伺服焊槍技術(shù)在高強(qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊質(zhì)量控制中的應(yīng)用

 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(qiáng)鋼為代表的先進(jìn)高強(qiáng)鋼(Advanced High Strength Steels, AHSS)，以其強(qiáng)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(yōu)勢(shì)，迅速發(fā)展為汽車制造中應(yīng)用前景最為看好的輕量化材料之一。2005年先進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車工業(yè)用鋼中的比例為12%，預(yù)計(jì)2015年這一比例將增至50%。

      隨著高強(qiáng)度鋼板等輕量化材料在車身中的廣泛應(yīng)用，在生產(chǎn)條件相對(duì)惡劣的汽車裝配生產(chǎn)線上，點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的不穩(wěn)定及其檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有待制定的問題日益突出。由于高效率、低成本的電阻點(diǎn)焊技術(shù)在車身裝配過程中的占比相當(dāng)大，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的點(diǎn)焊質(zhì)量問題已受到國內(nèi)外研究學(xué)者的密切關(guān)注。

     相比傳統(tǒng)普通低碳鋼板，由于先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的特殊物理化學(xué)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(yán)重等問題相對(duì)突出，通常需要更高的焊接電流、電極力與焊接時(shí)間。然而，電阻點(diǎn)焊是一個(gè)多變量耦合的高度非線性過程，點(diǎn)焊的形核處于封閉狀態(tài)，與此同時(shí)，對(duì)點(diǎn)焊過程有影響且在焊接期間難以檢測(cè)的偶然因素較多，使焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)(熔核尺寸、焊點(diǎn)強(qiáng)度等)無論在焊接期間還是焊后都無法直接觀測(cè)。

     先進(jìn)高強(qiáng)鋼在車身中的應(yīng)用現(xiàn)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(yīng)用先進(jìn)高強(qiáng)鋼，大約可減重15~20%。在著名的超輕鋼車體計(jì)劃ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body)中，通過大量使用先進(jìn)高強(qiáng)鋼，在不增加成本的前提下大幅提高了車身強(qiáng)度，靜態(tài)彎曲剛度增加52%，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度增加80%，特別是車重減輕 25%，且不需要增加補(bǔ)強(qiáng)部件。

     在另一個(gè)輕量化項(xiàng)目PNGV(Partner Ship for a New Generation of Vehicles)中，車身質(zhì)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(zhì)量的74.3%，總計(jì) 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(yù)計(jì)到2008年可達(dá)60%。

     先進(jìn)高強(qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊質(zhì)量問題

     電阻點(diǎn)焊由預(yù)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(duì)電極被擠壓在一起，當(dāng)可控硅(SCR)觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電流流過薄板金屬并產(chǎn)生大量的焦耳熱。

     由于薄板與薄板之間結(jié)合面的電阻在焊接開始階段相當(dāng)高，熱量集中在結(jié)合面周圍。當(dāng)結(jié)合面的溫度高于金屬的熔點(diǎn)時(shí)，熔核在結(jié)合面形成并長大。電流切斷后，熔核開始冷卻、固化，形成一個(gè)固體接頭。

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

     而且，由于鋼板內(nèi)部組織特性，電阻點(diǎn)焊過程中焊點(diǎn)內(nèi)部冷卻速度的不均會(huì)產(chǎn)生氣孔等缺陷，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)熔核區(qū)強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度，出現(xiàn)焊點(diǎn)熔核界面的斷裂。其次，生產(chǎn)中雙相鋼點(diǎn)焊常采用強(qiáng)規(guī)范，電極磨損因此加快，還容易發(fā)生飛濺和壓痕過深，造成焊接質(zhì)量的不穩(wěn)定。

     點(diǎn)焊質(zhì)量問題主要表現(xiàn)如下：

     1、焊點(diǎn)熔核斷裂

     點(diǎn)焊接頭斷裂形式是評(píng)價(jià)焊點(diǎn)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一。在車身廣泛采用的破壞性點(diǎn)焊質(zhì)量檢驗(yàn)中，焊點(diǎn)接頭可能從熔核上剪斷，即熔核斷裂;也可能從焊點(diǎn)四周破斷為“紐扣”狀，即母材斷裂。

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

     按照焊點(diǎn)質(zhì)量等級(jí)評(píng)定要求，一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求每批撕破試片中，應(yīng)有95%的焊點(diǎn)呈鈕扣狀撕破，其余5%的焊點(diǎn)可在貼合面熔化區(qū)撕開，但熔化區(qū)尺寸至少是“鈕扣”平均尺寸的80%。在高強(qiáng)度鋼電阻點(diǎn)焊過程中，熔核界面斷裂問題給傳統(tǒng)焊點(diǎn)質(zhì)量破壞性檢測(cè)方法提出了技術(shù)挑戰(zhàn)。

     2、焊接工藝窗口狹窄，魯棒性差

     由于焊接通電在很短時(shí)間內(nèi)完成，需要用大電流并施加壓力，不同焊接工藝參數(shù)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(chǎng)，進(jìn)而影響點(diǎn)焊熔核的形成。

     對(duì)幾種不同金屬薄板的焊接工藝窗口進(jìn)行了對(duì)比，能夠看出高強(qiáng)鋼板的點(diǎn)焊工藝窗口相對(duì)狹窄很多，表明高強(qiáng)鋼的點(diǎn)焊過程魯棒性較差，可焊性不好，同時(shí)焊接過程的飛濺相比低碳鋼板也嚴(yán)重得多。

     3、電極磨損嚴(yán)重

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

     電極磨損導(dǎo)致電極端面面積增加，改變了電極與工件接觸表面的導(dǎo)電、導(dǎo)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(diǎn)焊鍍鋅高強(qiáng)鋼板等材料時(shí)，電極磨損已經(jīng)成為影響焊點(diǎn)質(zhì)量的主要因素。0.8mm雙相高強(qiáng)鋼(DP600)的點(diǎn)焊電極磨損試驗(yàn)證明，電極端面直徑隨焊接點(diǎn)數(shù)的不斷增加而增大。

     不同焊接點(diǎn)數(shù)下的電極及其焊點(diǎn)表面狀態(tài)如圖4。焊點(diǎn)直徑與表面狀態(tài)實(shí)際上是電極端面直徑與表面狀態(tài)的反映，剛開始焊接時(shí)，焊點(diǎn)圓形度較好，表面狀態(tài)平整，隨著電極磨損的加劇，焊點(diǎn)圓形度變差，表面也越發(fā)凹凸不平。在點(diǎn)焊鍍鋅板時(shí)，高溫使電極表層產(chǎn)生了低熔點(diǎn)合金，當(dāng)電極離開工件時(shí)，低熔點(diǎn)合金在飛濺作用下離開了電極端面，并在端面上產(chǎn)生一個(gè)小的弧坑，形成點(diǎn)蝕，也即圖4中電極壓印的空白區(qū)域。

     點(diǎn)蝕提高了其周圍的電流密度和電極壓力，導(dǎo)致了點(diǎn)蝕周圍產(chǎn)生更嚴(yán)重的塑性變形和脫落，加速電極磨損。在約200點(diǎn)時(shí)開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕，當(dāng)點(diǎn)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(huì)出現(xiàn)電極與工件間接觸面積突增的情況，點(diǎn)蝕對(duì)電極表面狀態(tài)比較敏感，產(chǎn)生的隨機(jī)性大，對(duì)電極壽命影響大，這是點(diǎn)焊鍍鋅板電極磨損不穩(wěn)定的主要原因。

     為拉剪強(qiáng)度、熔核直徑和電極端面直徑隨焊接點(diǎn)數(shù)的變化規(guī)律，當(dāng)電極端面直徑磨損到約6.8mm時(shí)，拉剪力開始明顯下降，則認(rèn)為電極失效。此時(shí)焊接點(diǎn)數(shù)約為1200點(diǎn)，而采用相同尺寸電極點(diǎn)焊普通低碳鋼的電極壽命則為9000點(diǎn)，從中可知：高強(qiáng)鋼的電極磨損相比普通低碳鋼的要嚴(yán)重很多。

     目前一般采用遞增電流的工藝方法以補(bǔ)償電極磨損造成的電流密度降低，但這需要耗費(fèi)更大的能量，并且只能按照事先通過實(shí)驗(yàn)確定的電流遞增工藝方案進(jìn)行焊接，無法解決由于不確定性電極磨損造成的焊點(diǎn)質(zhì)量下降。

     減少電極磨損對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量影響的另一方法是進(jìn)行電極修磨，使電極的端面面積與表面狀態(tài)恢復(fù)到初時(shí)電極狀態(tài)。目前的做法只是根據(jù)試驗(yàn)事先確定點(diǎn)焊某種材料的電極修磨時(shí)刻，在此點(diǎn)數(shù)后強(qiáng)制修磨或更換電極。

     對(duì)于點(diǎn)焊普通板而言，由于其電極磨損修磨較平緩而有規(guī)律，電極修磨的方法較為有效。但是對(duì)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(diǎn)質(zhì)量是否合格。而如果通過減少焊接點(diǎn)數(shù)保證焊點(diǎn)質(zhì)量來進(jìn)行電極修磨，會(huì)造成電極修磨頻繁，提高生產(chǎn)成本。因此，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊電極磨損程度的在線檢測(cè)非常重要。

     基于伺服焊槍的高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊質(zhì)量控制方法

     針對(duì)上述質(zhì)量問題，新型焊接裝備發(fā)展、焊接質(zhì)量檢測(cè)與控制方法的革新為高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊質(zhì)量保證提供了新的研究方向——伺服焊槍技術(shù)。

     伺服焊槍在焊槍的發(fā)展里程上相當(dāng)于機(jī)床行業(yè)里由普通機(jī)床到數(shù)控機(jī)床的飛躍。它采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力裝置，精確控制電極位移與電極力，由伺服控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的高效、準(zhǔn)確控制，易于與機(jī)器人控制器接口有效集成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)焊電極的高精度定位與柔性焊接控制。

     1、伺服焊槍技術(shù)特性

     伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服焊槍，可對(duì)焊接過程進(jìn)行精確控制。其電極運(yùn)動(dòng)由伺服馬達(dá)控制，能很好地控制電極運(yùn)動(dòng)速率，電極與工件接觸時(shí)的沖擊很小，可顯著提高電極壽命。

     從控制的觀點(diǎn)來看：氣動(dòng)焊機(jī)是開環(huán)控制，伺服焊槍則是閉環(huán)控制，伺服焊槍點(diǎn)焊電極的運(yùn)動(dòng)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(gè)焊點(diǎn)的預(yù)壓時(shí)間來提高點(diǎn)焊生產(chǎn)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(gè)焊點(diǎn)的預(yù)壓持續(xù)時(shí)間，提高焊接生產(chǎn)率。

     焊接過程的可控性要?dú)w功于伺服電機(jī)和它的控制技術(shù)。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(jī)轉(zhuǎn)矩和速度作為伺服電機(jī)控制器的輸出量，其變化量可以容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌O力和電極位置的變化，并且使電極力和電極位移信號(hào)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控變得可行，電極運(yùn)動(dòng)控制、在線失效探測(cè)和電極磨損的自動(dòng)補(bǔ)償也比氣動(dòng)焊機(jī)更容易。利用伺服焊槍的這些優(yōu)勢(shì)，可優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，助于提高高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭質(zhì)量。

     2、基于伺服反饋特性的高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊質(zhì)量檢測(cè)與控制

     由于高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊熔核界面斷裂問題的存在，傳統(tǒng)采用4√t或5√t(t為板厚)的焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法很難適用。而利用伺服焊槍位置反饋特性實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)壓痕的在線提取，通過建立壓痕與熔核尺寸、焊點(diǎn)強(qiáng)度的定量關(guān)系模型，可實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)質(zhì)量的在線檢測(cè)，一定程度上避免熔核界面斷裂給點(diǎn)焊質(zhì)量檢測(cè)帶來的問題。