梁彩平 田浩彬 劉曉航

上海第二工業(yè)大學(xué),上海,201209

0 引言

隨著汽車輕量化與車身安全性要求的不斷提高,以雙相高強鋼為代表的先進高強鋼(advanced high strength steels,AHSS)以其強度高、成形性能好、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,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[1]。2003年先進高強鋼在汽車工業(yè)用鋼中的比例為12%,預(yù)計2015年這一比例將增至50%[2]。

高效率、低成本的電阻點焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于車身裝配過程,先進高強度鋼板的點焊質(zhì)量問題已受到國內(nèi)外研究學(xué)者的密切關(guān)注[3]。生產(chǎn)中高強鋼點焊常采用強規(guī)范,焊接窗口狹窄、電極磨損劇烈、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。強規(guī)范的使用使生產(chǎn)成本大大提高,飛濺的發(fā)生使焊接件表面出現(xiàn)嚴重毛刺,為配合焊后工裝及噴漆,需花費大量的人工工時將毛刺磨平,降低了生產(chǎn)效率[4]。因此,如何更有效地采用電阻點焊方式連接高強鋼,合理控制焊接質(zhì)量并降低生產(chǎn)成本成為亟待解決的問題。

學(xué)者們普遍認為,電極力對點焊質(zhì)量有重要的影響,Hirsch等[5]研究了常規(guī)低碳鋼不同恒定電極力對點焊質(zhì)量的影響。伺服焊技術(shù)的日益普及,為精確控制電極力提供了可能[6]。孫海濤等[7]基于伺服焊槍變電極力特性,研究了焊接過程變電極力對熱鍍鋅鋼板焊點質(zhì)量的影響規(guī)律。Zhang等[8]對DP600等厚雙向高強鋼點焊中變電極力的影響作用進行了研究,但對恒定電極力及變電極力對點焊質(zhì)量的影響大小沒有作比較。

本研究針對某車型地板梁位置1mm厚CR340LA和1.75mm厚CR980T-550Y高強鋼焊接過程中的飛濺及焊后工件表面毛刺嚴重的現(xiàn)象進行研究,搭建了機器人伺服焊槍系統(tǒng),首先采用傳統(tǒng)方式分析焊接參數(shù)(焊接電流、焊接時間和電極力)對焊點質(zhì)量的影響規(guī)律,研究焊接參數(shù)在焊接過程中對飛濺影響的敏感程度;然后運用正交試驗設(shè)計方法,深入分析了焊接不同階段電極力的變化對焊接飛濺情況及焊點強度的影響規(guī)律,得出該工位焊接電極力的優(yōu)化曲線。研究結(jié)果為點焊質(zhì)量的提高、焊接飛濺的預(yù)防及高強鋼焊接點焊質(zhì)量的實時評價及控制提供了參考。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 伺服焊槍系統(tǒng)

伺服焊槍點焊試驗系統(tǒng)主要由伺服焊槍、焊接機器人、機器人控制器和焊接控制器四部分組成,如圖1所示。通過系統(tǒng)集成實現(xiàn)控制信號傳輸,完成程序初始化,實現(xiàn)機器人控制器對伺服焊槍電極運動的精確控制,通過機器人TP控制軟件程序?qū)崿F(xiàn)點焊基本操作。利用process I/O板連接機器人、控制器和焊接控制器,完成點焊過程和焊接規(guī)范參數(shù)的選取。試驗所用伺服焊槍為AC型伺服焊槍,焊槍的主要參數(shù)為：最大電極力4.9k N,電極最大行程 160mm,額定輸出功率110k W,最大焊接電流16k A。機器人為FANUC R-2000 I型。

圖1 基于伺服焊槍試驗系統(tǒng)的電阻點焊示意圖

1.2 試件的材料及制備

試驗焊接材料為1mm厚CR340LA和1.75mm厚CR980T-550Y高強鋼。點焊拉剪試件尺寸如圖2所示。焊前,試件打磨、拋光以保證焊接質(zhì)量。采用球形電極,斷面直徑為5mm,電極材料為鉻鋯銅。

2 試驗方法

點焊熔核質(zhì)量可從多個方面對其進行評估。熔核大小是最常選用的焊點合格的指標;焊點拉剪力學(xué)性能也是焊接件重要的評估參量之一;其次焊接件的表面質(zhì)量以及疲勞強度等也常作為焊點是否合格的常用評估指標。

由于電極力對焊點質(zhì)量有重要的影響而點焊預(yù)壓、焊接及冷卻三個階段電極力對點焊質(zhì)量的影響作用又各不同,所以可將焊接過程電極力分階段改變。

本研究中首先分析在不同恒定電極力下焊接電流和通電時間對焊點拉剪力、熔核直徑的影響以及相應(yīng)的飛濺情況。其次選定較理想的焊接電流和通電時間,將焊接過程電極力分為預(yù)壓力、焊接電極力1、焊接電極力2和鍛壓力四個階段,并將這四個階段的壓力作為四個因素,對其進行正交試驗設(shè)計,研究其對焊接質(zhì)量的影響,同時獲得焊接過程中電極力變化優(yōu)化曲線。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 恒定電極力對焊點質(zhì)量的影響

現(xiàn)場受氣動焊槍氣缸的限制,采用的電極力為3k N,由于焊接過程的壓力對飛濺有一定的控制作用,而試驗室采用的伺服焊槍可以設(shè)定較大的電極力,因此,選擇了3kN和 4.3k N的電極力,通過試驗研究恒定電極力作用下焊接電流和焊接時間對拉剪力和熔核直徑的影響。圖3所示為3k N電極力下焊接電流及焊接時間對焊接拉剪力的影響,圖4所示為該電極力下焊接電流和焊接時間對熔核尺寸的影響。圖5所示為4.3k N電極力下焊接電流及焊接時間對焊接拉剪力的影響,圖6所示為該電極力下焊接電流和焊接時間對熔核尺寸的影響。圖3～圖6中的數(shù)據(jù)均為三次試驗取平均值的結(jié)果。

圖3 3kN電極力下電流與時間對焊點拉剪力的影響

圖4 3kN電極力下電流與時間對熔核尺寸影響

由圖3、圖5分析可知,焊接件的拉剪力隨著電流的增大逐漸增大,當電流達到6～7kA時對拉剪力的增大作用已不明顯,且飛濺的發(fā)生對拉剪力的影響并不明顯。由圖4顯示,在3kN電極力下,焊點的熔核直徑隨著電流的增大而增加,飛濺發(fā)生對其影響不明顯;圖6顯示,在4.3k N電極力下,焊點的熔核直徑也隨著電流的增大逐漸增大,然而,當飛濺發(fā)生時,熔核直徑都明顯減小,隨著電流的繼續(xù)增大,熔核直徑又持續(xù)增大。比較圖4、圖6可知,4.3kN電極力下,同樣的焊接電流可獲得更大的熔核尺寸,且可有效減少飛濺的產(chǎn)生(即4.3kN電極力下飛濺發(fā)生的電流較大)。根據(jù)標準GMW14057中的規(guī)定,本試驗中采用薄板厚度為1mm,對應(yīng)的最小熔核直徑為4mm,若采用3kN電極力,0.12s(6cycle)時不存在合格的焊點(合格焊點即熔核尺寸合格且不發(fā)生飛濺),0.16s(8cycle)和0.20s(10cycle)時合格焊點的區(qū)域在6kA附近,范圍非常窄;若采用4.3k N電極力,0.12s(6cycle)時熔核尺寸合格且不發(fā)生飛濺的區(qū)域為7～8kA,所需電流較大,范圍較窄,0.16s(8cycle)和0.20s(10cycle)時熔核尺寸合格且不發(fā)生飛濺的區(qū)域為6～8kA,較為合理。

選擇焊接電流為7.5kA,焊接時間為0.16s(8cycle),分別對恒定電極力下獲得的焊點情況進行對比,見表1。分析可知,隨著電極力的增大,焊點質(zhì)量評價指標都有所改善,其中,飛濺情況由大到無;壓痕深度減小,主要是由于小壓力下飛濺明顯,較多的熔融金屬從兩層工件間飛出,壓痕深度較大,而大壓力下飛濺沒有,因此壓痕深度較小;熔核尺寸有明顯增加;試件的拉剪力也有所增大。由此可見,電極力的增大對高強鋼焊接質(zhì)量的提高是明顯的。

圖5 4.3k N電極力下電流與時間對焊點拉剪力的影響

圖6 4.3k N電極力下電流與時間對熔核尺寸的影響

表1 不同恒定電極力對焊點質(zhì)量的影響

由上述分析可知,采用大的電極力,可有效增大熔核尺寸,且減少飛濺現(xiàn)象的產(chǎn)生。但目前生產(chǎn)現(xiàn)場采用的是氣動焊槍,可施加最大電極力約為3.4kN,不能滿足焊接對電極力的要求。由于氣動焊槍電極力的增大需要增加氣缸的大小,然而如果是手工操作的話,氣缸過大會造成操作困難。因此,選擇大氣缸氣動焊槍的同時,采用機器人控制伺服焊槍,可有效解決焊接飛濺現(xiàn)象的發(fā)生,增大熔核尺寸,提高焊接質(zhì)量。

3.2 變電極力對焊點質(zhì)量的影響

選擇焊接電流為7.5k A,焊接時間為0.16s(8cycle),將焊接過程電極力分為預(yù)壓力F s、通電一階段電極力Fw1、通電二階段電極力Fw2和冷卻電極力F f,每個電極力分三個水平,見表2。試驗方案及結(jié)果見表3。

表2 因素位級表 k N

表3 試驗方案和試驗結(jié)果

由于電極力力變化是一個連續(xù)的過程,設(shè)置0.02s(1cycle)為每次電極力變化的響應(yīng)(過渡)時間,在編寫示教器程序時實現(xiàn)。焊接過程的真實電極力用壓力傳感器進行標定,由于伺服焊槍采用伺服電機作為動力裝置,精確控制電極位移與電極力,因此真實電極力的變化情況與設(shè)定的電極力相符合。電極力變化及響應(yīng)(第6組試驗)如圖7所示。

表4、表5分別為拉剪力各因素極差和熔核直徑各因素極差分析。由表4、表5可知,焊接過程中通電第一階段電極力即因素Fw1對應(yīng)的拉剪力和熔核直徑極差最大,因此,Fw1是影響高強鋼點焊焊點質(zhì)量的重要因素。而按各因素對應(yīng)最大拉剪力或熔核直徑均值大小判別,最大均值對應(yīng)的位級即為該因素的最優(yōu)值。預(yù)壓力2級對應(yīng)的拉剪力和熔核直徑最大,因此,取3k N預(yù)壓力為最優(yōu)值,同理,通電第一階段、第二階段電極力取最大值4.3k N,而鍛壓力可取相對小的值2.2k N。

圖7 電極力變化及響應(yīng)圖

表4 拉剪力極差分析 k N

表5 熔核極差分析 mm

對于傳統(tǒng)低碳鋼的點焊,由于鋼板的本身的強度較低,通常在預(yù)壓階段采用較大的電極力,基本可以形成較理想的導(dǎo)電接觸面積,因此在通電開始后,所需電極力可適當減小。而對于高強鋼,由于鋼板自身強度較高,因此預(yù)壓階段即便采用大的電極力也并不一定能獲得較理想的接觸面積和導(dǎo)電通路,而在通電后,由初始通電產(chǎn)生的熱量使材料發(fā)生軟化,此時采用大的電極力,可改善兩工件間的接觸狀態(tài),因此能獲得更好的焊點。當然,當電極力大到一定程度時,由于有效接觸面積增大,導(dǎo)電通路增大,熔核尺寸反而會降低。因此,電極力的改變是在一定程度下進行的。

在相同焊接電流和焊接時間下,變電極力使熔核的尺寸和焊接件的拉剪力等方面均比3k N下有明顯提高,但試驗中提高的幅度較4.3kN恒定電極力時不明顯。

4 結(jié)論

(1)相同焊接電流和焊接時間的前提下,合理增大焊接電極力,可有效提高點焊過程的焊點質(zhì)量。但是,由于生產(chǎn)現(xiàn)場氣動焊槍氣缸的限制,所用電極力已是該焊機能提供的極限壓力,如果繼續(xù)增加,則需要更換氣缸,而更換氣缸直接帶來操作的不方便。因此,考慮采用機器人控制的伺服焊槍進行該工位點焊,可有效提高焊接質(zhì)量。

(2)改變焊接過程中電極力,也可明顯程度提高焊點質(zhì)量,減少飛濺的發(fā)生程度。但在該工位高強鋼的焊接上,與簡單增大恒定電極力相比,其提高作用不很顯著。

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