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    伺服焊槍技術在高強鋼電阻點焊質量控制中的應用
    發表時間:2016-11-28  文字 〖 〗  閱讀次數:6034   [關閉窗口]
          隨著汽車輕量化與車身安全性要求的不斷提高,以熱鍍鋅雙相高強鋼為代表的先進高強鋼(Advanced High Strength Steels, AHSS),以其強度高、成型性能好、能量吸收率高、初始加工硬化速率高和防撞凹性能好等綜合優勢,迅速發展為汽車制造中應用前景最為看好的輕量化材料之一。2005年先進高強鋼在汽車工業用鋼中的比例為12%,預計2015年這一比例將增至50%。

          隨著高強度鋼板等輕量化材料在車身中的廣泛應用,在生產條件相對惡劣的汽車裝配生產線上,點焊接頭質量的不穩定及其檢測評價標準有待制定的問題日益突出。由于高效率、低成本的電阻點焊技術在車身裝配過程中的占比相當大,先進高強度鋼板的點焊質量問題已受到國內外研究學者的密切關注。

         相比傳統普通低碳鋼板,由于先進高強度鋼的特殊物理化學屬性,其焊接工藝性能較難控制,焊接窗口狹窄、電極磨損劇烈、飛濺嚴重等問題相對突出,通常需要更高的焊接電流、電極力與焊接時間。然而,電阻點焊是一個多變量耦合的高度非線性過程,點焊的形核處于封閉狀態,與此同時,對點焊過程有影響且在焊接期間難以檢測的偶然因素較多,使焊點質量評價參數(熔核尺寸、焊點強度等)無論在焊接期間還是焊后都無法直接觀測。

         先進高強鋼在車身中的應用現狀

         目前,全球各類轎車的平均重量在1.2~1.4噸之間,若能全部應用先進高強鋼,大約可減重15~20%。在著名的超輕鋼車體計劃ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body)中,通過大量使用先進高強鋼,在不增加成本的前提下大幅提高了車身強度,靜態彎曲剛度增加52%,靜態扭轉剛度增加80%,特別是車重減輕 25%,且不需要增加補強部件。

         在另一個輕量化項目PNGV(Partner Ship for a New Generation of Vehicles)中,車身質量減少了40%,平均每百公里油耗可由9L降至3L。在超輕車體中,雙相鋼(DP)占了車體總質量的74.3%,總計 162.25kg。 在日本,2000年汽車雙相鋼用量是1996年的20倍,2003年雙相鋼已占用鋼總量的45%以上,預計到2008年可達60%。

         先進高強鋼電阻點焊質量問題

         電阻點焊由預壓、通電加熱、維持、休止等階段組成,兩層或多層薄板金屬在電極力作用下靠一對電極被擠壓在一起,當可控硅(SCR)觸發導通時,電流流過薄板金屬并產生大量的焦耳熱。

         由于薄板與薄板之間結合面的電阻在焊接開始階段相當高,熱量集中在結合面周圍。當結合面的溫度高于金屬的熔點時,熔核在結合面形成并長大。電流切斷后,熔核開始冷卻、固化,形成一個固體接頭。

         先進高強鋼中碳與微量元素的含量低,一般不產生淬火組織或夾雜物,由于雙相鋼的高強度性能使塑性溫度區間變窄,為獲得同樣的塑性變形需要較大的電極壓力,這導致合適的焊接工藝范圍變窄。

         而且,由于鋼板內部組織特性,電阻點焊過程中焊點內部冷卻速度的不均會產生氣孔等缺陷,從而導致焊點熔核區強度低于母材強度,出現焊點熔核界面的斷裂。其次,生產中雙相鋼點焊常采用強規范,電極磨損因此加快,還容易發生飛濺和壓痕過深,造成焊接質量的不穩定。

         點焊質量問題主要表現如下:

         1、焊點熔核斷裂

         點焊接頭斷裂形式是評價焊點質量的標準之一。在車身廣泛采用的破壞性點焊質量檢驗中,焊點接頭可能從熔核上剪斷,即熔核斷裂;也可能從焊點四周破斷為“紐扣”狀,即母材斷裂。

         發生熔核斷裂的焊點十字拉伸強度將下降約10%,而焊點低周疲勞壽命將下降約25%。發生母材斷裂的焊點能夠承載較大載荷,熔核尺寸能滿足接頭強度要求。

         按照焊點質量等級評定要求,一級標準要求每批撕破試片中,應有95%的焊點呈鈕扣狀撕破,其余5%的焊點可在貼合面熔化區撕開,但熔化區尺寸至少是“鈕扣”平均尺寸的80%。在高強度鋼電阻點焊過程中,熔核界面斷裂問題給傳統焊點質量破壞性檢測方法提出了技術挑戰。

         2、焊接工藝窗口狹窄,魯棒性差

         由于焊接通電在很短時間內完成,需要用大電流并施加壓力,不同焊接工藝參數的組合將影響焊接中的能量輸入和分配、局部熱積累速度、熱量分布、焊接溫度場,進而影響點焊熔核的形成。

         對幾種不同金屬薄板的焊接工藝窗口進行了對比,能夠看出高強鋼板的點焊工藝窗口相對狹窄很多,表明高強鋼的點焊過程魯棒性較差,可焊性不好,同時焊接過程的飛濺相比低碳鋼板也嚴重得多。

         3、電極磨損嚴重

         點焊電極在工作時要承受相當大的焊接電流和電極力。由于電極工作表面直接接觸焊點,承受焊接所產生的高溫,電極壓力在常溫下對銅合金電極的影響還不太大,但在870K以上時,就會達到或超過某些電極銅合金在該溫度下的屈服強度,引起電極工作面的迅速變形和壓饋,使電極頭部嚴重變形而無法工作。

         電極磨損導致電極端面面積增加,改變了電極與工件接觸表面的導電、導熱屬性,降低了電極與工件接觸面的電流密度與電極壓力,影響熔核的形成。在點焊鍍鋅高強鋼板等材料時,電極磨損已經成為影響焊點質量的主要因素。0.8mm雙相高強鋼(DP600)的點焊電極磨損試驗證明,電極端面直徑隨焊接點數的不斷增加而增大。

         不同焊接點數下的電極及其焊點表面狀態如圖4。焊點直徑與表面狀態實際上是電極端面直徑與表面狀態的反映,剛開始焊接時,焊點圓形度較好,表面狀態平整,隨著電極磨損的加劇,焊點圓形度變差,表面也越發凹凸不平。在點焊鍍鋅板時,高溫使電極表層產生了低熔點合金,當電極離開工件時,低熔點合金在飛濺作用下離開了電極端面,并在端面上產生一個小的弧坑,形成點蝕,也即圖4中電極壓印的空白區域。

         點蝕提高了其周圍的電流密度和電極壓力,導致了點蝕周圍產生更嚴重的塑性變形和脫落,加速電極磨損。在約200點時開始出現點蝕,當點蝕面積增加到一定程度,在相同的電極力作用下,電極與工件間必須保持更大的接觸面積以抵抗電極力,因此會出現電極與工件間接觸面積突增的情況,點蝕對電極表面狀態比較敏感,產生的隨機性大,對電極壽命影響大,這是點焊鍍鋅板電極磨損不穩定的主要原因。

         為拉剪強度、熔核直徑和電極端面直徑隨焊接點數的變化規律,當電極端面直徑磨損到約6.8mm時,拉剪力開始明顯下降,則認為電極失效。此時焊接點數約為1200點,而采用相同尺寸電極點焊普通低碳鋼的電極壽命則為9000點,從中可知:高強鋼的電極磨損相比普通低碳鋼的要嚴重很多。

         目前一般采用遞增電流的工藝方法以補償電極磨損造成的電流密度降低,但這需要耗費更大的能量,并且只能按照事先通過實驗確定的電流遞增工藝方案進行焊接,無法解決由于不確定性電極磨損造成的焊點質量下降。

         減少電極磨損對焊點質量影響的另一方法是進行電極修磨,使電極的端面面積與表面狀態恢復到初時電極狀態。目前的做法只是根據試驗事先確定點焊某種材料的電極修磨時刻,在此點數后強制修磨或更換電極。

         對于點焊普通板而言,由于其電極磨損修磨較平緩而有規律,電極修磨的方法較為有效。但是對于新型材料的焊接,無法保證在電極修磨或更換電極以前焊點質量是否合格。而如果通過減少焊接點數保證焊點質量來進行電極修磨,會造成電極修磨頻繁,提高生產成本。因此,實現高強鋼點焊電極磨損程度的在線檢測非常重要。

         基于伺服焊槍的高強鋼點焊質量控制方法

         針對上述質量問題,新型焊接裝備發展、焊接質量檢測與控制方法的革新為高強鋼點焊質量保證提供了新的研究方向——伺服焊槍技術。

         伺服焊槍在焊槍的發展里程上相當于機床行業里由普通機床到數控機床的飛躍。它采用伺服電機作為動力裝置,精確控制電極位移與電極力,由伺服控制器實現對伺服電機的高效、準確控制,易于與機器人控制器接口有效集成,從而實現對點焊電極的高精度定位與柔性焊接控制。

         1、伺服焊槍技術特性

         伺服電機驅動的伺服焊槍,可對焊接過程進行精確控制。其電極運動由伺服馬達控制,能很好地控制電極運動速率,電極與工件接觸時的沖擊很小,可顯著提高電極壽命。

         從控制的觀點來看:氣動焊機是開環控制,伺服焊槍則是閉環控制,伺服焊槍點焊電極的運動和電極壓力便能得到更加精確的控制。伺服焊槍通過縮短單個焊點的預壓時間來提高點焊生產率,而且可編程的電極行程和速度也可以縮短同一工位上多個焊點的預壓持續時間,提高焊接生產率。

         焊接過程的可控性要歸功于伺服電機和它的控制技術。由于可以容易地改變電極壓力,焊接過程中鍛壓力的獲得就變得可能。伺服電機轉矩和速度作為伺服電機控制器的輸出量,其變化量可以容易地轉變為電極力和電極位置的變化,并且使電極力和電極位移信號的在線實時監控變得可行,電極運動控制、在線失效探測和電極磨損的自動補償也比氣動焊機更容易。利用伺服焊槍的這些優勢,可優化焊接工藝參數,助于提高高強鋼點焊接頭質量。

         2、基于伺服反饋特性的高強鋼點焊質量檢測與控制

         由于高強鋼點焊熔核界面斷裂問題的存在,傳統采用4√t或5√t(t為板厚)的焊點質量評價方法很難適用。而利用伺服焊槍位置反饋特性實現焊點壓痕的在線提取,通過建立壓痕與熔核尺寸、焊點強度的定量關系模型,可實現焊點質量的在線檢測,一定程度上避免熔核界面斷裂給點焊質量檢測帶來的問題。

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