溅，因此飞溅小；硬规范（大电流、短时间）——加热时间短，温度递增快，温度场合分布不稳定，塑性区窄，在压力下容易产生飞溅。

b.镀锌板材、材料厚等情况下，使用预压、预热功能；

c.增加斜坡可以使电流缓慢增加，降低前期飞溅；

d.增加脉冲焊接和冷却，能防止焊接电流输入过大；

e.开启自适应系统（UIR）调整功能、监控功能，对焊点能量进行监控和补偿。

5 减少焊接飞溅思路及步骤

5.1 焊点信息核对

主要核对信息如表1所示，主要作用如下：

表1 焊点核对信息

a.保证一个焊点使用只属于它的一套参数；

b.保证有关于这个焊点的所有信息正确，在参数设置、优化时可以根据此信息采取合适焊接方式；

c.保证在优化参数时参数修改的准确性。

5.2 Bosch控制器飞溅记录模式

Bosch控制器飞溅记录在电压电流调节器（Voltage/Current Regulator，UI）设置页面，打开记录模式[2]，在新打开的窗口中勾选需要记录的控制器名称（注意勾选了新记录后系统会自动删除之前的记录曲线），设置过程如图8所示。

图8 Bosch控制器模式

5.3 锁定需优化的焊点

Bosch控制器统计飞溅率结果如图9所示。

图9 飞溅率统计结果

飞溅率为飞溅焊点数与总焊点数的比值。利用飞溅统计功能，确定出飞溅率高的焊点，优先从飞溅率高的焊点进行优化。

5.4 根据焊接曲线确定飞溅类项

单位时间内动态电阻陡降一定比例的电阻值就认定为有飞溅，经验值是5 ms内降低4%电阻。确定步骤如下：

步骤1：焊接总时间前1/3内为早期飞溅，一般由于设备、匹配问题造成（参照前文，若硬件优化无法消除，尝试优化参数）。焊接总时间后2/3为中后期飞溅，一般由于参数设置问题造成，如图10所示（根据焊点所处信息，如板材厚度、是否有胶等信息优化参数）。

图10 飞溅分期曲线

步骤2：确保控制器输出电流、压力稳定，对于相差较大的参数进行电流、压力标定。

步骤3：检查焊钳冷却水流量（图11）、温度是否正常，冷却循环水流量在合理范围内，保证焊钳电极冷却良好。

图11 冷却水流量计

步骤4：确保修模器工作正常，电极帽端面修模正常（铣掉氧化层、铣削同心），铣削步骤如下：

a.设定焊钳修磨后电阻的检测程序（空焊)。

b.根据焊接材料，每把焊钳设定为最大焊点数（修模一次焊接的最大点数）。

c.根据每把焊钳电极帽修模量，设定铣刀刀片的最大寿命数。

d.根据铣刀形状，设计合适的辅具，使电极帽铣削同心，端面铣削更好。

步骤5：确保焊钳电极对中性良好，静电极与工件垂直度良好，无咬边、分流。

a.可使用小型直角尺，测量静电极4个方向的垂直度。

b.观察焊点外观，塑性环痕迹与焊点焊核是否同心，若焊核有挤压，则将电极向挤压方向调整。

5.5 开启UIR自适应功能补偿焊点质量

在飞溅消除后，开启PSQ的调整功能，控制器根据相应设置对飞溅焊点进行能量补偿，如图12所示。

图12 飞溅焊点能量补偿曲线

6 BC316底板降飞溅优化案例

6.1 使用斜坡功能

信息点：U1A11110R01机器人，焊点索引号3376焊 点5QL-800-710-P0017-N-0210-015800，板件组合为2 mm TL4225和1.2 mm TL4225 2层高强度钢，板料间有胶。

配合焊接电阻曲线分析，板间有胶是产生飞溅的主要因素，因此增加斜坡功能，使用10 kA，20 ms短时强电流破坏胶层，然后通主焊接电流，参数设置如图13所示[3]。

图13 优化前后参数对比

6.2 优化电极垂直度

信息点：U2USTW2205R01机器人与2200R01为双节拍工位，焊接同一处的23个焊点，2200R01飞 溅 率 为5.5%，2205R01飞 溅 率 为51.7%。对比这2个机器人相同焊点参数，未发现太大差异，且查看2205R01焊接曲线，飞溅均为早期飞溅，故先检查并优化此焊点对应电极垂直度（图14）。

图14 使用直角尺配合调节静电极与工件的垂直度

优化效果：2205 R01点焊机器人整体飞溅率由51.7%降至20.4%，如图15所示；展示了此机器人焊点飞溅率在80%以上的焊点飞溅率变化情况。

图15 整体飞溅率优化前后变化

6.3 使用预热与脉冲功能

信息点：AB14160R02机器人，门槛下方区域焊点；钣金匹配间隙状态较差且间隙难以优化到理想状态，如图16所示。

图16 门槛下方区域焊点

优化措施1：优化前使用单次脉冲，分析发现飞溅主要产生在焊接前期约50 ms时及焊接中期约130 ms时；进行第1次优化，增加预热，1次脉冲改为3次脉冲，如图17所示。

图17 焊接参数优化前后设置

效果验证：优化焊接参数之后，焊接飞溅集中在118 ms，如图18所示；说明预热阶段在压合钣金之后第1个主焊接脉冲里发生飞溅，可能存在2种原因：焊接压力不足、焊接能量过于集中。

图18 焊接电阻监控曲线

优化措施2：增加压力，由2.6 kN优化为3.0 kN；降低焊接电流，由7.6 kA优化为6.5 kA，同时焊接时间增加到400 ms，分4个脉冲，如图19所示。

图19 优化后的焊接参数

效果验证：优化焊接参数之后，该机器人整体飞溅率由43%降低到6.5%。

7 结论

a.在某项目中，改变传统焊接飞溅统计的方法（目测），使用控制器的功能飞溅率统计，此方法更加准确、直观地为优化焊接飞溅提供了方向与目标。在此过程中，通过“电阻-时间”曲线分析，明确前期飞溅原因为设备与匹配问题，中后期飞溅原因为参数设置问题。经过对产生焊接飞溅的原因深入分析，确定出变化（设备硬件、材料）与不变化（参数）的二元性因素，为长期保持焊接低飞溅率提供了方便简洁的方法。

b.最优参数建立在设备硬件以及零件状态达到要求的前提下，此时飞溅率最低的状态是参数最优的设置，在今后长期的生产活动中，飞溅率增高则说明是设备硬件或者零件状态方面发生了变化，不要用参数弥补设备与零件的变化。

c.板材使用在参数使用方面，综合节拍与飞溅率，高强度板材偏适于小电流长时间；镀锌板材偏适于大电流短时间；多层板材焊接工艺偏适于预热预压；板材夹杂胶料，偏适于斜坡、脉冲等焊接方式。

d.采用Bosch控制器PSQ的UIR功能，可以采集并生成焊接过程中的标准的动态电阻曲线，并根据标准动态电阻曲线对高强钢点焊过程进行恒功率补偿，补偿飞溅造成的能量损失。

e.通过UIR系统的监控功能，可以有效监控焊点质量和焊接过程的稳定性，有效保证批量生产过程中的点焊质量。