点焊技术在汽车工业中的应用

1、点焊技术在汽车工业中的应用学院：材料科学与工程学院姓名：张晨阳班级：焊接二班学号焊技术在汽车工业中的应用作者：张晨阳(佳木斯大学 材料科学与工程专业)摘要：介绍了电阻点焊技术的主要原理和影响电阻点焊的主要因素以及常用的电极材料、点焊设备，分析了汽车工业中新材料的点焊性能和电阻点焊质量控制技术，探讨了点焊新技术、点焊机器人在汽车工业中的应用。关键词：点焊技术；汽车；应用；0前言电阻点焊作为焊接科学技术的一个重要分支，广泛应用于航空、航天、能源、电子、车辆及轻工等部门。每年约占世界总焊接量的 1!3 都是用压力焊来完成的，并有上升的趋势。目前，电阻点焊被广泛应用于汽车驾驶

2、室、轿车车身、飞机机翼、航空发动机扰流器、建筑用钢筋网、家用电器如电冰箱、洗衣机、电风扇以及电炉、家具等薄板冲压焊接结构的生产。现代计算机技术的突飞猛进大大提高了电阻焊机的控制水平，特别是在点焊方面，国内外许多公司已采用计算机控制技术1，来实现焊接质量监控与群控，使点焊质量更加可靠。如 OBM-0120 型微处理机在汽车车门玻璃导轨多点焊机中的应用2，效果良好。美国、日本早在 20 世纪 70 年代初就将点焊机器人用于汽车生产线，而具有视觉触觉等传感器的第二代点焊机器人已完全成熟，它们完全采用计算机控制技术和电伺服驱动3，如 IR761!i25 型点焊机器人在汽车驾驶室生产线上的广泛应用4。随

3、着科学技术的发展，电阻点焊作为压力焊中一种重要的焊接技术，越来越受到世界焊接界的青睐，焊接自动化和计算机技术的发展将为点焊技术的发展提供广阔的发展空间。1点焊电极1.1点焊电极功能点焊电极是保证点焊质量的重要零件，它的主要功能有：(1)向工件传导电流；(2)向工件传递压力；(3)迅速导散焊接区的热量。1.2制造材料条件基于电极的上述功能，就要求制造电极的材料应具有足够高的电导率、热导率和高温硬度，电极的结构必须有足够的强度和刚度，以及充分冷却的条件。此外，电极与工件间的接触电阻应足够低，以防止工件表面熔化或电极与工件表面之间的合金化。1.3常见电极材料电极材料按我国航空航天工业部航空工业标准H

4、B5420-89的规定，分为4类，但常用的是前三类。1类高电导率、中等硬度的铜及铜合金。这类材料主要通过冷作变形方法达到其硬度要求。适用于制造焊铝及铝合金的电极，也可用于镀层钢板的点焊，但性能不如2类合金。1类合金还常用于制造不受力或低应力的导电部件。2类具有较高的电导率、硬度高于1类合金。这类合金可通过冷作变形与热处理相结合的方法达到其性能要求。与1类合金相比，它具有较高的力学性能，适中的电导率，在中等程度的压力下，有较强的抗变形能力，因此是最通用的电极材料，广泛地用于点焊低碳钢、低合金钢、不锈钢、高温合金、电导率低的铜合金，以及镀层钢等。2类合金还适用于制造轴、夹钳、台板、电极夹头等电阻焊

5、机中各种导电构件。3类电导率低于1类和2类，硬度高于2类的合金。这类合淦可通过热处理或冷作变形与热处理相结合的方法达到其性能要求。这类合金具有更高的力学性能和耐磨性能好，软化温度高，但吨导率较低。因此适用于点焊电阻率和高温高强度的材料。点焊电极由四部分组成：端部、主体、尾部和冷却水孔。标准电乏（即直电极）有五种形式。电极的端面直接与高温的工件表面接触，在焊接生产中反复元受高温和高压，因此，粘附、合金化和变形是电极设计中应着重隐的问题。1.4点焊电极结构点焊电极由4部分组成：端部、主体、尾部、冷却水孔。2电阻点焊的基本原理电阻点焊是通过点焊电极对被焊工件施加并保持一定的压力，使工件稳定接触，然后

6、使焊接电源输出的电流通过被焊工件和它们的接触表面，产生热量，升高温度，熔化接触点局部形成焊点，达到将金属工件焊接在一起的目的。点焊结构和热量分布特性如图 1 所示。电阻点焊过程中，在良好的焊接循环条件下，无论焊接什么材料，每一个焊点的形成过程必分为 3 个连续的阶段：第一阶段预压阶段。紧密接触工件的焊接处，保证所需的接触电阻。第二阶段通电加热阶段。电流通过挤压在电极间的工件，产生热量，加热工件达到熔化状态，形成熔核。熔核外部金属因通过的电流较小，形成包围熔核的塑形环，影响焊点强度。第三阶段冷却结晶阶段。焊点熔化形核后，在冷却结晶过程中伴随有相当大的收缩，在这个阶段一定要延迟解除电极的压力，使焊

7、点在未完全冷却前，在电极压力作用下得到更加致密的结晶组织。点焊形核如图 2 所示。3点焊设备点焊设备由焊接电源、电极头和压力机构组成，主要有以下几种类型。3.1工频交流点焊设备使用最广泛的常规点焊机是将三相或单相频率为 50 Hz 的交流电，输入给单相降压变压器，经变压器输出低电压、大电流的正弦波，以满足接触焊点的需求。优点是：结构简单，焊接时间、压力和电流等焊接规范易调节；缺点是功率因数较低，且热影响较大。3.2电容储能式点焊机利用储能电容器在较长时间内储积电能，而在一瞬间以极高速率释放能量，获得较大的焊接电流。由于充电电流远小于放电电流，因而焊接效率较高，适合于焊接导电性、导热性良好的轻金

8、属。3.3晶体管点焊机具有微秒级反馈波形控制，脉冲波形可任意设定，有效防止焊接热影响，可获得高质量无飞溅的焊点，适用于精密精细件的高要求焊接，能出色完成薄板和极细线的焊接。3.4高频逆变点焊机将工频三相交流电通过整流器变为直流电，再按一定规则控制逆变器中功率开关器件的导通或断开，使逆变器的输出侧获得一定频率 中频或高频 的输出交流电压，再通过焊接变压器给电极提供焊接电流。这种焊接方式功率因数高、可精确控制，与交流点焊机相比，其焊接变压器体积很小，是目前比较流行的一种焊机。3.5激光点焊机利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料内部扩散，将材料熔化后形成

9、特定的熔池。激光点焊的优点是热影响区小，焊接深度大，工件变形小。日本开发了点焊用新型半导体激光装置，其激光束直径 l mm，功率为 2 kW。该装置采用新开发的聚焦机构以防止激光扩散，在汽车车身 l mm 厚钢板的连续焊接中，能以 6 m!min 的高速度进行高精度焊接。4电阻点焊在汽车工业中的应用汽车车身即白车身，是整个汽车零部件的载体，其制造质量的优劣对整车的质量起着决定性的作用。电阻点焊主要应用在车身底板、侧围、车架、车顶、车门以及车身总成等部分的装配焊接中。据统计，每一辆轿车车身上约有 4 0006 000 个电阻点焊焊点，例如：上海大众帕萨特白车身装配中，每辆车的总焊点数达到 5 8

10、92 个。因此，提高点焊质量对保证车身装配质量，控制车体误差有着深远的意义。汽车车身焊装线上的电阻点焊设备主要有以下几类：a. 悬挂式点焊机。目前车身焊装生产线上的主要设备。一个车身焊装车间一般有 200300 台悬挂式点焊机，用于车身的各个部位的装配点焊，特别焊接位置复杂多变的部件。b. 点焊机器人。为了适应现代汽车产品多样化生产的需要，提高车身焊装生产线的自动化程度，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率，保证焊接质量，在现代化的车身焊接生产线上，采用点焊机器人代替笨重的悬挂式点焊机，以解放人的单调、重复、长时间的强体力劳动。c. 多点焊机。其目的是为了提高生产效率，减小焊接变形。在车身焊装生

11、产线上，车身底板的点焊装配多采用多点焊机，例如德国的奥迪和 BMW 的车身底板自动化焊装线。点焊机器人和多点焊机在白车身生产线上所占的比例体现了该生产线的自动化程度。例如：上海大众“ 帕萨特”车身焊装线上，共采用 294 台悬挂式点焊机，6l 台点焊机器人；而德国大众“ 帕萨特”车身焊装线上，在总共有 3594个电阻焊焊点中，仅有 40 点是通过手工焊接的，其余都是通过机器人或多点焊机焊接的。5现代点焊机器人点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人。世界上第一台点焊机于1965年开始使用，是美国Unimation公司推出的Unimate机器人，中国在1987年自行研制成第一台点焊机器人华宇-型

12、点焊机器人。点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常电焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外 部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。5.1点焊机器人的基本功能点焊对所用的机器人的要求是不很高的。因为点焊只需点位控

13、制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求。这也是机器人最早只能用于点焊的原因。点焊用机器人不仅要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时间，提高工作效率。点焊机器人需要有多大的负载能力，取决于所用的焊钳形式。对于用与变压器分离的焊钳，3045kg负载的机器人就足够了。但是，这种焊钳一方面由于二次电缆线长，电能损耗大，也不利于机器人将焊钳伸入工件内部焊接；另一方面电缆线随机器人运动而不停摆动，电缆的损坏较快。因此，目前逐渐增多采用一体式焊钳。这种焊钳连同变压器质量在70kg左右。考虑到机器人要有足够的负载能力，能以较大的加速度将焊钳送到空间

14、位置进行焊接，一般都选用100150kg负载的重型机器人。为了适应连续点焊时焊钳短距离快速移位的要求。新的重型机器人增加了可在0.3s内完成50mm位移的功能。这对电机的性能，微机的运算速度和算法都提出更高的要求。 2、 点焊机器人的焊接装备 点焊机器人的焊接装备，由于采用了一体化焊钳，焊接变压器装在焊钳后面，所以变压器必须尽量小型化。对于容量较小的变压器可以用50Hz工频交流，而对于容量较大的变压器，已经开始采用逆变技术把50Hz工频交流变为600700Hz交流，使变压器的体积减少、减轻。变压后可以直接用600700Hz交流电焊接，也可以再进行二次整流，用直流电焊接。焊接参数由定时器调节，新

15、型定时器已经微机化，因此机器人控制柜可以直接控制定时器，无需另配接口。点焊机器人的焊钳，通常用气动的焊钳，气动焊钳两个电极之间的开口度一般只有两级冲程。而且电极压力一旦调定后是不能随意变化的。近年来出现一种新的电伺服点焊钳，如图4所示。焊钳的张开和闭合由伺服电机驱动，码盘反馈，使这种焊钳的张开度可以根据实际需要任意选定并预置。而且电极间的压紧力也可以无级调节。这种新的电伺服点焊钳具有如下优点：1）每个焊点的焊接周期可大幅度降低，因为焊钳的张开程度是由机器人精确控制的，机器人在点与点之间的移动过程、焊钳就可以开始闭合；而焊完一点后，焊钳一边张开，机器人就可以一边位移，不必等机器人到位后焊钳才闭会

16、或焊钳完全张开后机器人再移动；2）焊钳张开度可以根据工件的情况任意调整，只要不发生碰撞或干涉尽可能减少张开度，以节省焊钳开度，以节省焊钳开合所占的时间。3）焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极是轻轻闭合，减少撞击变形和噪声。6汽车制造中的新型材料点焊性能研究点焊过程是在热机械压力下进行的，其焊接性一般比熔接工艺条件下好。如钛合金的 TIG 焊正、反两面均需同时采用氩气保护，而点焊却可在大气中直接进行。随着新材料、新产品的开发，特别是汽车工业的发展，在汽车车身制造中大量采用镀锌钢板和铝合金，为保证焊接质量，研究铝合金、镀锌钢板等新材料的电阻点焊性能已成了非常迫切的任务。目前，

17、国内外许多学者，特别是美国、法国、德国和日本等国都对镀锌钢板点焊进行了大量的研究工作，主要集中在通过大量实验获得一系列数据，如熔核尺寸与电极、焊接电流及时间的关系，各种不同规格镀锌钢板的焊接电流、时间、压力范围等，来获取最佳点焊规范参数以改善焊接性能；研究电极的磨损原理以及探索提高电极寿命的方法和研究新型电极材料；研究熔核的结晶形态、接头的力学性能，讨论焊接参数的影响，确定最适合的焊接条件；通过数值模拟和人工神经网络建立的专家系统等方法，在计算机上模拟镀锌钢板点焊的温度场和熔核尺寸，来预测焊接结果和焊接过程。6.1镀锌钢板的点焊特点由于接触面上低硬度、低熔点、低电阻率镀锌层的存在，表面易烧损，

18、接触电阻减小，焊接区电流密度降低，电流场分布不稳定，影响了熔核的形成和大小，因此，适用的点焊规范范围小。若电流稍大，在电极表面易形成合金，破坏镀层粘损电极，降低电极使用寿命。而焊接规范不合理，在熔核结晶过程中会使接头中残留部分锌及锌铁合金，形成细小裂纹或气孔，残留锌较多时还会形成软化组织。镀锌钢板点焊时易产生焊接喷溅，影响焊点质量的稳定性。6.2提高镀锌钢板点焊质量的途径a.严格控制焊接工艺参数。镀锌钢板点焊质量主要是评估单个焊点的强度、耐腐蚀性的高低、在大生产条件下焊点的合格率等。实际生产中影响焊接质量的因素相当多，例如网路电压的波动、分流、电极的磨损、操作人员的技术水平、装配质量等。镀锌钢板焊接参数的范围窄，更需要严格控制。b.选择合适电极材料、形状和尺寸，及时修整或更换电极，电极良好的冷却对保证焊接质量很重要。c.采用多脉冲或 SIope 电流方法焊接镀锌钢板。一种是增加预热和后热电流，另一种是增加缓升和缓降电流。Iane 等人研究了改变电流对焊核形成过程的作用，认为电流的改变能够促进焊核的形成；焊前电流的改变有助于焊核的均匀形成；焊后电流的改变有助于约束熔核，防止飞溅；焊前和焊后电流改变的同时使用，可以综合两者的优点。这种电流改变技术已经用于镀锌钢板的焊接生产。d