中頻自適應焊接技術淺析

本文闡述了中頻自適應焊接技術的原理，并與傳統的工頻交流焊接模式進行了對比。中頻自適應焊接技術通過監測二次回路的電壓、電流，從而計算出電阻，并與一個合格的焊點電阻曲線（樣本曲線）進行比較，根據電阻對比差異適時調整焊接電流及焊接時間來保證焊點質量的穩定性，顛覆了傳統通過事后撕裂試驗獲得車身焊點質量的控制方式。

通常每輛轎車白車身有4?000～5?000個焊點，因而點焊質量與焊接效率對轎車的質量與成本有著重要影響。電阻點焊是汽車制造中最主要的焊接方法，可以完成車身90%以上的裝配工作量。目前，國內主流汽車廠不斷嘗試新型的焊接技術和設備來保證焊接質量，總體可概況為3個轉變：從人工焊接向機器人自動化焊接轉變;從采用工頻交流焊機向中頻直流焊機轉變;從采用氣動焊鉗向伺服焊鉗轉變，力求保證焊接質量的一致性和穩定性，提高車身焊接質量。

車身焊點質量從工藝角度一般用NQST(白車身焊點強度質量水平)作為評價指標，歷來都是車身調試過程中的重點。就乘用車來說，一般NQST指標為3‰，對應的不合格焊點應該控制在10個左右，對焊接控制要求很高，尤其是穩定性要求更高。實際焊接過程中，板件搭接、表面粗糙度、電極磨損、分流和板材差異等工況變化使車身NQST成為調試及生產過程中難以控制的不確定因素?，F有的技術方式從人工到機器人、從工頻交流氣動到中頻直流伺服，都只是從事前焊接姿態的一致性和焊接參數穩定性去控制，過程中無法根據工況變化調整，難以滿足實際焊接需求，因而迫切需要一種能夠根據工況變化來自動調整焊接參數的設備。中頻自適應焊接技術應時而生，成為后續點焊焊接技術發展的新方向。

中頻自適應焊接技術原理

1.電阻焊

電阻焊又稱接觸焊，屬壓力焊范疇，是以電阻熱為能源的一類焊接方法。電阻焊是使工件處在一定電極壓力作用下，利用電流通過工件時所產生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化，從而實現連接的焊接方法。電阻焊一般包括點焊、縫焊、凸焊和對焊等。電阻焊原理如圖1所示，其中a、b和c代表不同焊接電流的溫度曲線，c曲線焊接電流可滿足焊接質量要求。

電阻焊焊接過程中電流產生的熱量可用Q=I2Rt來計算，Q為電極間產生的熱量，焊接質量可通過控制公式中的I、R和t來實現。其中，I為焊接電流、t為焊接時間，二者可以通過焊接控制器來設置。R為電阻，主要是板件本身的材料特性及加壓力決定，可表示為R=R1(材料本身電阻)+R2(工件接觸電阻)，材料確定后，R1保持不變，R2隨接觸壓力變化關系可表示為R2=KC/Fm，其中KC為與接觸材料、表面情況和接觸方式有關的系數，通常由實驗得出;F為接觸壓力;m為與接觸形式有關的系數，對點、線和面接觸分別取0.5、0.7和1。根據上述公式可以得出：Q=I2(R1+KC/Fm)t。

因此，焊接質量的精確穩定控制可以通過對I、F和t的精確控制來實現。

2.中頻自適應焊接技術

自適應焊接技術也叫RAFT技術，即R(電阻)、A(自適應)、F(反饋)和T(技術)。自適應焊接技術是一種新型焊接技術，可以為了最好的焊接質量而實時調整焊接電流和時間，可以監測焊接過程并識別是否有偏離，監控焊接設備并識別是否存在問題，同時可消除焊接產生的大量飛濺。它是通過檢測焊鉗二次回路的二次電流、電壓，在焊機中增加接觸反饋掃描并實時修正設備來實現此功能的。

如圖2所示，自適應技術原理從硬件上來看主要是在焊鉗上增加二次電流、電壓測量接口，通過傳感器電纜接入到焊機控制器，從而可以實施測量焊接過程焊鉗兩端U、I和R的變化，并通過軟件動態模擬焊接全過程U、I和R曲線，從而顯示在外接PC機上，便于人們直觀了解焊接全過程的質量。

從軟件來看主要分為以下3步：

(1)模板焊點采集 正常模式下進行焊接，通過優化焊接電流、時間和壓力，消除飛濺并且完全保證良好的焊接質量。

(2)樣本曲線建立 通過記錄一個或多個模板焊點焊接過程UIR曲線，擬合曲線平均值作為以后焊接的參考樣本。

(3)自適應焊接調整 打開設備UI調整功能并設定監控限值，焊接過程中監控實際焊接UIR曲線，并與樣本曲線進行適時對比，動態調整焊接電流和焊接時間，確保焊接過程的穩定性。

中頻自適應焊接技術應用優勢

中頻自適應焊接技術可根據焊接環境變化動態調整焊接參數，提高焊接質量，保證焊接精度及穩定性，動態UIR曲線監控焊接過程質量，消除焊接飛濺，降低使用成本，節能降耗，應用優勢明顯。

1.焊接能力

中頻自適應焊接能力強主要體現在以下兩個方面：對鍍鋅板、鍍鋁板、熱成形板(表面帶黑色氧化物)、With Sealer(密封膠)等各種板件非直接搭接狀況的焊接能力，質量穩定;對于不同板厚/超厚板的焊接、多層板(3～4)搭接或總板厚大于5?mm板件的焊接，一套規范可滿足焊接質量。下面我們針對這兩方面，分別從板件膠焊、鍍鋅板焊接及板件組合變化來研究自適應焊接技術能力。

(1)膠焊能力

以1.5+1.5?mm普通板材搭接進行膠焊實驗，在未涂點焊密封膠前焊接合格焊點作為樣本曲線，記錄其焊接參數。在板件間涂上點焊密封膠，采用未涂膠的焊接參數焊接70個試片，測量其焊點熔核直徑，5個試片一組取平均值，利用數值分析模擬焊點熔核直徑隨測試結果變化曲線如圖3所示。利用自適應焊接技術進行膠焊，實驗焊點熔核合格，熔核直徑為5.78～8.02?mm，平均熔核直徑AVG=7.23?mm，STDEV=0.651?63?mm，質量穩定可靠。

(2)鍍鋅板多組合變化焊接能力

選擇2～3層，板厚從1.5?mm(0.75+0.75?mm)到6?mm(2+2+2?mm)不同組合的鍍鋅板作為試驗對象，選擇最薄的0.75+0.75?mm板材作為樣本曲線，焊接質量合格，作為樣本曲線下載到控制器中，并以此焊接參數進行所選不同組合板材鍍鋅板的焊接，樣本曲線及組合變更后的實際自適應曲線如圖4所示。圖4a是樣本UIR曲線，其中紅線代表電流曲線I，藍線代表電壓曲線U，綠線代表電阻曲線R，選擇焊接壓力2.6?kN，可以看出其焊接電流為10?kA，焊接時間為300?ms;圖4b是2+2+2?mm鍍鋅板組合實際自適應UIR曲線，黑色是樣本電阻，其余紅藍綠曲線代表實際電流、電壓和電阻，可以看出由于板厚變大、實際監測電阻增加，自適應焊接曲線發生變化，焊接電流下降到8.2?kA，焊接時間延長至570?ms，焊接質量合格。

   本次試驗的板件組合共12種，每種組合焊接5次，總計60個試片組合，測量其焊點熔核直徑，每組5個試片取平均值，利用數值分析模擬焊點熔核直徑隨測試結果變化曲線如圖5所示。利用自適應焊接技術進行鍍鋅板多組合焊接，實驗焊點熔核合格，熔核直徑為5.86～8.50?mm，平均熔核直徑AVG=6.44?mm，STDEV=0.87?mm，質量穩定可靠。

2.環境撓動適應能力

中頻自適應焊接技術具有很強的焊接環境撓動適應能力，不同焊接環境變動下都能夠得到可靠的焊接質量，如焊接分流的影響、焊接壓力的變化、板件搭接不良、板厚板層變化、電極頭磨損、電極角度不垂直和不對中等。下面以電極頭磨損作為變化因素驗證自適應焊接技術環境適應能力。

選擇全新電極頭，驗證在電極頭不修磨時普通焊接技術與自適應焊接技術焊點質量對電極磨損的適應能力。取130個1+1?mm的實驗試片，每5個一組，過程中開合自適應焊接模塊分別進行每組試片焊接，測量各實驗試片的焊點熔核直徑并取每組數據的平均值作為基礎數據，利用數值分析模擬焊點熔核直徑隨測試結果的變化曲線(見圖6)。圖6a是關閉自適應功能時普通恒流焊接技術焊點熔核隨電極磨損變化曲線，圖6b是開啟自適應功能是自適應焊接技術焊點熔核隨電極磨損變化曲線，可以看出普通焊接技術在焊接第120點開始焊點熔核過小出現假焊，繼續焊接不能形成熔核，自適應焊接技術熔核穩定，質量全部合格。

3.焊接質量過程控制能力

中頻自適應焊接技術還可以通過對各種基本焊接參數值進行公差帶的設定，對其進行實時監控，可監控的基本參數包括電流、導通角、電極電壓、電阻、焊接時間和熱量。博士力士樂的中頻自適應焊接控制器具備質量過程控制能力，分別用兩個參數來概括焊接過程的參數變化：用PSF來表示焊接工藝穩定性參數，用UIP來表示實際焊點質量好壞的參數。

(1)PSF監控

PSF值反應實際焊接曲線與標準樣本曲線差異大小，其基準值為100%，范圍為0～100%，和標準的樣本曲線差異越大則PSF值越低，因而可以通過監控實際焊接過程的PSF值來直觀地監控焊接工藝參數的穩定性。

在建立樣本曲線后，外部環境的變化往往引起實際UIR曲線的變化，如焊接壓力、裝配不良、板厚變化和板材涂層改變等，從而引起PSF值的變化。PSF值過低，代表焊接工藝穩定性差，實際焊接環境相對標準樣本數據采集環境差異大，此時需要優化焊接參數，重新對該點建立樣本曲線，減少環境差異對工藝參數穩定性的影響。圖7所示為對工藝參數進行優化前后的PSF值，優化前PSF值為75～100，差異較大;優化后PSF為95～100，工藝參數穩定。

（2）UIP監控

UIP值反應實際焊接曲線與標準樣本曲線差異值大小，其基準值為100%，范圍為0～200%，如UIP有偏小的趨勢，表示焊接質量的降低;UIP過低意味著焊點熔核小;UIP過高也表示焊接質量不佳，卻不一定是焊點熔核小，而是和焊點外形有關，最常見的是由于壓痕過深、焊點橢圓形、板材過厚或搭接間隙過大導致的焊接質量不良，UIP過高意味著焊點外形不佳。

外部環境的變化引起實際UIR曲線變化的同時，不僅引起了PSF值的變化，同時還導致了UIP值變化，此時需要對焊接參數進行工藝優化。圖8所示為對工藝參數進行優化前后的UIP值，優化前UIP值為75～170，焊接質量不穩定;優化后UIP值為100～116，焊點質量合格并且穩定。

4.節能降耗

中頻自適應焊接技術在節能降耗上也有一定的優勢。相比于傳統工頻焊接，中頻自適應焊接能耗節省體現在以下幾個方面：

(1)中頻直流焊機，無回路感抗，功率因數提高，減少無功損耗。

(2)由于交流有過零轉換，其間會損失一定的能量。而直流電源持續加熱，能快速得到所需要的熱量。因此同樣板件組合形成合格熔核需要的焊接電流更小，從而節省單點能耗。

(3)現代車身制作技術中越來越廣泛地使用高強板、熱成形板、鍍鋅板、結構膠和點焊密封膠等來提高車身結構強度及防腐性能，傳統焊接缺少過程質量控制，為保證NQST指標往往采用冗余焊接熱量的方法來確保焊接質量，盲目加大電流和焊接時間的結果不僅浪費能源，也會導致焊接過程飛濺多，甚至產生不合格焊點，導致焊點能耗升高，不合格焊點還需要額外增加返修費用。

(4)中頻自適應焊接技術的焊接環境撓動適應能力強，在電極頭磨損情況下，通過自適應調整UIR曲線可以很好地保證焊接質量，避免頻繁修模電極頭，提高電極壽命，降低維護成本。

中頻自適應焊接技術通過監測二次回路的電壓和電流來計算電阻，并與一個合格的焊點電阻曲線(樣本曲線)進行比較，根據電阻對比差異實施調整焊接電流及焊接時間，來提高焊接質量，保證焊接精度及穩定性。傳統的焊點質量NQST指標只能通過事后進行整車焊點撕裂實驗來統計，自適應焊接技術將焊點質量控制從事后控制上升到事前過程控制，動態UIR曲線監控焊接過程質量，利用PSF、UIP值來直觀反映焊接工藝穩定性及焊點質量好壞的參數，并通過焊接參數優化來提高焊點質量穩定性，焊點NQST指標可達0%，焊點全部合格。中頻自適應焊接技術具有焊接能力、環境撓動適應能力強以及焊接質量過程可控等優點，適應車身性能及輕量化趨勢發展要求，必將在國內外汽車行業得到廣泛的應用。