机器人电阻点焊飞溅控制的研究

汪飞　叶少剑　田永强　李松　李宏

摘 要：由于生产效率高、焊接稳定，机器人点焊越来越广泛运用于汽车车身生产制造中，如何降低机器人火花飞溅成为各大汽车主机厂的重大课题。本文结合某车型生产实际，从飞溅产生的机理出发，分析了飞溅产生的各种影响因素。从电极修磨、焊枪垂直度调试、焊接参数等三个主要方面进行优化，将飞溅率由36.24%降为8.26%，明显控制了飞溅现象，又提升了焊点的品质，减少了后工序打磨时间，有效提高了生产效率。

关键词：机器人点焊 飞溅 焊接参数 控制

Research on Spatter Control of Robot Resistance Spot Welding

Wang Fei Ye Shaojian Tian Yongqiang Li Song Li Hong

Abstract：Due to high production efficiency and stable welding， robot spot welding is more and more widely used in automobile body production. How to reduce robot spark splash has become a major issue for major automobile OEMs. Based on the actual production of a certain car model， this paper analyzes various influencing factors of splash from the mechanism of splash. Optimized from three main aspects： electrode grinding， welding torch verticality adjustment， welding parameters， etc.， the spatter rate was reduced from 36.24% to 8.26%， which obviously controlled the spatter phenomenon， improved the quality of the solder joints， and reduced the subsequent polishing process， and the production efficiency was effectively improved.

Key words：robotic spot welding， spatter， welding parameters， control

1 引言

一輛白车身约有4000-6000个焊点，电阻点焊因其使用成本低、生产效率高等优势，广泛运用于焊装车间生产制造中。电阻点焊完成了白车身90%以上的装配工作量，是车身装配的主要连接方式。随着科学技术的快速发展，工业机器人逐步代替人工焊接，越来越多的使用于点焊工艺中。以广汽集团乘用车（杭州）有限公司焊装车间为例，主线焊接自动化率已经达到100%，整车焊接自动化率70%左右。随着工业机器人的大规模运用，自动化电阻焊焊接时产生的火花飞溅（图1）导致的焊接品质不良，往往是一种影响自动化效率的普遍现象。

火花飞溅会对生产制造产生诸多负面的影响，如：降低了焊点的品质、易产生焊点径小、气泡等不良，影响整车的外观品质以及大大降低车身焊接强度、增加后工序打磨返修工时，污染焊接设备与夹具、降低设备的使用寿命，还会污染现场工作环境。因此，如何降低焊接火花飞溅成为国内外各大主机厂不断优化的重大课题。本文从飞溅产生的机理出发，结合广汽集团乘用车（杭州）有限公司焊装车间实际生产降低飞溅为例，分析了飞溅产生的主要因素及控制措施，有效降低了焊点的飞溅率。

2 焊接飞溅产生机理及原因

电阻点焊的工作原理是在施加外部压力和电流的作用下，板材之间产生电阻热使金属熔化，断电后金属溶液冷却结晶形成焊核。电阻点焊一般有加压、通电、维持、休止等四个阶段，在通电阶段，电阻热会使焊接处产生熔核区和塑性环，正常情况下，塑性环会包住熔核区，使金属溶液不会产生飞溅，从而形成完整焊核，如图2。但是，在如下两种情况下例外。第一种是当焊接处的热量不断增大时，熔核区也随之长大，当熔核的直径长大到超过电极帽端面范围时，此时熔核区无法受到塑性环的保护，在一定的压力作用下，液态金属溶液就会从电极帽端面处飞出产生飞溅。第二种情况是当电流过大，热量产生过大，导致熔核区的长大速度过快，当其生长速度大于塑性环的生长速度时，液态金属会突破塑性环飞出形成火花飞溅现象。

从飞溅形成的机理出发，结合生产实际分析总结，产生飞溅的主要因素有：电极帽修磨不良、焊枪电极帽与板材的垂直度、焊接参数，其它因素有板材之间的搭接间隙、车体精度、板材的洁净度、加胶、焊点位置等也会影响飞溅的产生。

3 机器人焊接飞溅控制措施

3.1 电极帽修磨优化

修磨不良主要是指电极帽修磨之后端面有缺口、不平整，表面未修干净、仍残留黑色氧化物或杂质等现象。修磨不良会直接增大板材间的接触电阻，导致热量集中增大，容易产生飞溅火花。因此保证电极帽表面的修磨状态是管控飞溅的基本硬件基础，作者通过优化焊枪的修磨轨迹及修磨参数，最终得到表面较光滑平整、无黑色氧化物等杂质的电极帽（如图3）。

此外，保证电极帽端面直径5-6mm、上下电极帽贴合面接触良好、对中度无异常（在标准1mm范围内），不仅是管控飞溅的重要措施，也是焊点强度的重要支撑。因此建立合理的修磨频次和修磨效果监察制度是必要的，根据每把焊枪每辆车打点数量不一，一般焊120-170点后进行一次修磨，每班次换一次电极帽，班前班后专人检查修磨状态并记录，有异常情况应及时反馈。

3.2 焊枪垂直度调试

焊枪电极帽在夹紧状态如果与板材接触面不垂直（图4），此时塑性环不处于密封状态;在一定压力的作用下，金属溶液被挤压飞溅而出，此时的焊点表象为扭曲，周边经常有毛刺存在。通过调试焊枪的焊接姿态，使电极帽与板材的接触角度在90°±5°以内。

3.3 焊接参数优化

一般情况下，点焊的焊接方式有两种，第一种软规范：长时间、小电流，第二种硬规范：短时间、大电流。对于生产企业而言，为了降低成本、提高生产效率，往往选择第二种焊接方式。但此种焊接方式较容易产生飞溅，而且还会造成能源的浪费。

Q=I2Rt                      （1）

Q-热量，I-焊接电流，R-电阻，t-焊接时间

1.焊接电流

由公式（1）可知，电流对热量产生有较大的影响，当焊接电流过大时，热量增长过快，导致熔核区生长速度大塑性环的生长速度，金属溶液容易突破塑性环而产生火花飞溅。如果焊接电流过小，热量产生较小，降低焊点的强度，容易产生虚焊、开焊等不良。除焊接电流大小外，电流密度也会对飞溅和焊接质量产生影响。电极帽与板材接触面积较小，电流密度增大，也会容易造成火花飞溅，严重情况下还会产生喷溅、焊接处板材炸穿。焊接分流和电极帽接触面积较大，会降低电流密度，弱化焊点的强度。

2.焊接时间

焊接時间如过小，会产生径小等不良，在实际设定中应结合材料的厚度、材质、搭接组合，与焊接电流搭配使用。对于镀锌板、热成型钢板的焊接而言，传统的硬规范和软规范难以满足生产需求，常使用多脉冲的焊接方式。

3.电极压力

R=Rc+Rw1+Rw2+Rew1+Rew2      （2）

R-电阻，Rc-板材间的接触电阻，Rw1、Rw2-板材本身电阻，Rew1、Rew2-电极与板材的接触电阻

电极压力主要影响电阻R（图5），当板材一定时，电极压力过小，板材间的接触电阻Rc和电极与板材的接触电阻Rew增大，导致热量过大，融核区的生长速度大于塑性环扩展速度而产生火花飞溅。电极压力过大，产热减少，易降低焊点的强度。在确保焊点质量的前提下，适当增大压力可有效降低飞溅。

4.参数综合优化

随着汽车产业技术的发展，镀锌钢板由于具有良好的抗腐蚀性能，又能满足车体的轻量化，被广泛运用于车身制造中。但是镀锌板可焊性较差，表面锌层在焊接过程中特别容易产生喷溅，这不仅使焊接过程更复杂，也增加了飞溅管控的难度。

为解决上述问题，作者采用多脉冲的焊接方式，即两段电流焊接模式。以某车型生产为例，板材由宝钢出厂，DC54D+ZF0.7、HC420/780DPD+ZF1.2与HC340/590DPD+ZF1.2三层板组合，初始设定参数为压力3400N，电流9.0KA，通电时间20CYC，此时飞溅率较高。优化焊接参数为3600N、6.5/8.5KA、5/20CYC，飞溅明显减少，自适应电阻曲线平缓完整（如图6）。二次脉冲的原理为第一段通电，打破锌层，第二段通电为钢板焊接，这种焊接方式减少了铜锌合金的形成和粘铜现象，也大大减少了飞溅产生的几率。改善了电极磨损，缓解了主缆过热等问题。

4 飞溅改善效果

通过修磨优化、垂直度调试、参数优化等一系列措施，将0.5-3m飞溅焊点由58个降为15个，3m以上飞溅由21减少为3个，飞溅率从36.24%降为8.26%，有效控制了0.5m以上的火花飞溅。

5 结论

1.点焊飞溅是汽车生产中不可避免的问题，飞溅主要是熔核区与塑性环之间的作用关系。

2.从机、物、料、环等方面分析了机器人点焊飞溅的影响因素，主要因素为电极的修磨状态、焊枪与板材间的垂直度、焊接工艺参数等，其他因素有焊点位置（边缘焊、R角）、车身精度、板材洁净度、电网波动等。

3.使用多脉冲焊接方式避免了焊接区域加热过急，有效抑制了飞溅的产生。

4.通过对主要因素进行一系列的优化，火花飞溅得到了较明显的改善，将侧围飞溅率由 36.24%降为8.26%。

参考文献：

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