余穩(wěn)勝，劉楚生，談毅，韓偉

(廣州城市理工學(xué)院，廣州 510800)

0 前言

為適應(yīng)轎車制造行業(yè)的大批量生產(chǎn)發(fā)展和快速生產(chǎn)節(jié)奏，使用機(jī)器人電動(dòng)伺服焊槍進(jìn)行自動(dòng)化電極焊已成為汽車轎車覆蓋件快速焊接成型的廣泛技術(shù)手段。應(yīng)用機(jī)器人電動(dòng)伺服焊槍與機(jī)器人關(guān)節(jié)軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，提高焊接精度、節(jié)拍和效率。廣州花都某汽車零部件配套企業(yè)的轎車車門右前翼板電阻焊，使用B180H1烘烤硬化鋼板作為翼板材料。B180H1烘烤硬化鋼板由于材料中均勻固溶一定的碳原子，鋼板沖壓成型后進(jìn)行涂漆烘烤時(shí)屈服強(qiáng)度增加，使得車門外觀抗凹陷性能大幅提升。并且由于沖壓成型生產(chǎn)過程中不需要進(jìn)行加熱，所以不存在熱軋常出現(xiàn)的麻點(diǎn)和氧化鐵皮等缺陷，表面質(zhì)量好、光潔度高，因此B180H1鋼被廣泛應(yīng)用于汽車車門外板和車身外覆蓋件上[1]。生產(chǎn)中采用0.8 mm的等厚B180H1鋼板電阻焊接形成右前車門板，要求產(chǎn)品表面不允許有波紋、皺紋、凹痕、虛焊、和壓痕等缺陷。電阻焊過程中車門翼板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊點(diǎn)數(shù)量較多，機(jī)器人電阻焊過程電極的多次沖擊力會(huì)使鈑金局部的翹曲和塑性變形，引起工件間距發(fā)生變化，使得電極與工件的實(shí)際距離、接觸面積等與編程時(shí)的理論設(shè)定值偏離，造成熱傳導(dǎo)的效率降低及相應(yīng)的焊接質(zhì)量問題。實(shí)踐中在應(yīng)用ANSYS 軟件熱傳導(dǎo)進(jìn)行車門翼板電阻焊數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FANUC伺服焊槍的宏程序?qū)附舆^程2層板材的厚度變化進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)控制，保證前后焊接的焊點(diǎn)質(zhì)量一致和穩(wěn)定[2]。

文中基于ANSYS有限元技術(shù)對(duì)B180H1烘烤硬化鋼板電阻焊過程進(jìn)行熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬分析，探究板材厚度對(duì)焊接熱傳導(dǎo)效率及熔核直徑大小的影響。

1 伺服焊槍的熱傳導(dǎo)和點(diǎn)焊質(zhì)量的有限元分析

B180H1烘烤硬化鋼板電阻焊容易出現(xiàn)的主要工藝缺陷有飛濺、焊透、脫焊和凹陷等。車門鈑金電阻焊焊點(diǎn)數(shù)量有27個(gè)之多，用2臺(tái)機(jī)器人對(duì)車門框架鈑金件的焊點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行批量電阻焊接生產(chǎn)，如圖1所示。長(zhǎng)時(shí)間的高速、高頻度電極沖擊容易造成2層薄板之間的間隙擴(kuò)大。隨著板材間距和厚度變化，電極和工件間的接觸面積也不斷減少，通過間隙散發(fā)掉的熱量大于用于焊接的有效熱量，使焊點(diǎn)質(zhì)量逐步下降，因此需要通過焊接數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)電阻焊的熱傳導(dǎo)變化進(jìn)行定量的分析研究[3]。并運(yùn)用伺服焊槍板材厚度檢測(cè)和電極壓力調(diào)整等技術(shù)手段協(xié)同配合，才能實(shí)現(xiàn)前后焊點(diǎn)質(zhì)量一致的焊接作業(yè)水平。

圖1 車門翼板機(jī)器人焊接工作站

1.1 電極與工件間距離的變化與熔核質(zhì)量分析

在機(jī)器人鈑金電阻焊正常情況下，伺服焊槍電極與工件間距離的變化由焊接程序規(guī)定。在每個(gè)焊點(diǎn)的預(yù)壓、焊接、維持和休止焊接循環(huán)的等4個(gè)不同工藝階段，伺服焊槍的電極與工件間的距離按照機(jī)器人焊接的程序進(jìn)行變化，如圖2所示。這種距離的變化是符合電阻焊形成熔核規(guī)范工藝流程，也是編程初期設(shè)定的理論值。

圖2 車門翼板電阻焊循環(huán)過程中熔核形成過程和板材厚度示意圖

機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化點(diǎn)焊時(shí)點(diǎn)焊動(dòng)作示教程序中，對(duì)于電極初始位置和結(jié)束位置進(jìn)行了精確的設(shè)定，具體指令格式如下所例：

SPOT[SD=2,P=10,b=1.6,S=j,ED=5]

SD設(shè)置的是焊接前準(zhǔn)備加壓的初始距離為2 mm，ED參數(shù)則指定了焊接結(jié)束后焊槍壓力關(guān)閉的距離為5 mm。b指板材厚度為1.6 mm，j為電極距離和加壓力等工藝條件的編號(hào),默認(rèn)值最大為99。在車門翼板每個(gè)焊點(diǎn)的預(yù)壓階段，需要加大預(yù)壓力以盡量減小上、下鈑金工件間的間隙；上、下鈑金工件間的厚度間隙越小，則越有利于電極噴嘴利用電流通過工件集中產(chǎn)熱形成熔核，提高形成焊接熔核有效熱量比率[4]。

理論上點(diǎn)焊前翼板上、下板的理論預(yù)裝配間隙應(yīng)當(dāng)是零，但實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)過了數(shù)量大量焊點(diǎn)的機(jī)器人電阻焊之后。焊接工作站不同位置的夾具輪番夾緊、松開等不斷變化，由于夾具的裝夾力不均勻，以及電極的不斷沖擊使板件局部發(fā)生翹曲變形和塑性變形，產(chǎn)生變形引起間隙增大，擴(kuò)大了電極與工件間距離。在點(diǎn)焊過程的不同形狀部位，圓錐形銅電極均采用3 000 N電極壓力施加在板材上，而在車門翼板幾何形狀平緩的位置與形狀復(fù)雜拐角位置。由于上下電極未對(duì)正，電極端部在通電時(shí)滑移，電極端部整形不良，工件與電極不垂直等原因，更容易會(huì)造成板材局部應(yīng)力翹曲、扭曲變形和塑性變形呈現(xiàn)不均勻變化，出現(xiàn)板材間的實(shí)際厚度距離與設(shè)定值產(chǎn)生不一致的情況。有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生壓坑過深凹陷變形現(xiàn)象，如圖3所示，使原來的上、下板材的間距，以及板材與電極間的實(shí)際距離均與設(shè)定的數(shù)值發(fā)生擴(kuò)大或者凹陷縮小。

圖3 扭曲變形時(shí)的間隙變化和電極壓坑產(chǎn)生的凹陷變形

過大的間隙會(huì)使傳熱效率降低，熔核直徑減小，從而產(chǎn)生氣孔、飛濺和虛焊等缺陷增加。2層板材預(yù)裝配間隙的被動(dòng)變化還會(huì)使焊接電極壓力波動(dòng)和傳熱效率波動(dòng)，從而引起各焊點(diǎn)強(qiáng)度的顯著差異，直接影響到電極與工件間的接觸面積和熱傳導(dǎo)效果，其中產(chǎn)生的缺陷如圖4所示。

圖4 車門翼板虛焊缺陷實(shí)例圖

1.2 車門翼板電阻焊的熱傳導(dǎo)有限元分析

點(diǎn)焊過程通過伺服焊槍電極施放電流及施加壓力，利用瞬時(shí)電流通過電極頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱和大量塑性變形能量，使原本分離的車門上、下翼板件表面金屬原子之間形成金屬鍵，在結(jié)合面上受到電極力鍛壓生成足夠數(shù)量的共同晶粒而接合成焊點(diǎn)接頭[5]。在此過程中的熱傳導(dǎo)效率是影響共同晶粒數(shù)量多少及電阻焊質(zhì)量的首要因素，而其中工件間隙擴(kuò)大和2層板材厚度增加又是造成熱量損耗或散失的直接原因，因此板材工件厚度變化與電阻焊熔核尺寸關(guān)系是分析研究焊接質(zhì)量的重點(diǎn)內(nèi)容。由于電阻焊過程中力、熱、電是相互影響的，需要使用ANSYS等軟件經(jīng)過對(duì)電流密度、電極壓力和工件距離等多方面因素的數(shù)值模擬耦合才能進(jìn)行綜合定量質(zhì)量分析和評(píng)價(jià)。電阻焊焊接區(qū)的溫度場(chǎng)是由加熱和散熱這2個(gè)過程共同作用的結(jié)果。ANSYS 軟件根據(jù)熱傳導(dǎo)微分方程進(jìn)行數(shù)值模擬耦合分析，在上下電極軸形狀尺寸對(duì)稱的情況下點(diǎn)焊熱傳導(dǎo)微分方程可表示為：

(1)

式中：r，z分別為上下電極軸對(duì)稱圓柱坐標(biāo)系中的徑向和軸向坐標(biāo)；T為電阻焊工作區(qū)域溫度；t為工作時(shí)間；qv為電極單位體積內(nèi)產(chǎn)熱率，W/m3；λ是電極材料的導(dǎo)熱系數(shù)，J/(kg·℃)；ρ為電極材料密度，kg/m3；Cρ為電極材料比熱，J/(kg·℃)。

圖5所示為運(yùn)用ANSYS對(duì)不同的鈑金間距造成的熔核直徑大小情況比較。通過建立完整的點(diǎn)焊熱-電-應(yīng)力耦合模型，按照同一焊接條件對(duì)不同翼板間厚度進(jìn)行熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)和熔核形成情況進(jìn)行了數(shù)值模擬[6]。具體起始階段設(shè)定在3 000 N電極壓力作用下，使用圓錐形銅電極，焊接電流為9.0 kA，加熱時(shí)間t=12 cyc,工件板厚標(biāo)定值為1.6 mm；研究過程中分別對(duì)板材厚度1.6 mm,1.8 mm,2.0 mm和2.2 mm進(jìn)行焊接數(shù)值模擬計(jì)算，得到4種形核直徑情況如下。

圖5 4種不同板厚情況下熔核尺寸分析比較

液態(tài)熔核的形成與長(zhǎng)大需要吸收大量的相變潛熱。產(chǎn)生的熱量一方面用來加熱焊接區(qū)金屬，形成足夠尺寸的熔化核心，但同時(shí)必須補(bǔ)償向周圍物質(zhì)，即空氣、工件和電極金屬等傳導(dǎo)輻射的熱損失。從ANSYS軟件對(duì)4個(gè)不同距離的情況進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，板材厚度距離為b1和b2時(shí)，即板厚在1.6 mm至1.8 mm時(shí)，熔核直徑明顯大于b3和b4達(dá)到2.0 mm和2.2 mm時(shí)的直徑。說明板厚在1.6 mm至1.8 mm時(shí)熔核形成屬于正常情況，而隨著機(jī)器人工作站連續(xù)工作，電極多次沖擊造成翼板變形引起間隙增大，b3和b4達(dá)到2.0 mm和2.2 mm時(shí)，電極與鈑金工件的實(shí)際接觸面積不斷減小。形成熔核的直徑越來越小，產(chǎn)生氣孔、飛濺和虛焊等缺陷的趨勢(shì)將會(huì)增加。此外，板材間隙過大時(shí)還會(huì)加劇電流的分流現(xiàn)象,使焊接區(qū)的有效電流減小，析熱不足使熔核尺寸減少，導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)一步下降[7]。因此需要對(duì)連續(xù)的電阻焊中電極與板材間的實(shí)際厚度距離進(jìn)行檢測(cè)并隨時(shí)限制板厚變化。避免上、下板的間隙擴(kuò)大引起的焊接缺陷。

2 車門鈑金焊接中的板厚檢測(cè)宏程序應(yīng)用

運(yùn)用有限元模擬軟件 ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬分析之后，再運(yùn)用FANUC伺服焊槍宏程序功能對(duì)點(diǎn)焊過程的質(zhì)量缺陷進(jìn)行預(yù)防和控制。FANUC點(diǎn)焊機(jī)器人本體已經(jīng)有6個(gè)關(guān)節(jié)軸，使用伺服電機(jī)配合減速齒輪驅(qū)動(dòng)的伺服焊槍則設(shè)定為第7軸電極。FANUC伺服焊槍根據(jù)機(jī)器人控制器發(fā)出的指令脈沖信號(hào)完成焊槍的焊接動(dòng)作，焊接程序進(jìn)行的同時(shí),伺服電機(jī)用光電傳感器進(jìn)行焊接位置檢測(cè)，形成位置精度更高的閉環(huán)反饋控制的系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)焊槍動(dòng)作位置、速度和壓力之間的精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制[8]。如圖6所示，伺服焊槍可動(dòng)側(cè)電極的分離型光電傳感器能夠動(dòng)態(tài)檢測(cè)板材厚度變化情況，當(dāng)翼板工件厚度達(dá)到極限值時(shí)，宏程序跳轉(zhuǎn)指令啟動(dòng)不再繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)行電焊程序動(dòng)作并轉(zhuǎn)為報(bào)警。從而嚴(yán)格精準(zhǔn)控制伺服焊槍電極與工件距離變化，避免發(fā)生氣孔、凹陷和虛焊等焊接缺陷。

圖6 伺服焊槍移動(dòng)側(cè)電極測(cè)量板材厚度示意圖

2.1 工件厚度檢測(cè)宏程序的編制

為了提高工件厚度測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性，F(xiàn)ANUC伺服焊槍可以設(shè)定工件厚度下限值和上限值，即Un-derthickness limit和Over thickness limit的設(shè)定，在車門翼板焊接中，指定2層翼板工件標(biāo)準(zhǔn)厚度值為1.6 mm，工件厚度上、下限值為0.3 mm。其工件厚度檢查宏程序編制見表1。宏程序的變量指令特點(diǎn)是當(dāng)設(shè)定的條件達(dá)到時(shí)，程序就會(huì)改變?cè)瓉淼暮附榆壽E，轉(zhuǎn)成報(bào)警停止。工件厚度的指定值設(shè)定為1.6 mm之后，F(xiàn)ANUC伺服焊槍的宏程序在焊接前自動(dòng)檢查每個(gè)焊點(diǎn)的板材厚度，當(dāng)測(cè)量值在1.9 mm以上超出上限值或1.3 mm超出下限值時(shí)，說明板材裝夾厚度未達(dá)標(biāo)，宏程序的變量指令條件滿足并發(fā)生轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)顯示THK_SEV[2]報(bào)警并提示復(fù)查板厚，焊槍動(dòng)作停止，避免繼續(xù)進(jìn)行錯(cuò)誤的焊接。

表1 工件厚度檢查宏程序

2.2 板材工件厚度檢測(cè)功能的應(yīng)用設(shè)置

一般情況下電阻焊的焊點(diǎn)數(shù)量較少及板材形狀簡(jiǎn)單，焊接過程工件厚度較少發(fā)生變化時(shí)，為了使程序簡(jiǎn)單提高焊接效率，可以不需要進(jìn)行工件厚度檢查。此時(shí)可將工件厚度檢查Thickness check mode功能模式設(shè)置為DISABLE 無效。如圖7所示,車門翼板焊接設(shè)置為ENABLE有效模式時(shí)，在機(jī)器人焊接過程中對(duì)所有的工件點(diǎn)焊和加壓動(dòng)作都進(jìn)行厚度測(cè)量。

圖7 板材工件厚度檢測(cè)功能的應(yīng)用設(shè)置

當(dāng)厚度超出極限值越大，越容易造成虛焊和飛濺，使鈑金接頭性能降低。厚度過小低于最小極限值的情況極少出現(xiàn)，此時(shí)板材之間已經(jīng)有嚴(yán)重凹陷現(xiàn)象，熔核不能正常形成。并且會(huì)造成電極與工件非焊接區(qū)相接觸和電流密度過大，引起金屬過熱和噴濺，需要立即停機(jī)檢查板材局部情況并采取措施修正[9]。

針對(duì)轎車翼板使用B180H1鋼進(jìn)行點(diǎn)焊板材間隙變化的特點(diǎn)，生產(chǎn)時(shí)可采取減少應(yīng)力變形的工藝措施進(jìn)行預(yù)防，如焊點(diǎn)軌跡順序的合理規(guī)劃、夾具均勻布置和焊槍電極力的動(dòng)態(tài)監(jiān)控調(diào)整等，因篇幅所限在此不加詳述。

3 結(jié)束語

在轎車翼板等零部件生產(chǎn)中采用B180H1鋼進(jìn)行焊接能顯著提高外觀質(zhì)量和力學(xué)性能，但同時(shí)B180H1材料的材料特性使塑性變形溫度區(qū)間變窄，使得合適的焊接工藝范圍變窄，因此需要匹配精密工藝參數(shù)控制能力的伺服焊槍和質(zhì)量控制手段，才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接效果。對(duì)于焊點(diǎn)數(shù)量偏多的車門翼板零部件，板材局部的翹曲和塑性變形，引起厚度變化成為焊接質(zhì)量穩(wěn)定的主要因素之一。板材厚度的變化對(duì)焊接熔核形成質(zhì)量有重要影響，示教編程時(shí)理論上的程序設(shè)定的距離參數(shù)焊接條件與實(shí)際的不相符，容易發(fā)生熔核直徑過小帶來的焊接缺陷及質(zhì)量問題。通過FANUC宏程序的條件指令和伺服焊槍的光電檢測(cè)裝置，在焊接過程中實(shí)現(xiàn)板材厚度動(dòng)態(tài)的精確檢測(cè)控制，才能使車門翼板電阻焊的前后焊點(diǎn)質(zhì)量保持全面穩(wěn)定。