森德莱铝合金点焊技术和解决方案

何伟森德莱电阻点焊技术和铝车身连接解决方案MaterialsConstructionJoiningCarbonFiberAluminumHybridMaterialsCompositesPlasticSteel……………SteelvariantsHighStrengthSteelBH-SteelCP-SteelDP-SteelTripSteelProcessCombinationSpotWeldingClinchingRivetingFDSFrictionStirLaserWeldingLaserBrazingLaserHybridGluingBondingTIGMIG/MAGPlasma…………….Newbodybreak-downsInnovationoncarsmaterialsInnovationinJoiningtechniquesLightweightStructureAutomotive未来轻量化车身的趋势:多材料设计美铝研究，将全铝车身的26个大总成进行分析评估得出，采用铝材降低车身质量的约40%，节约油耗约10%——铝制车身未来轻量化车身的趋势:多材料设计MercedesSLClassAUDI

A8——铝制车身未来轻量化车身的趋势:多材料设计铝挤压型材、铝真空压铸件及铝合金板是铝车身的三种基本元素。铝挤压成型的多种盒形断面的梁构成空间框架，称为ASF(AluminumSpaceFrame)。这种梁的壁厚比相同尺寸的钢要增加0.7-0.8倍。空间框架的联接是由真空压铸铝件完成的。这种铝铸件要求强度高，多用在应力集中的节点处，主要的承载部位通过激光MIG复合焊接联接。这种压铸铝接头件的高强度是通过优化结构和增加壁厚来达到的。铸件能够做成很复杂的形状来满足车身结构需要，并保证这种车身节点有最佳的刚度。车身外覆盖件是由铝合金板冲压加工制造，铝板的厚度比钢板要增加0.2-0.25倍。覆盖件与骨架的联接是通过冲压铆钉铆接(SPR)完成的，其它的联接方法有激光焊接、点焊和搅拌摩擦焊等。由于采用轻金属铝，使车身质量减轻40%。铝空间框架的设计使车身的静态扭转刚度提高40%；并且铝材的吸能性好，在碰撞中的安全性有明显的优势，汽车前部的变形区在碰撞时会产生皱折，能吸收大量的冲击力，从而保护了后面的乘坐区。除了板材的吸能性外，又由于车身质量的减轻，在碰撞时产生的动能也会减小，相应降低冲击力。——铝制车身未来轻量化车身的趋势:多材料设计——铝制车身未来轻量化车身的趋势:多材料设计铝制车身连接工艺铝材用于车身构造通常采用三种形式,在前面已经介绍了.铝合金板铝挤压型材铝真空压铸件铝车身的连接方法常用到SpotWelding/点焊

MIG

Welding/MIG焊Self-PiercingRivet/穿刺铆SPRFlowDrillScrewing/高速热熔钻FDSBonding/胶接通常,铝制车身会用到多种连接工艺铝制车身连接工艺1Centerline铝材电阻焊技术2Centerline方案与SGM方案对比3Centerline推荐的解决方案焊接参数参考RWMA与AWS期刊WeldSchedulesinRWMAandAWSPublications焦耳定律和电阻点焊参数铝合金与钢材物理性能比较铝合金与钢材物理性能比较Physicalpropertiesofaluminumalloysvs.steel更低的熔点（过程时间短）Muchlowermeltingpoint(lesstimetoprocess)塑形变形温度铝合金90C、钢材540CPlasticrangeofAL90Cvs.Steelat540C焊接电极需要更多的冷却水Electrodesrequiresmorecooling低电阻率以及高导热系数Lowerelectricalresistanceandhighthermalconductivity很难保证焊接温度以及保温形成焊核Difficulttobuildheatandretainheatinweldnugget铝合金分流比钢材更明显ShuntingmoreprominentinALthansteel凝固过程中铝合金更易形成裂纹HighsolidificationandcontractionprocessinAL(cracking)铝合金表面具有高电阻以及高熔点的氧化物阻碍电流形成回路Oxideonaluminuminterfereswithcurrentflow–highcontactresistance铝合金与钢材物理性能比较热导率ThermalConductivity比钢材更大Greaterthanthatofsteel铝合金的热损失率更高Therateofheatlossfromtheweldismuchgreaterinaluminum需要短时间，大电流Requireshortweldingtimesandhighcurrentflows电阻率ElectricalResistivity铝合金电阻率低于钢材，约为钢材的40%Theelectricalresistivityofaluminumisquitelow(approx.40%ofsteel)Steel2-3XhigherthanAluminum需要短时间，大电流Requireshortweldingtimesandhighcurrentlevels相同GMT的铝合金焊接所需电流为钢材的3-5倍Threetofivetimesthecurrentisrequiredtoweldanequivalentthicknessofaluminumcomparedtosteel铝合金的分流效应造成的电流损失比钢材更加严重Shuntinglossesinaluminumalloysaremoreofaproblemthanforsteel铝合金与钢材物理性能比较铝焊接要求Aluminumweldingrequires高电流HighAmps短焊接时间Shortweldtime快速上升时间Fastrisetime焊接时间WeldTime钢SteelSecondaryAmps热导率和电阻率对焊接电流的要求热导率与熔核温度Thermalconductivity/nuggettemperature铝合金有高导热系数以及很大的软化区域HighthermalconductivityofAlproduceslargesoftenedzone需要大直径焊接面电极帽覆盖铝合金焊核以及全部软化区域Requireslargefacedia.electrodescontainAlnuggetandsoftenedregion焊枪电极帽使铝合金焊核/PMZ/软化区域稳定StiffweldgunswillstabilizeelectrodeoverAlnugget/PMZ/softenedmetalzone铝合金点焊AlSpotWelding钢材点焊SteelSpotWelding热导率对焊接的影响热量产生位置比较Heatgenerationcomparison通用镀锌钢板TypicalGalvanizedsteelsheet通用铝合金板材TypicalAluminumsheet理想铝合金板材以及合适/有效的冷却Idealaluminumsheetweldingobtainedwithproper/effectivecooling普通镀锌钢板电阻点焊普通铝合金板材电阻点焊理想铝合金板材电阻点焊GalvanizedSteelRSWHistoricalAluminumRSWIdealAluminumRSW表面氧化层对焊接的影响森德莱推荐使用与铝合金接触面为超大半径球面来代替平面的电极帽。CenterLinemendslargeradiusfacedelectrodestolocalizeheatataluminumsheetinterfaceinsteadofthesurface另一种方法是GM专利工艺电极帽，利用突出纹理刺破表面氧化物层。AnothermethodistousefinegritblastelectrodesorGMpatentedprocessthatprovidesridgetexturebreaksthrutheoxidecoating.表面氧化层对焊接的影响GM’sproprietarymulti-ringdomedelectrodehead(Source:GM)修磨刀片TipDresserCutterTipCap表面氧化层对焊接的影响GM采用的方案修磨刀片TipDresserCutter电极帽TipCap电极修磨器TipDresser表面氧化层对焊接的影响森德莱在特斯拉采用的方案Browne,D.,ModeltoPredict,IBEC’95,AdvTech&Processes,1995为什么要采用大端面的电极？Whydowechooselargeradiusfacedelectrode?焊材受力移动分析模型PredictiveModelforExpulsion电极帽端面尺寸要求珠状凸起表面加速压入材料Beadblastedsurfacesspeedsupbreakin必须能压住塑性材料避免飞溅Mustcaptureplasticmaterialtoeliminateexpulsion半径通常为1”到3”Radiusesfrom1”to3”arenormal为什么要采用大端面的电极？Whydowechooselargeradiusfacedelectrode?电极帽端面尺寸要求Auhl,JR,SAE940160,1994不同的焊核形成状态VariousNuggetGrowthMorphologies焊枪的刚性要求：保证电极严格对中，电极对中性对铝点焊的焊核尺寸和形态有重要影响Robust“stiffguns”,alignmentiscritical铝点焊对焊枪的要求电极帽对中对于保证熔核成型及熔核大小是非常关键Alignmentiscriticaltokeepaluminumnugget“captured”andtocreateuniformnuggetsize铝点焊对焊枪的要求焊枪的刚性要求：保证电极严格对中，电极对中性对铝点焊的焊核尺寸和形态有重要影响Robust“stiffguns”,alignmentiscritical使用强度更高的电极臂Heavydutygunarms使用适用重载的转轴、滑轨、电极导向Heavydutypivots,slides,electrodeguides焊接时间太短，不允许滑移Weldtimeistooshorttoallowskidding预防性保养是非常重要的，对于部分零件必须考虑减少MTBF时间，须建立标准的检查程序和制定定期的维修保养检查来保证生产连续性PreventativemaintenanceprogramcriticalandmustconsidershorterMTBFonsome

componentsMustbenchmarkthegunsandcreatescheduledmaintenancechecks

andserviceintervalstoassureconsistentweldprocess焊枪的刚性要求：尽可能减少电极滑移，以保证焊枪有良好的对中性Robust“stiffguns”，minimizingskidding铝点焊对焊枪的要求在焊接铝合金时不垂直是不可接受的OffnormalisNOTacceptablewhenweldingaluminum焊枪设计和使用也要避免不垂直Avoiding“offnormal”indesignanduse铝点焊对焊枪的要求在焊接铝合金时不垂直是不可接受的OffnormalisNOTacceptablewhenweldingaluminum铝点焊对焊枪的要求焊枪设计和使用也要避免不垂直Avoiding“offnormal”indesignanduse确保所有载流部件满足电流与热导率要求AssureallcurrentcarryingcomponentsmeetECTCrequirements.Largercrosssectionsrequired.必须考虑焦耳定律的要求JoulesLawmustbeconsidered.热量=IxIxRxT

Heat=IxIxRxT软连接，电极臂，电极杆等Shunt,arms,shanks,etc.*注意—主要导电零件将需要更大的尺寸接触、更大的间隙与较大的折弯半径*NOTE–sizeoftheprimaryconductorswillbelargerandneedmoreclearanceandalargerbendradius铝点焊对焊枪的要求焊枪电流与热导率计算，要保证大的导流和良好的散热能力CalculatingECTCofWeldingGun通常使用更宽更厚的软连接Widerandthinnershuntsaregenerallybetter散热更快Dissipatesheatfaster更大的接触面积Allowsforlargerconnectionarea减少接触电阻Reducesjointresistance提高热传递Increasesheattransfer提高柔性及寿命Moreflexibleandlastlonger铝点焊对焊枪的要求焊枪电流与热导率计算，要保证大的导流和良好的散热能力CalculatingECTCofWeldingGun相对与钢材焊接，冷却水流量需求至少增加2倍以上WaterflowratewillneedtobeatleastTWOtimesascomparedtosteel.更大直径的电极杆Largercapadapterdiameters1/2”or5/8”3/4”or1”13&16mm20&25mm更大的水接头与水管Largerwaterfittingsandholes1/4”3/8”or1/2”铝点焊对焊枪的要求也要增加焊枪的冷却水流量，以焊枪臂，电极杆和电极帽，以及变压器得到良好的冷却IncreaseWaterFlowRate变压器大小TransformerSize电流输出范围@1-10%暂载率OutputRange1-10%DutyCycle铝点焊对焊枪的要求变压器功率的要求：大功率变压器是保证焊枪能够稳定输出35000-55000A焊接电流的关键TransformerRequirementsKistlerSurfaceStrainSensor铝点焊对焊枪的要求焊接压力实时反馈：提高铝点焊质量的新应用ForceFeedback不要用焊钢的焊枪去焊接铝合金

DONOTuse“steelguns”toweldaluminum冷却水不足InsufficientH2Otoelectrodes强度/刚度不足导致寿命变短和焊接质量不稳定Insufficientstiffness/robustnessforlonglifeandconsistentweldquality软连接/电极杆不能满足导电性和加压力的需要Shunts/Adaptersaretoosmall注意：PayAttentionto:增加冷却水流速IncreasedH20rate正确设计电极的几何外形Correctelectrodes“geometryconsistent”刚度/强度高的焊枪，保证对中Robust“stiffguns”,alignmentiscritical持续稳定的焊接力Consistentforce改变机器人管线包电缆、水管Changestorobotdress-power,water高电流/短时间Highcurrent/shorttime增加2到3次或者更多的修磨次数Planfortipdressing2to3timesmore考虑工厂电能及冷却供应Considerplantpowerandwaterfacilities计划增加2到3次维修保养Planfor2to3timesmaintenance时间Time零件更换Componentreplacement总结Summary必须考虑机器人管线包及外部设备

MustconsiderdresschangesforRobotDressout机器人管线包RobotDress常用要求TypicalRequirements高压力-例如700-900公斤力Highweldforces–i.e.700-900KGforce高电流-例如35-55KA电流Highweldcurrent,i.e.35-55kAweldcurrent焊接周波少—2层板5周波，3层板6-7周波Lownumberofweldcycles–up5cyclesfor2T&6-7cyclesfor3T电极臂最小偏转确保焊接力在焊接过程中减少在抵消磁场力的消耗Minimalarmdeflectiontomaintainforceandcounteractmagneticfieldforces(EMF)duringwelding.电极头会粘连氧化物，必须要提供适当的清洁与维护。Tipscaneoxidized,propercleaningandmaintenanceisrequired.特斯拉项目焊枪TeslaProjectGuns铝焊接-我们的经验AluminumWelding–OurExperience铝焊接-我们的经验AluminumWelding–OurExperience

在全球森德莱为TESLA,GM,FORD,CHRYSLER,HONDAACURA,NAVISTAR,COSMAMAGNA,GESTAMP,VanRob等全球知名整车和零部件企业提供了近1000把铝合金点焊枪；NaviStarTeslaModelS&XACURAMDXSGMCadillacFORDF150GMT92XHybrid特斯拉S和X车型–TeslaS&XCars–超过400把铝点焊枪纳威司达大型货车驾驶室–NavistarTruckcabs

–75把铝点焊枪

福特F150前盖–FordF150Hood

–25把铝点焊枪GMT92XHybrid–53把铝点焊枪克莱斯勒Crossmember–与Alcoa联合研发–35把铝点焊克莱斯勒Closures–RS前后盖–铝点焊枪和专机43套雪佛兰板件组装–CorvettePanelAssy–铝点焊枪和专机43套FCA–Ramtrucktailgate–铝点焊枪和专机25套DodgeIntrepid–Cradle–铝点焊枪和专机20套菲亚特克莱斯勒523&553发动机盖–GAC-FCA523&553Hood广汽本田讴歌MDX发动机盖HONDA

ACURA

MDXALHood上海赛科利凯迪拉克SGMA2LL前门SGMCadillacA2LLFrontDoors广汽新能源发动机盖和四门GACNEHood

andDoors特斯拉现场铝焊接-我们的经验AluminumWelding–OurExperience铝焊接-我们的经验AluminumWelding–OurExperience铝焊接-我们的经验AluminumWelding–OurExperience专为大焊接加压力设计，枪体结构稳固Designedformediumtohighweldingforces，robustconstruction.柔性设计，标准化的枪体，易于修改满足客户要求Excellentdesignflexibility，commoncomponentswithinFlexGunfamily，Easilymodatescustomerspecifications.通用枪体可适配所有驱动形式Commongunbodyforallactuatorstyles.一体化的枪体框架-易于维修，适用AC和MFDC变压器Unitizedbodycagedesign–easeofservice,commonforACandMFDC.零件维护保养方便Easeofaccesstomaincomponentsforservice.Centerline铝电阻点焊枪CenterlineAluminumSpotWeldingGunCoreGunBody中心枪体TransformerCage–modatesallstandardtransformerstyles变压器框架-可适用于所有标准的变压器Laminatedshuntseasilyaccessible软连接-易于安装RectangularCopperArms–highstrengthtoweightratio方形铜臂-高的强质比Standardadaptorstosatisfyexistingcustomerstandards标准电极杆-可满足现有客户要求TransformerACorMFDCAC或MFDC变压器SidePlates–stainlesssteel,designedforupto1360kgfofweldforce框架-不锈钢，可承受1360kgf的焊接力Equalizing/TipPositionbracket平衡/支撑框架

ServoActuator伺服电机铝电阻电焊枪-P型FlexGun

Aluminum

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PinchGunCoreGunBody中心枪体TransformerCagemodatesallstandardtransformerstyles变压器框架-可适用于所有标准的变压器Laminatedshuntseasilyaccessible软连接-易于安装CastGunArmhighstrengthtoweightratio铸铜臂-高强质比Standardadaptorstosatisfyexistingcustomerstandards标准电极杆-可满足现有客户要求TransformerACorMFDCAC或MFDC变压器ServoActuator伺服电机SlideAssembly滑轨ShuntAdaptors软连接转接件铝电阻电焊枪-C型FlexGun

Aluminum

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CGun手持式铝点焊枪1Centerline铝材电阻焊技术2Centerline方案与SGM方案对比3Centerline推荐的解决方案焊接控制器380V初级电压：530V变压比：38:1Aro：双变压器3Φ

380V50HZAC

530V1000HZ110KVA110KVACenterLine：初级电压：530V变压比：38:1单变压器焊接控制器380V3Φ

380V50HZAC

530V1000HZ170-300KVA铝点焊系统和工作原理序号焊接控制器焊枪变压器CenterLine11Aro12FlexGunGMLSGunFlexGun2铝点焊系统和工作原理比较内容Centerline(RoMan

TDC-7080)Aro型式一体式变压器两个变压器并联而成初级电压530V(530V-565V)530V频率1000Hz1000Hz次级电压13.95V13.95VKVA@50%ED170-300(根据板材组合选择)220(=110x2)变压比38:138:1水流量要求15lpm(=7.5lpmx2)16lpm(=8.0lpmx2)仅压器，不包含连接块所需的冷却水量重量45-50kg52kg(=26kgx2)变压器额外增加的连接块0kg10kg(=5kgx2)总重量(估计)45-50kg62kg长(不包括接头)375mm319mm宽152.4mm125mm高171.5mm320mm(=160mmx2)总体积9.8cm312.76cm3变压器对比分析比较项目CenterlineAro整体外观焊枪结构模块化设计完全模块化设计，焊枪由枪臂电极杆组件，标准枪体组件（包括框架，伺服驱动器和变压器）以及安装支架，同类型焊枪，焊枪本体完全通用，零部件完全可以互换，最大限度减少备件数量，便于使用和维护。采用GM的LS焊枪标准，模块化设计，减少零件，便于维护和使用。枪体焊枪枪体结构件均采用轻量化的7075航空铝机加工组装而成，重量轻，比常规焊枪要轻20%，强度和刚性好，焊枪整体强度和刚性足，可以保证大压力焊接情况下最小形变，并且非常结实耐用。整枪重量140-170KG，210KG负载的机器人可以搭载。枪体才管用7075航空铝，强度高，结实耐用。但是由于采用双变压器，较单变压器在尺寸和重量上都大了不少，焊枪整体尺寸和重量都要大不少，重量一般达到160-200公斤，对机器人的配重要求也相应提高，需要更大的机器人才能搭载焊枪。在SGM不少采用了270KG机器人来搭载。枪臂和电极杆枪臂采用7075航空铝加工而成枪体，不采用任何铜铸造件，保证枪臂有极好的强度，可以保证焊枪绕度和滑移非常小。另外水管内置，使得水管不受飞溅损坏。电极杆采用高强度的铍铜C17510，由机加和液压冷折弯而成，表面形成冷作硬化层，并经过12小时的渗氮热处理，硬度可以达到HRB100，使得电极有极高的强度和使用寿命。枪臂采用7075航空铝机加而成，没有铸件，水管采用了内置式，防护水管免受飞溅损坏。电机杆采用铍铜C17510折弯而成。焊枪防护罩标准的硬质阻燃PVC材料防护罩，全面保护枪体不受飞溅损坏和防止灰尘进入，减少日常清洁和维护工作。目前没有配置枪衣焊枪对比分析比较项目CenterlineAro伺服驱动器使用Tolomatic滚柱丝杠一体式直线伺服电机，电机不需要水冷，该型电机输出扭矩高，最大输出力可达20KN，滚柱丝杠机械性能极佳，可以保证大推力且非常耐用，可以保证2000万次以上免维护使用。电机内置压力传感器，检测和反馈电机输出力。采用Aro自己的一体式直线伺服电机，电机采用水冷方式，电机输出扭矩高。电机可以内置压力传感器，检测和反馈电机输出力。

电机采用水冷，需要增加冷却水流量或者增加机器人管线包水管数量。中频直流变压器使用Roman中频直流变压器，2250KVA，标准暂载率DutyCycle为50%，在标准Duty

Cycle条件下稳定输出电流可达45000-60000A。很好地满足铝点焊的电流需要。由于Aro没有单一变压器可以用于铝材点焊，因此采用两个110KVA变压器并联组成。变压器并联会有功率损失，另外并联无法保证两个变压器负载均衡。这样的方式造成枪体很大。焊枪重量通常重量在140-170KG，匹配210公斤的机器人没有问题。焊枪重量达到160-200公斤，在SGM凯迪拉克工厂，很多是采用270公斤的机器人来搭载焊枪焊接加压力焊枪采用