汽车焊接设备工艺

电阻焊具有的采用内部热源、热量集中、热影响区小、产品变形小能获得较好的表面加工质量、易操作、不使用外加焊接耗材等特 点，使其成为焊接质量稳定、生产效率高、易于实现自动化大规模生产的目前常用的焊接方法之一，广泛应用于汽车车辆、航空航天、家电电器、钢制家具、交通 设施、薄壁容器、汽车零部件等多种制造领域，特别是近年来我国汽车工业飞速发展，促使电阻焊应用不断增加，我国电阻焊机产量逐年大幅提升。电阻焊机年产量 由数年前的数千套跃升到近年来的数万套。

    在 汽车工业上应用，主要是将冲压成形的薄板结构的车身覆盖件在其工件搭接连接处利用电阻热熔化金属形成焊点，将焊件联为一体。一台轿车车身的焊点约在 3500~5000点之间。汽车车身点焊是电阻焊的主要形式之一，汽车车身焊装用的点焊设备占全部电阻焊产品的90% 以上。 汽车焊接设备工艺用于汽车车身焊装用的点焊机主要有三类： 普通点焊机、多点焊机和点焊机器人。

    普通是 适用于各种场合、各类焊接对象的通用点焊设备，也是组成汽车焊装自动化生产线的主要设备。汽车焊装自动化生产线根据其年生产纲领、汽车年产量不同，每条生 产线需普通点焊机几十台到几百台不等。普通点焊机根据机器结构和应用场合的不同又分为移动式点焊机和固定式点焊机；移动式点焊机根据其结构不同，又分为悬 挂式点焊机和手提式点焊机。

    多点焊机是为焊装特定工件设计、制造的专用焊接设备，其优点是生产效率高，适合大批量单品种生产，适用于焊装结构形状复杂、焊点密集、接头搭边小、操作困 难、焊接质量难以保证等因素的工件。其缺点是设备投资多、专用性强，将逐步由焊接机器人和相应工装夹具组合取代。多点焊机除用于焊接各种车辆构件之外，还 应用于家用电器如电冰箱、洗衣机，钢制家具、交通设施、板式散热器等各种薄金属构件制造行业。

    无 论在国际还是国内，近年来发展速度不断加快，应用领域越来越广，新技术不断采用，机器人数量越来越多。汽车厂使用的机器人主要用于搬运、焊接、涂敷和装配 等工作。汽车厂冲压、焊装、涂装及总装四大工序中使用机器人的水平和数量，代表着该厂自动化、现代化的水平。国外全部使用机器人的无人操作汽车厂屡见不鲜 渐成主流，这也将是国内汽车工业发展到一定阶段的必然产物和发展方向。应用机器人不仅能进行复杂的工艺操作、适应恶劣工作环境，取代笨重、单调、重复的人 工体力劳动，保证产品质量，提高工效、节约能源、安全生产、一切人为影响产品质量因素，还能迅速组成柔性生产系统，特别适宜于新产品开发和多品种生产 需要，产品换型上马快、周期短、应变能力强。

    无论哪种类型的点焊机，其结构均由三大部分组成：电源及控制装置（阻焊控制器）、能量转换装置（焊接变压器）和焊接执行机构（点焊钳或点焊）。上文提到 的三种类型的点焊机，其主要区别在于焊接执行机构不同。普通点焊机是由工人手抱点焊钳逐点对工件焊接，多点焊机顾名思义是由安装在多种形式机架上的多把点 焊同时焊接，点焊机器人模仿人工动作使用安装在机械手臂上的点焊钳对工件焊接。

    现代电阻焊技术和工艺的发展对阻焊控制器提出了更高的要求，这些要求离开了电子计算机是无法实现的。阻焊控制器控制电路在经历了分立元件、集成电路等发展 阶段之后，目前已进展到以单片微型计算机为主的阶段。计算机的应用使阻焊控制器的功能更加强大、性能更加完善、可靠性进一步提高。

    现代阻焊控制器应具有下列功能：

    1）可靠地控制电阻焊机接通、关断电源；
    2）焊接电流可调；
    3）焊接时间可调且无误差；
    4）能够实现焊接过程各部分简单或复杂的循环；
    5）能够存储多套焊接规范；
    6）能够产生多种焊接电流波形；
    7）具有多次通电功能（多脉冲焊接）；
    8）具有对电极压力进行闭环控制功能；
    9）具有尽可能多的故障自诊断和报警、显示功能；
    10）能够实现焊接质量监控。

    电阻焊质量监控包括实时稳定焊接参数和反映焊点状态两个方面。实现电阻焊质量监控对于提高焊接接头的可靠性，保证焊接质量具有重要意义。

    目前，阻焊控制器所采用的质量监控方式主要为在电源电压补偿基础上实施恒流控制。恒流控制是一种简单可靠、易于实现的方法，通过电流采样（通常是初级电 流）与给定值比较，通过调整主电力开关——晶闸管的导通角调整焊接变压器输入电压来保证次级电流的恒定。恒流控制在电源电压波动和焊接回路阻抗变化时，可 以稳定焊接电流，从而保持焊点熔核尺寸一致，保证了焊接质量。但是，它只是控制焊接回路电流的恒定，不是控制形成焊点的电流恒定，因此该方式无法克服影响 电流密度的因素，如电流分流、电极磨损等。由于恒流监控检测电流异常，对焊接电流进行补偿时，可能影响焊接速度。对采用程序控制的多点焊机以及点焊机器人 来说，出现电流异常可能导致程序出错。

    除了恒流控制之外，动态电阻监控、热膨胀监控、超声波监控、红外监控等监控方式都有产品运用。

    动态电阻即焊点加热冷却过程中电阻变化的规律，可以较好地反映焊点熔核的形成过程，对焊件的表面状态、材料厚度变化、电流分流以及电源电压变化都有较灵敏 的反映，它可以由测量焊接电流和电极间电压经计算求得。同理，形成焊点的能量——焊接电流与电极间电压的乘积，也可作为监控的信息。

    阻焊控制器还应具有功率因数自适应、电极磨损焊接电流自动补偿及电极更新报警、方便的中文菜单式编程等多种功能。有群控接口，便于焊机之间通信和对焊机进行集中管理，使用上位计算机及集中控制管理器可实现对几十台以至几百台控制器联网和集中管理。

    目前广泛使用的电阻焊机主要还是单相交流工频焊机，是一种大容量的用电设备。主电力开关——晶闸管导通、关断50 Hz交流电，焊接变压器将电能变换成低电压，几伏到二十几伏；大电流，常用的轿车车身焊接电流约8 000到15 000 A；底盘和某些零部件需要的焊接电流还要大。虽然要将焊机均衡安装到三相电源上，但设备工作的不确定性，无法保证三相电源平衡用电；多台焊机同时通电将使 网压大幅度下降，功率因数降低，影响焊接质量；晶闸管元件的非线性使电源正弦波波形发生严重畸变，产生电磁干扰。另外，单相交流电阻焊机尤其是分体式悬挂 点焊机焊接时约90 % 以上的能量消耗在焊接回路（主要是通水焊接电缆）上，能源利用率极低。因此，无论从节能或电网平衡角度，还是从焊接质量及对材料的适用性角度考虑，单相交 流工频电阻焊电源都不是一种理想的电源。

    从发展情况来看，近一、二十年来工频电阻焊控制技术没有取得重大突破性进展，还停留在恒流控制、恒电压控制等早期控制技术上。而像恒功率（或恒热量）控 制，由于工频控制速度较低（周波数量级，20ms/周波）并未取得较好的应用结果。动态电阻监控虽然是一种较为理想的质量监控方法但由于其采样传感器的复 杂性和某些不适用的材料限制例如不锈钢板材其电阻曲线为平特性，生产中并未得到广泛推广，只有少量产品应用在航空航天飞行器焊接中。因此对电阻焊控制技术 研究的重点应放在逆变式电阻焊机和机器人焊钳等新产品上。

    在工频阻焊控制器研究上，除了焊接质量监控外，还应在某些有用的自检和保护功能方面以及可靠性方面下功夫，主要有：
    1）电极粘连检测功能，这是机器人焊钳控制和多点焊机、自动焊专机必须具备的功能。
    2）焊接变压器击穿时，空气开关自动跳闸保护功能，该功能关系到人身安全。

    移动式点焊机是汽车车身焊装自动化生产线上完成汽车车身组焊任务的主要设备，适用于焊接结构尺寸大、形状复杂、不便于移动的焊件和大型薄壁结构工件。移动 式点焊机中的悬挂式点焊机又分为两种结构形式，一种是阻焊控制器与焊接变压器分开布置，控制器与焊接变压器使用软电缆进行电气连接的分体式悬挂点焊机，我 国从苏联、日本等国引进的早期产品以及我国20世纪90年代产品均以此为主。另一种是同体式悬挂点焊机，将阻焊控制器和焊接变压器组装于一体，整机结构紧 凑合理；节省使用空间、安装材料和动力管道，操作控制器方便；欧美均使用该形式焊机，也是目前我国移动式点焊机的主导产品。两种焊机的焊接执行机构是 完全相同的，都是由通水焊接电缆连接点焊钳传递焊接电流，通常配两把焊钳轮流工作。其优点为操作灵活方便、焊钳形式多样。缺点为焊接回路长、阻抗大、功率 因数低、功率损耗大；同时通水焊接电缆由于在大电流情况下频繁扭曲使用，使通水焊接电缆成为该类焊机的主要“耗材”。二十世纪九十年代七所高科公司销售的 悬挂式点焊机产品70 % 以上为分体式悬挂点焊机，近年来悬挂式点焊机产品90 % 以上为同体式悬挂点焊机。从产品功率参数看，目前售出的悬挂式点焊机约70 % 为160 kVA 的，约30 % 为200 kVA 的。20世纪90年代常用的80 kVA、100 kVA以及125 kVA等功率焊机，近年来已无人订货。原因主要有两方面，一是新材料如镀锌钢板、高强度钢板、铝合金板的应用，迫使焊接电流要增加很多；二是考虑到悬挂式 点焊机的寿命一般都在10年以上，但焊接变压器的内阻会逐年增加，导致大出力逐年减少，所以订货时留有余量。

    移动式点焊机中的手提式点焊机将焊接变压器与焊钳制造为一体，没有成本高、阻抗大、笨重的焊接
电 缆，也有叫做一体化或一体式点焊机的。该类机型与分体式悬挂点焊机比较减轻重量约70 %；借助于平衡器，焊机可在工作空间上任意移动位置，焊机本身也可作垂直或水平任意方向360°转动，焊接系统简便轻巧，操作轻便灵活，能实现全位置焊 接。产生焊接电流的焊臂及电极采用插接结构安装于主机上，易拆卸易更换，因此，不同形状、不同长度的焊臂及电极可在同一焊机上互换使用，实现一机多用。由 于焊接回路减少，焊机出力能力提高，与悬挂式点焊机比较，可节约电能75 % 以上，同时可减少水、气耗量，并可简化悬挂焊机的桁架结构，节省配套设备，例如供电站的功率以及动力电缆、空气开关的额定参数均可减小，节约安装材料和安 装工时。由于该产品节能显著、性价比高，焊接电流出力大，其应用越来越广泛；尤其是在电网增容困难的汽车厂扩大产能工程中，手提式点焊机成为选产品。七 所高科公司销售的移动式点焊机产品前几年90 % 为悬挂式点焊机，手提式点焊机仅占 10 %；近年来，手提式点焊机销量逐年增加，其产量增加到30 %。其功率参数主要为 25 kVA和 40 kVA，少部分为63 kVA。从功率参数对比也可看出手提式点焊机的节能效果。

    固定式点焊机除了在汽车整车厂得到应用外，汽车焊接设备工艺还 大量应用于汽车零部件制造厂。该焊机机身笨重、固定，人工或机器人夹持工件移动，完成焊接。装有凸焊电极台板、对事先预制好凸点的工件完成凸焊工作例如常 见的凸焊螺钉螺母的焊机成为凸焊机。一般在用户订货要求时，焊机可实现点焊、凸焊两种功能，也叫做点（凸）焊机。固定式点焊机要求有良好的机械本体强度和 抗振动、耐冲击刚度，防止加压时电极移位，保证高质量的焊接需要。同时要采用摩擦系数小的导向轴承，提高连续加压的性，尤其是当焊件厚度变化时，电极 压力应无显著变化。固定式点焊机焊接回路短、导电截面大，能获得较大的焊接功率和焊接电流。常用的有63 kVA、100 kVA和200 kVA等功率参数焊机，能满足一般低碳钢材料焊接需要。

    焊接执行机构点焊钳或点焊，大部分为气动或气液动加压方式，依靠直线运动的气缸或在较低气压时提高压力的气—液压增压缸，产生电极压力作为夹紧焊件的动 力和维持焊接过程中的锻压力。目前这种常用的加压方式的压力建立时间长，需要设置较长的预压时间才能达到压力的平衡阶段，从而使生产率降低，另外加压时冲 击大，加速电极工作面的塑性变形，降低电极寿命，同时会在工件表面上产生压痕，影响焊接表面质量。新型伺服焊钳实现了电极加压软接触，而且达到100 % 加压力的时间比传统气动加压快5倍，较好地解决了传统加压方式存在的问题。新型伺服焊钳具有气电两种动力来源，是电阻焊领域的新应用技术，既可采用传统 的气（液压）缸也可采用交直流伺服电机作为焊钳驱动装置。其特点为：压力建立过程迅速、机械负载降低、噪声低、飞溅少、无冲击施压电极寿命长，伺服电机驱 动和气缸驱动任意变换，可实现压力的实时调节，即可在焊接过程中改变压力，可实现恒压力、梯形、马鞍形以及任意可调的稳定压力循环曲线，提高生产效率。在 工艺要求较高的场合采用伺服电机驱动电极可省去压缩空气节约能源，电能消耗成本低于压缩空气消耗成本，自动补偿电极磨损，焊钳动作速度提高，电极压力稳 定，提高焊接精度和焊点质量。新型伺服焊钳的优异性能使其成为机器人焊钳的选辅助设备。

    我国汽车工业的迅速发展，带来汽车产能的急剧扩张、汽车保有量的飞速增长、大量新型汽车尤其是轿车新车型不断涌现。带来的直接的影响就是汽车尤其是车身 新材料的推广应用、汽车构造的显著改进、汽车制造工艺的创新；也不断推动汽车车身焊装工艺的发展与提高、焊装设备的进步与革新。为提高轿车的防锈蚀性能， 车身覆盖钢板大量使用镀锌钢板，尽管点焊镀锌钢板已有普通点焊机使用的成熟规范，但有前途的焊接方法是激光焊，实际中已有应用。铝合金车身的诞生使整车 质量减轻、更加节能。应用高强度钢和安全性更强的车身设计方法，使轿车车身用钢量减少，钢铁企业用钢材价格优势与铝厂竞争。同时若干金属的、非金属的复合 材料大量应用，对电阻焊设备和工艺提出挑战，传统的工频电阻焊机已难以适应。维持企业的高产能，要考虑提高生产效率，降低生产成本。影响焊接效率和成本的 关键是焊接设备的稳定性和使用成本，首先要选用低能耗设备。与材料的复合同时取得进展的还有工艺的 “复合”，汽车车身组焊工艺已不单纯为点焊，已有车型同时使用铆接技术，以铆接点代替点焊连接，生产过程无飞溅、无噪音，连接点质量更加可靠，尤其对于异 种材料连接效果好。在进行高强度钢薄板、部分铝合金板汽车覆盖件组合连接时，使用胶接—点焊结合工艺接头，具有比点焊接头更高的强度。当然还有其他新的焊 接方法。

    汽车工业的发展和汽车焊装技术的发展为现代电阻焊设备的发展奠定了基础，现代电阻焊的发展方向应该是：优质、、数字化技术。随着电力电子技术、微 电子技术以及电子计算机技术的发展，电阻焊机正朝着、节能、数字化、智能化、体积小、重量轻、易操作的方向发展。数字化是实现焊接现代化的必由之路。 作为数字化、智能化现代焊接技术产物的焊接机器人必将在我国汽车工业发展过程中担当起重要的角色，也为我们焊接工作者提供发挥作用的场所，我们应该在机器 人应用领域作出贡献。即使对于国外引进的机器人我们也是有大量工作可做的；引进的机器人普遍只购买机器人本体，大量的专用焊接辅机具和焊接工具还需在国内 配套，我们应该占领这个市场。
    作为有发展前途的各方面指标都非常的逆变式电阻焊机目前正向着商品化、实用化、系列化方向发展。逆变式电阻焊机的大量使用将扩大电阻焊机适用范围、节省焊接能源，提高焊接质量和生产效率，具有推动整个焊接界技术进步的重要意义。
    逆变式电阻焊机与传统的工频交流电阻焊机相比具有以下突出优势：
    1）直流焊接。逆变式电阻焊机一般采用1 kHz左右逆变中频电源，经变压器次级整流，可提供连续的直流焊接电流，电流单方向加热工件，热效率提高；无输出感抗影响，大大提高焊接质量。
    2）焊接变压器小型化。焊接变压器的铁心截面积与输入交流频率成反比，故中频输入可减小变压器铁心截面积，减小了变压器的体积和重量。尤其适合点焊机器人的配套需要，焊机轻量化，减小机器人驱动功率，提高性价比。
    3）电流控制响应速度提高。1 kHz左右频率电流控制响应速度为1 ms，比工频电阻焊机响应速度提高20倍，从而可以方便地实现焊接电流实时控制，形成多种焊接电流波形，适应各种焊接工艺需要，飞溅减少，电极寿命提高，焊点质量稳定。
    4）三相电源输入，三相负载平衡，功率因数高，输入功率减小，节能效果好。
逆变式电阻焊机主电力开关均采用先进的IG器件。在控制技术方面，国际上采用成熟的动态电阻
监控技术或超声波监控技术，两种方法都属于恒热量（或恒功率）控制，保证焊接的能量平衡，从而保证焊点质量。
    由于逆变式电阻焊机的优越性能，在用普通工频焊机焊接难度加大甚至焊接质量无法保证的场合，如焊接铝合金、钛合金、镁合金等导热性好的金属，异种金属材料焊接，高强度钢板焊接，镀锌钢板焊接，多层板、厚钢板焊接，逆变式电阻焊机独具优势。
    随着汽车产能扩大、生产节拍提高，汽车焊装自动化生产线规模在不断扩大，使用的点焊机数量也在不断增多。为适应集中管理、信息化管理需要，将现代企业信息 管理方式与当代计算机技术、计算机网络以及通信技术结合，建立基于现场总线的点焊机集中控制系统（可简称为联网系统或群控系统）已成为汽车焊装自动化生产 线技术发展趋势和汽车厂现代化信息管理的基础设施。
    现场总线是当今自动化技术发展的热点之一，现场总线系统既是一个开放的通信网络，又是一种低成
本、 高可靠性的分布式控制系统。处于总线上的任何设备可不分类型、不限功能对其实施集中控制和管理。点焊机集中控制系统在上位计算机及集中控制管理器控制下可 根据需要设置多个管理层次，例如设为现场控制层、中间监控层和企业管理层三个的管理层次。现场控制层着重实施对各类焊机的实时管理和监控，进一步可建 立点焊工艺参数选择系统、电阻焊系统，实现点焊工艺参数在线智能选择。中间监控层着重产品产量、质量统计和生产调度。企业管理层着重决策支持，建立焊 接数据库，可以数据共享方式与企业管理网络建立信息交换，甚至与INTERNET连接，可实现公司、部门对生产厂的远程监控及生产调度，真正实现管理、控 制一体化。
    汽车焊接设备工艺现场控制层对各类焊机的实时管理和监控，包括焊接 参数查询、焊接规范编程、焊机故障实时监视、故障分析与复位等；焊机特殊功能的设置与撤销，例如设置电极寿命终了报警、根据电极磨损情况实施焊接电流自动 补偿或根据焊点数的增加实现焊接电流按比例递增。根据事先设定和电网变化自动限制同时通电的焊机数量，并达到三相用电的功率平衡，可降低供电变压器容量， 节约能源。存储各类有关数据（如焊点计数、焊点质量参数、故障记录、通水焊接电缆的寿命统计等）、生成生产报表。七所高科公司研制的点焊机集中控制系统在 多家汽车厂使用。