影响焊接质量的因素与解决方案.docx
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影响焊接质量的因素与解决方案
影响焊接质量的因素及解决方案
图1 油箱
近年来随着汽车、拖拉机、航空航天、建筑以及运输等工业的飞速发展，相应的工业设备在其产品结构、加工工艺及应用领域不断更新、发展，对产品的加工质量要求不断提高，电阻焊机已成为工业产品覆盖件及零部件加工的主要焊接设备。
电阻焊机在生产过程中可以对各种形状的覆盖件产品进行焊接加工，实现工件的缝焊、凸焊、对焊和点焊的加工过程。
它的优点是速度快、深度大、变形小而且生产效率高，并可实现柔性化和智能化控制，可对低碳钢板、合金钢板、镀层钢板和不锈钢板等进行有效地焊接，凭借其高效、独特的加工方式在工业生产过程当中得到了广泛的应用。
电阻焊接过程较为复杂，包含了多种影响焊接质量的因素，如被焊材料、焊接电流、电极压力、焊接时间、设备冷却、电极材料、形状及尺寸、分流和工件表面状态等。
如果操作人员在焊接生产过程中不能够掌握正确的焊接方法、技术参数和加工工艺，将给焊接质量控制带来较大的困难。
图2 缝焊机
影响焊接质量的因素
1.被焊材料对焊接质量的影响
被焊材料在实施焊接之前必须进行清洁处理，清理方法分机械清理和化学清理两种。
常用的机械清理方法有喷砂、喷丸、抛光以及用纱布或钢丝刷等。
被焊材料表面的油污和锈斑会使电极与工件之间的电阻增大、焊点不牢固及焊接过程中产生飞溅，使焊接质量下降。
例如在缝合油箱（如图1）或暖气片之类要求密闭的工件时，更应将被焊材料的表面处理干净，因工件需要缝合焊接一周，如果有一处没有处理干净，就会在这一处出现缝合不牢，在工件试压过程中发生漏气现象。
对于此类焊接要求较高的工件需用化学清理，用清洗设备配合高温清洗液将工件清洗干净才能够进行焊接生产。
用于缝合油箱的缝焊机如图2所示。
2.焊接电流及时间对焊接质量的影响
整个焊接的加工过程由4个基本环节来控制：
图3中控制箱面板上的1、2、3和4分别为加压、焊接、维持和休息4个程序，这4个环节循环工作，必要时可增加附加程序。
焊接电流的参数调整对焊接质量的控制至关重要，采用递增的调幅电流可以减小挤出金属。
被焊金属的性能和厚度是选择焊接电流的主要依据，电流大小和焊接时间、电极压力、维持时间、工件厚度及工件材质等密切相关。
焊接时间由焊接电流和凸点刚度决定，焊接时间的调整以周波的整倍计算（一周为0.02s）。
通电时间的长短直接影响电流输入热量的大小，由于电极是水冷却，电极上散失的热量往往是输入总热量的一半，要相互配合调整。
在生产过程中，多台焊机的同时工作和电网电压的波动都会对焊接电流产生一定的影响，应考虑电网电压的补偿和采用恒电流方式工作。
图3 控制箱面板
3.电极压力及尺寸对焊接质量的影响
电极压力的大小一方面影响电阻的数值，另一方面影响焊件向电极的散热情况。
过小的电极压力将导致电阻增大、析热量过多且散热较差，引起前期飞溅，而飞溅带走大量的热量和焊核金属会使形核难度增加，从而降低焊接强度；过大的电极压力将导致电阻减小、析热量减少以及熔核尺寸缩小，尤其是焊透率显著下降。
目前，我公司点焊时主要采用锥台形和球面形两种电极，电极尺寸（如图4）对钢焊点破坏后的钮扣直径有很大影响，电极的压力信号传递是飞溅产生的最重要标志，电极压力参数的调整是否合适，对焊接质量的影响巨大。
图4 电极
4.其他方面对焊接质量的影响
在实际焊接过程中，诸如工件的材料和厚度、工件的表面状态以及电极的端面形状和尺寸等，都对焊接质量有较大影响。
工件的材料不同时，导电、导热性差的材料产热易而散热难；厚度不等时，厚件一边电阻大、交界面离电极远，故产热多而散热少。
电气控制环节技术参数的调整和焊接加工方面的工艺要求都需要设备操作人员熟练掌握。
影响焊接质量因素的解决方案
1.无论是哪种焊接形式，工件在焊接之前必须进行工件表面清理，以保证各接头焊接质量稳定。
2.使用电流实时监控功能，随时掌握工作过程中的电流变化情况，并采用恒电流工作方式来保证焊接质量稳定。
3.使用电流递增控制功能，在焊机点够一定数量的焊点之后，通水电缆的使用性能会逐渐下降，电流阶梯上升功能可以补偿焊接电流的变化，使通水电缆的性能充分发挥出来。
图5 电阻焊接示意图
4.对于无法进行实时监控的情况，可以使用大电流测试仪定期对焊接电流进行检测和调整，以保证设备的最佳焊接状态。
5.要求设备操作人员熟悉电阻焊的工作原理（如图5）和焊接技术参数的调整方法。
焊接参数的选定主要由3个变量决定，即焊接电流、焊接时间和电极压力（如表所示）。
点焊时各参数相互影响，调整好以上3个变量的技术参数就基本保证了焊接质量的稳定。
焊接参数
结语
目前我公司车身生产中的焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查，或者依靠各种监控技术来保证，做到以上方法虽然不能使焊接质量达到尽善尽美，但完全可以满足多数生产方面的工艺要求。
随着我国微电子技术的发展和大功率可控硅、整流器的开发，为电阻焊技术的提高提供了有利条件。
由集成电器元件和微型计算机制成的控制箱已用于新型焊机的配套和老焊机的改造。
恒流法、动态电阻和热膨胀电极位移等先进的闭环监控技术已开始在生产中推广应用，为电阻焊技术的质量保证提供了有利条件。
焊装生产线及夹具的工艺设计
图1 全顺B线本体夹具（平移式）
焊接生产线是汽车制造中的关键，焊接生产线中各种工装夹具又是焊装线的重中之重，而焊接夹具的设计则是前提和基础。
全顺焊装生产线及夹具的工艺设计经历了全顺两代车型的开发，本文主要阐述了全顺焊接生产线的结构和特点，以及其本体夹具的设计特点和发展方向。
汽车制造四大工艺中，焊装尤其重要。
在焊装的前期工艺规划中，车身焊接夹具以及生产线的设计是非常关键的环节。
工装夹具设计是一门专业性很强的综合性技术，设计工装夹具时，不仅要考虑生产纲领，还必须熟悉产品结构，了解钣金件变形特点，掌握冲压、涂装以及总装工艺的诸多要求容，通晓零部件装配精度及公差分配。
只有做到这些，才能对焊接夹具进行全方位设计，满足生产制造的要求。
本文结合现有江铃汽车股份全顺汽车厂（以下简称“全顺厂”）车身焊装夹具设计以及未来的规划，就焊装线结构和夹具的选择进行了阐述，以求在未来全顺C线上设计出高生产效率且满足市场需求变化的焊接生产线。
焊装生产线及夹具的结构
目前国使用的汽车焊装线主要是由输送部分、工装夹具、焊接设备及其他辅助设备等部分组成，主要结构形式有：
步进式焊装输送、夹具移动输送、往复输送（ShuttleBus）、滑橇输送和自行或手动吊具输送等。
1.步进式焊装线
该焊装线的基本原理：
工件的水平输送是通过调频电机驱动齿轮、齿条做往复运行实现的，顶升、落下装置采用电机带动曲柄旋转180°，从而实现输送线本体顶升、落下。
这种形式的焊装线结构简单合理、稳定性好、辅助时间较短且重复定位精度较高，基本满足点焊、弧焊机器人的使用条件，适用于生产能力为5～10万辆/年的生产线。
目前，国很多汽车厂采用了该形式的焊装线，如全顺V348的侧围即采用了这种形式。
图2 全顺A线本体夹具前部定位（铰链式）
2.夹具移动输送
该生产线在系汽车厂被大量采用，基本原理为：
定位夹具与输送为一体，定位夹具在生产线上运动，从第一站到最后一站，然后从循环的回路返回到第一站，车型的切换就是在第一站根据生产排成选择所需的定位夹具，输送到第一站等待物料。
该线柔性强、传输快且定位精，满足点焊、弧焊机器人的使用条件，但是投资巨大，现代轿车二厂采用了这种形式。
3.滑橇输送焊装线
该焊装线通过采用往复杆或辊床输送滑橇来实现工件水平输送，可分为两种形式：
往复杆输送滑橇式和辊床输送滑橇式。
工件上、下运动一般由固定工位的气动或液压顶升装置实现。
滑橇上装有定位装置，重复定位精度较高，一般为±0.3mm，基本满足点焊、弧焊机器人的使用条件。
目前，此类输送线在国的轿车厂应用较多。
4.往复输送机
该线水平输送工件是通过电动机驱动往复输送机在钢轨上运行，工件顶升、落下采用气缸顶升装置实现，使用该种输送方式的生产线也不少，如全顺V348焊接主线和福特的马自达主线等。
5.自行或手动吊具输送
该线水平输送工件是通过折叠吊具在两工位间来回吊运工件，要求工位间有吊具的空间，主要优点：
结构简单，夹具定位设计不会受传输运动装置影响，投资较少；但是输送线节奏慢，空中运输有安全隐患。
采用这种方式的输送线不多，全顺VE83以及土耳其的全顺工厂骨架线采用的是此种方式。
焊装线的对比
对于焊装线结构形式的选择，最需要考虑的是生产纲领、产品结构和工艺特点、投资规模和夹具设计制造技术水平以及厂房等情况，在细部结构上要结合产品的寿命周期、市场定位和质量要求，并对相关因素进行综合比较来进行选择。
全顺厂焊装车间有全顺A线、全顺B线，未来要规划全顺C线，我们将这三条线做个比较（如表）。
全顺厂各焊装生产线对比
从全顺A、B和C线对比来看：
A线投资少，但是吊具输送速度慢且有安全隐患，适合小批量的生产线；B线适合5～10万台的生产线，但是生产线过长会影响到重复定位，导致定位变形松动，影响整车质量；C线相对更适合柔性布局，质量也最好，但是需要考虑滑撬等设备的回转系统。
本体焊接夹具的对比
对于白车身而言，本体线的装焊工艺主要由预装配、点固焊和补焊三部分组成，其中点固焊工序最为关键，基本都在本体夹具完成。
焊装生产线中的本体夹具决定了白车身的质量、生产线的柔性度及生产节拍，非常重要。
目前，国所采用的本体夹具主要有三种形式，在全顺工厂都有应用。
1.平移式夹具
图1为平移式夹具，其动作顺序为：
输送线将预装白车身送入总焊工位定位夹紧点定→输送线抬起→将点定成形的车身水平送入后续的工序补焊。
此类夹具定位精度和可靠性高，可适用于不同长度、宽度以及高中低顶的白车身大批量混流生产，柔性度高。
图3 全顺A线本体夹具后部定位（立柱式）
2.铰链翻转式夹具
图2所示的铰链翻转式夹具和平移式夹具的工作原理类似，区别是左右侧围总成的定位组件的打开方式不同：
平移式夹具沿垂直于线体输送方向水平移动，而铰链翻转式夹具则是绕铰链轴旋转打开，这样便于线体输送、装配及定位夹紧。
3.立柱式夹具
图3所示的立柱式夹具结构简单、成本低、维修方便而且操作时接近性好，但其定位精度较低，不适用于自动化程度较高的大批量生产和采用焊接机器人的生产线。
为了适应侧围的机械自动化输送，全顺C线将考虑平移式夹具能在水平状态和垂直状态旋转，在水平状态上承接侧围，然后转90°到垂直状态，再平移到焊接工作位置进行焊接。
汽车车身的结构及本体夹具的特点
全顺白车身结构类似于轿车，一般由外覆盖件、覆盖件和承载的骨架组成，像侧围外板、侧围板、门盖外板和顶盖这样的、外覆盖件的钢板厚度一般为0.8～1.2mm，骨架件的钢板厚度多为1.2～2.5mm。
在本体夹具前预装时，焊好的侧围总成、骨架总具有较大的刚性，而且相对的搭接面很复杂，在本体夹具侧围定位模块定位侧围过程中，常常会因为侧围总成与骨架总成贴合面干涉，侧围定位模块无法运动到位，因而在偏差状态下焊接造成整车尺寸的偏差。
图4 本体夹具的全顺车身结构
本体夹具作为焊装最重要的工位，其最关键的控制点在于门洞尺寸的控制和前风窗洞尺寸以及顶盖安装的控制。
在本体夹具工位完成后，全顺车身（如图4）形成了一个刚性很好的车身壳体，由地板、侧围以及横梁三大部分组成，形成了后门洞、前门洞、侧门洞、前风窗洞以及顶盖安装空间。
门洞的装配尺寸是整车外观间隙面差的基础，保证这些门洞、窗洞以及顶盖空间的装配尺寸的关键在于：
1.定位基准的一致，这种一致甚至要求到冲压件和检具上，一方面基准传递会减少累计的误差，另外也很容易从零件检具上找到零件问题与整车装配问题的一致性，便于分析判断解决问题；
2.保证前道工序件在合理的公差围；
3.正确地预装配，保证在定位过程中，侧围这样大的零件可以在侧围定位模块运动力的作用下，到达正确的位置，而不出现定位接触面或孔变形的情况；
4.夹具具有足够的刚性，克服零件局部干涉；
5.夹具自身的精度；
6.夹具定位装置的维护。
合格的车身要求能满足后续的装配精度要求：
一方面指的是外观精度，即门盖装配后的间隙面差；另一方面较为隐蔽，指的是骨架精度，其主要是保证发动机的装配以及前后悬架的装配，骨架件相对较厚，存在回弹问题，所以对于纵梁和横梁的定位，需要避免以其翻边定位，而应定位在底面上。
另外，骨架总成在本体夹具的前道工序完成，要达到精度要求，需要对零件有足够的定位，甚至过定位和防错，以保证偏差的骨架无法在PLC控制下到达本体夹具工位。
最后，工序件的公差不是固化的，可以通过调整工序件之间的匹配状态及公差分配来满足整体的装配要求。
目前夹具的定位块和压紧块都是标准化的设计，而且定位可在三维方向调整，操作方便，但同时也由于这些连接方式是螺栓加上圆柱销，经常会出现由于定位松动导致车身尺寸波动的情况。
柔性夹具生产线的应用
目前，全顺本体焊接线A、B线都具备柔性生产的能力，但是只能进行同系列车型不同轴距的高中低顶盖的车身焊接的切换，在基础车型上实现宽长短、高低变换的各车型共线生产，而且A线采用人工切换，B线是程序控制自动切换，在未来的C线上，将可以实现两种完全不同车型的生产切换，使焊装线更具柔性化生产能力，提高工厂生产效率和应变市场的能力，这将通过以下两项技术实现：
1.骨架零部件的定位
使用NC-locator技术，在每个工位安装8套定位系统，每套系统能在夹具平板上做三维的运动，其定位销或面，可以根据每种车型的定位要求，设定好位置和状态，通过生产线的PLC系统进行车型识别和调用。
2.车身侧围定位模块的切换
本体夹具采用平移式结构，每种车型配有一套侧围定位机构，分别存储在生产线的两侧，需要时前后移动到中间工作通道（如图5中间部分），换下的夹具从中间通道移到前后存储的位置，图5中可以存储4套定位侧围夹具，也能用新的夹具替换原来的夹具，增加了跟随市场变化的能力。
图5 车身侧围定位模块切换系统
总而言之，汽车焊接生产线是汽车制造中的关键，焊接生产线中的各种工装夹具又是焊装线的重中之重，焊接夹具的设计则是前提和基础。
我们在焊接夹具的设计中，要掌握夹具的基本工作原理和设计准则，不断地学习和探索先进的设计思路和方法，提高汽车制造技术和工艺装备水平。
虽然目前全顺厂的焊接线不算先进豪华，但是能产生经济效益就是最大的成功，我们将积累和总结经验和教训，在未来的全顺C线上设计出高生产效率且满足市场需求变化的适合江铃企业文化的焊接生产线。
车身轻量化制造中的焊接技术
伺服焊枪结构图
电阻焊作为车身制造中最重要的连接工艺之一，使得双相钢的点焊质量控制和检测变得越来越重要。
近年来，新型伺服焊枪使用伺服电机驱动电极，能够精确控制电极压力，中频逆变直流（MFDC）焊机以其快速的响应速度、平稳的电流控制，为新材料的焊接质量控制提供了良好的解决方案。
1.双相钢焊接工艺改进
双相钢在进行电阻点焊时，熔核区比较脆，焊点十字拉伸强度及低周疲劳性能都不佳。
采用常规的气动焊枪和交流焊机进行焊接时，无法控制电极压力及电流波动。
新型伺服焊枪和中频逆变直流焊接电流控制器的引入，使焊接过程中的电极压力和电流控制成为可能。
以通用现场的伺服焊枪C型枪为例，与传统气动焊枪相比，伺服焊枪使用伺服马达来带动滚珠丝杠（Ballscrew）或杆型丝杠（Rollerscrew）旋转，以驱动电极杆直线上下运动，实现加压和焊接的全过程。
中频逆变直流焊机（MFDC）是将工频（50Hz）交流变换为中频（1000Hz）直流输出，时间分辨率比工频提高，控制精度提高，焊接时间缩短，热效率较高，输出功率也很大，焊接质量也更好。
2.焊点质量检测工艺改进
高强钢焊点无损检测方法除了在线实时采集焊接过程信号来进行判断外，还有焊后的离线无损检测方法。
其中，最常用的是超声波无损探伤方法，它是利用超声波在焊点界面反射或穿透点焊熔核时的声波衰减程度和回波间隔来判断焊点质量好坏的一种方法。
通用公司的超声波点焊检测设备使用4.5mm直径高频（20MHz）探头，对高强钢底板的凿检盲区进行超声波检测，配合少量的传统破坏性检测，构成严密的三级检查体系。
根据产量和抽检批次，抽取车辆进行超声波探伤，发现缺陷后，对缺陷焊点进行破坏性检测来验证检查结果。
其探测的焊点占总数的50%以上，准确率达95%以上，在实际使用中取得了良好的效果。
保证焊接质量,降低成本支出
梅达焊接设备
地 址：
中国浦沙路4042号
公司：
（021）583842255838046238910139
销售：
（021）5838270765141558
传 真：
（021）583843775838730165141558
邮 编：
201200
网 址：
.shmedar.
E-mail：
市场部负责人 毅手机：
王雪华手机：
高建平手机：
以白车身的焊接为例，一般一辆轿车的焊点在3000～5000点左右，要求合格率达到98%以上。
如果焊点质量不稳定，可能需要增加5%左右的焊点，这就意味着每辆车可能增加150～250个焊点，以年产8万辆车计算，大约增加1200～2000万个焊点，由此每年会多产生24～40万元的电费（电费以1元/kWh计算），同时相关的电缆损耗需要增加240～400根，增加费用24～40万元。
1200～2000万个焊点累计需要增加的工作时间为667～1100h，加之相关冷却水和压缩空气的损失，累计增加直接费用支出至少为80～100万元，而这部分费用完全是因为焊接质量不稳定产生的额外支出。
如果我们能确保焊点的焊接质量达到甚至超过98%的合格率，不仅能保证不增加焊点，额外费用也节省了，这也是梅达焊接设备一直所追求的目标，即“为客户创造价值”。
保证焊点质量，需要考虑影响焊点质量的因素，即焊接电流、焊接时间、压力、分流状况及其他，下面我们对这些影响因素进行具体分析。
焊接电流与焊接时间
目前，市场上的焊接设备都声称具备恒电流或恒电压控制，但一般都是初级反馈，即从可控硅一端的电流来折算成次级电流。
公式如下：
ISEC=IPRI×N（ISEC为次级电流，IPRI为初级电流，N为匝数比）
这种控制方式有一定的道理，也是目前市场上的主流，但这样的控制方式将带来两个不可避免的问题：
算法的差异和变压器的特性。
从算法角度讲，一般控制器的匝数比能做到保留1位小数，因此，实际电流和设定电流之间的误差可以降低到200A以。
同时，因为变压器在工作一定时间后本身被磁化（和工作频次有关），从而影响实际的输出电流，且电流是减少的，其下降围从数十安培到数百安培不等，这会成为影响焊接质量的潜在风险。
同时，随着镀锌板的大量应用，原来的恒流控制因为电阻变化会在最初的几周无法精确控制，这也需要增加焊接时间来满足最终的焊接要求。
对普通冷扎板与镀锌板组合进行焊接的参数
焊接压力
从严格意义来说，焊接压力是指焊接过程压力，即从电极压紧工件到焊接完成、维持结束这段过程，牵涉到气源压强、气缸直径、气缸随动性及焊钳刚性等因素。
在此，我们仅就气源部分进行探讨。
随着汽车车身设计的需求，不同厚度、不同强度、不同镀层的板材组合需要在一个工位上完成，而为了达到柔性设计，用同一台设备焊接2～3种车型，也会带来上述问题。
目前国设备都采用单一压力控制，仅在电流上加以区别，这种做法对板材组合差异小的工艺尚能满足，对差异大的就力不从心了。
在表中，这个组合在同一台设备上焊接的可能性很高，除了电流和时间可以跟着程序进行分别控制，压力是一个无法克服的障碍。
我们经常看到焊接车间里火花四射，其中一个原因是焊接压力无法满足要求。
对此，梅达的控制器上配置了模拟量控制，可以针对不同焊接程序，在变换焊接电流、焊接时间的同时切换焊接压力，以最大限度地满足现场焊接工艺的需求。
此外，我们还开发了修磨功能，能够实现手动焊钳电极的在线修磨，可以依托比例阀实现修磨要求的低压力。
其他特殊功能
除了常规的报警等功能外，从专业的角度考虑，我们还有针对性地开发了包括预压控制、多脉冲焊接（大于三脉冲）、线性电流递增器、故障历史记录、C系数监测及网络电压等待等功能，能够更有效地保证焊接质量。
下面就上述几个功能做以说明：
1.预压控制
这里讨论的预压控制是指在预压时间如果撤消启动信号，焊接程序将自动停止并恢复到初始状态。
这样可以有效调整焊接位置，操作人员发现焊接位置不对，只要松开启动即可，避免了失误造成的人身伤害。
在更换电极的时候，往往会因为误启动焊接信号，造成电极不可逆转的运动，最终造成人身伤害，该预压控制区别于一般的脉冲/电平控制，可以编辑预压的时间（从1～99周可调），尽可能在满足生产的同时确保安全。
2.多脉冲焊接
一般控制实现三脉冲焊接，但不具备多脉冲焊接功能。
有人认为该功能不必要，其实不然。
随着中强度、高强度镀层板材在汽车制造领域的大量应用，焊接工艺也发生了变革。
以国某著名汽车制造企业为例，中强度镀锌板在车身焊接中的应用超过70%以上，也就是说至少2500个焊点是需要多脉冲焊接的。
在以后的焊接工艺中，大量采用多脉冲焊接工艺来提升焊接核心的质量是主要的发展趋势。
3.线性电流递增器
梅达焊接设备的电流递增器叫线性递增器（LinearStepper），就是每个焊点都会按照设定的参数进行递增，以补偿电极的增大。
目前，许多用户没有意识这个功能所带来的价值，很多汽车制造厂的焊接车间仍使用锉刀对变形的电极进行修整，这一过程完全依靠人为，焊接质量也因此会受到相应的影响。
如果采用递增器功能，可以有效延长单次电极的焊接次数，同时结合修磨功能可有效保证电极的形状，这意味着焊接质量不再受人为操作影响，可以实现有效控制，不仅能节约时间，而且能有效保证焊接质量。
4.故障历史记录
如果在焊接过程中出现故障，操作人员为了赶时间而自行复位，致使某些故障不能被及时发现或记录下来，有可能会产生严重后果。
因此，有必要在控制器增加故障历史记录，便于定期查询，发现问题，防患于未然。
5.C系数监测
目前，国对这个参数也进行了设置，这个参数主要是监测焊接设备的次级状态，如分流、老化及短路等状况。
通过这个系数监测，我们可以快速发现问题，最大限度地避免焊接质量事故的发生。
6.网络电压等待
电网对焊接质量的影响是很直接的。
梅达焊机控制器使用的是交流电压，正弦波，通过可控硅的移相一个周波一个周波控制，而且是依据前一次的结果控制下一次的触发，具有滞后性。
在工作时，如果网络电压过低，将造成焊接电流无法达到要求值，从而产生焊接缺陷。
网络电压等待功能可以在设置的时间等待电压，达到设置值后再焊接，降低了焊接缺陷发生的概率。
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