（材料加工工程专业论文）电极压力对熔核质量影响的研究.pdf

摘要 电极压力是电阻点焊的主要参数之一，在点焊过程中，电极压力是否稳定、 是否可调，对于保证点焊质量有重要的作用。但是，目前对于电极压力可调性的 研究很少，本课题的主要目的就是在点焊调压系统以及使用伺服焊枪的情况下， 设计不同的电极压力曲线，对点焊过程中的压力进行实时调节，研究压力对提高 焊点强度及点焊质量的影响规律。 本课题构建了点焊调压系统，分为调压机械装置、硬件系统和软件系统三部 分，为本课题进行的压力实时调节提供了强大的硬件和软件支持。本课题设计的 电极压力曲线以马鞍形压力曲线为主，并细分为四种不同的形状，然后由伺服电 机作为驱动装置，对5 0 5 2 铝合金薄板进行点焊和拉伸剪切实验。根据实验结果 对这四种曲线进行了对比分析，发现了其中的规律。 实验结果证明，这四种变压力曲线都适用于点焊，并且都有各自影响接头抗 拉强度的规律。与恒压的点焊设计相比，采用这四种曲线的点焊都不同程度提高 了点焊接头的抗拉强度。 为了证明规律的通用性，本课题还对钛合金t a 2 和其他两种铝合金材料进行 了相同内容的实验。实验结果表明，按设计的四种马鞍形压力曲线调节电极压力， 所得到的规律在大多数情况下是相同的。 关键词：电极压力；电阻点焊；马鞍形曲线；铝合金；钛合金 a b s t r a c t t h ee l e c t r o d ef o r c ei so n eo ft h em a i np a r a m e t e r s o ft h er e s i s t a n c e s p o t w e l d i n g ( r s w ) i nt h ep r o c e s so ft h er s w jw h e t h e rt h ee l e c t r o d ef o r e ei ss t a b l e 姐d a d j u s t a b l ei sv e r ym a p o r t a n tt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo ft h er s w b u tt h er e s e a r c hi n t h ea d j u s t a b i l i t yo ft h ee l e c t r o d ef o r c ei sf e wa tt h ep r e s e n tt i m e t h em a i n t a r g e to f m ys u b j e c ti s ，i nt h ec a s eo fu s i n gt h ep r e s s u r er e g u l a t i o ns y s t e ma n dt h es e r v o b l o w t o r c h ，t od e s i g nd i f f e r e n te l e c t r o d ef o r c ec u r v e sa n dm a k er e a l t i m ea d j u s t m e n t o tt h ep r e s s u r emt h ep r o c e s so fr s w ，a n dt os t u d yt h ei n f l u e n c er u l eo fe l e c 仃o d e f o r c em i n c r e a s i n gt h es p o tw e l ds t r e n g t ha n di m p r o v i n gt h ew e l d i n g q u a l i t y t h es u b j e c te s t a b l i s h e st h ep r e s s u r er e g u l a t i o ns y s t e m , w h i c h c a l lb ed i v i d e di n t o t h r e ep a r t s ：t h em e c h a n i c a ld e v i c e ，t h eh a r d w a r es y s t e ma n d t h es o f t w a r es y s t e m t h e s y s t e ms u p p l i e sas t r o n gs u p p o r ti nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed u r i n gt h er e a l t i m e a d j u s t m e n to ft h ep r e s s u r ef o rt h es u b j e c t t h eu - s h a p e dp r e s s u r ec u r v ei sm ec a r d i n a l e l e c t r o d ef o r c ec u r v eo ft h es u b j e c t ，a n di tc a nb ed i v i d e di n t of o u rc u i 弋，e so f d i 伍：r e n t s h a p e s t h e n ，w i t ht h ed r i v es e to fs e r v o a c t u a t o r , w em a k et h er s w t e s t sa n dt h e t e n s i l es h e a rt e s t st ot h es h e e t so ft h e5 0 5 2a l u m i n u ma l l o y a c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n tr e s u l t s ，w ec o m p a r et h ef o u rd i f f e r e n tc h iv e sa n d f i n a l l yf r e dt h e i rr u l e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ef o u rd i f f e r e n tc u r v e sc a na l lb eu s e di nt h e p r o c e s so fr s wa n da l lh a v et h e i ro w nr u l e si ne f f e c t i n gt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h e s p o t w e l d e dj o i n t c o m p a r e dw i t ht h ed e s i g no fr s ww i t ht h ec o n s t a n tv o l t a g e ，t h e f o u rd i f f e r e n tk i n d so fc u r v e sc a ni n c r e a s et h et e n s i l es t r e n g t ho f t h es p o t - w e l d e di o i n t i nd i f f e r e n td e g r e e s i no r d e rt op r o v et h ec o m m o n a l i t yo f t h er e g u l a r , t h et e s t sw i t ht h es a m ec o n t e n t s a r em a d ew i t ht h em a t e r i a l so ft i t a n i u ma l l o yt a 2a n d t w ok i n d so fa l u 耐n u ma 1 1 0 v t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ，i fw ef o l l o wt h ed e s i g nt oa d j u s tt h ee l e c n d d ef o r c e w i t ht h ef o u rd i f f e r e n tk i n d so fu s h a p e dc u r v e s ，t h er u l ew e g e ta r es a m ei nm o s t c a s e s 螂yw o r d s ：e l e c t r o d ef o r c e ，r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n g ，u s h a p e dc u e ， a l u m i n u ma l l o y , t i t a n i u ma l l o y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞苤鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弛 签字日期：j 眵户年多月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：墨乒虫吴 导师签名： 签字日期：0 时年参月多曰签字日期：m 年月j 日 第一章绪论 第一章绪论 电阻点焊作为焊接学科的一个分支，是各工业部门广泛应用的加工装配方 法。由于在焊接过程中，电阻点焊能量集中，变形小，生产效率高，特别适宜于 焊接薄壁零件，因此在航空航天制造工程和汽车电子等工业领域得到越来越广泛 的应用，成为国民经济中不可缺少的生产效率很高的一种制造工艺。目前，电阻 点焊在汽车生产领域中应用尤为广泛。 1 1 研究背景和意义 汽车从问世至今已有一百多年的历史，由于科学技术的发展和人们生活的需 要，汽车车身不仅是乘客的遮蔽外壳和货物的承载装置，而且已成为社会物质文 明和精神文明的具体表现。汽车车身制造水平直接反映了一个国家的制造工业的 综合水平，要使我国汽车工业成为国家支柱工业，并在品种和质量上赶超世界先 进水平，就必须发展和提高我国的汽车研发和制造技术，尤其是汽车车身制造工 艺水平。近几年来，世界汽车工业的竞争不断加剧，对汽车车身制造质量控制的 研究方兴未艾。 环保、轻质、节能是未来汽车发展主题。汽车的未来靠新材料支撑，新能源 汽车和传统汽车的节能技术，已成为当前全球汽车工业的开发研究热点，汽车轻 量化i l l 也成为当前汽车技术的主要发展方向。研究表明，轿车重量减轻1 0 ，燃 油消耗可减少6 8 【2 ，3 】。减轻汽车的自重，是降低油耗、节约能源、减少汽 车排放的最有效途径。目前汽车所用的燃料仍主要是石油产品，汽车年消耗石油 约占世界石油产量的4 8 ，而石油的储存量预计仅能开采至u 2 1 0 0 年。显然，随着 全球汽车工业的不断发展，汽车给人们带来生活便利的同时，也在加剧着能源的 消耗并恶化着人们的生存环境。人们需要汽车，也需要可持续地应用能源，更需 要清洁的生存环境。因此，汽车的轻量化、降低油耗和排放、提高性能及保证安 全成为汽车工业发展的主要方向。要降低汽车油耗量，除改进汽车的设计和研制 省油的发动机外，减轻汽车的重量，在汽车上广泛使用轻质材料是一项行之有效 的措施。汽车轻量化水平的高低已成为汽车行业竞争力强弱的标志，成为汽车工 业可持续发展的核心问题。汽车材料是汽车品质的基础，汽车技术的发展在很大 程度上依赖于汽车材料的发展。要研制更经济的汽车，就必须使用更轻质的材料， 这已经成为汽车界的一种共识。要实现轻量化所需的新材料在自主开发车型中的 第一章绪论 应用，必须掌握汽车新材料的设计、成型、焊接、涂装等技术。另外，汽车轻量 化还能减轻轮胎磨损，延长汽车使用寿命。近几年，铝合金、高强度钢、镁合金、 钛合金、合成塑料、玻璃纤维、合成材料和陶瓷等在汽车中的应用越来越广泛h 。 在2 1 世纪的汽车工业中，材料将会取得突飞猛进的发展，材料技术将推动汽车工 业的发展。同时汽车工业的发展也将带动材料等一批相关产业的发展，推动工业 化的进程。 1 8 9 6 年印度人用铝做了汽车的曲轴箱，但由于当时汽车用铝合金的成本太 高，加上铝材应用在汽车上遇到了许多技术难题，故早期铝合金材料在汽车上的 应用进展缓慢。尽管如此，随着科学技术和汽车工业的发展，铝合金应用仍被日 益推广，铝合金的汽车零部件品种也日益增加。铝及铝合金是汽车轻量化最重要 的材料，每年一度的s a e 年会上都会积极讨论用铝合金实现汽车轻量化的问题， 轿车的各部位重量见表1 1 【5 】。目前，钢铁是汽车工业的主要原料，为了促使汽 车向轻量化发展，进一步提高竞争能力，已有美国、德国和日本的2 0 家著名的汽 车公司在生产中扩大了铝的用量，其中，美国的汽车公司近1 0 年来在生产汽车过 程中的铝消耗量增加了1 7 5 倍，欧洲汽车用铝量从1 9 9 4 年的6 7 5 万吨，增加到 2 0 0 5 年的1 9 0 万吨，其中用于汽车车身制造的铝合金板材所占车重百分比从1 9 9 4 年的6 变化为2 0 0 5 年的2 0 纠6 | 。未来的轿车会越来越豪华大方，同时也更加轻 便自如，由此可见，铝合金将在汽车轻量化中发挥重要的作用。 表1 1 轿车各部位质量比例 铝及铝合金具有比强度高、比重小、大气环境下耐腐蚀性强、散热性能好、 易于进行多种加工和在自然界含量较丰富等特点，在保证相同的刚度和强度下， 采用铝合金制造轿车车身可以减少车体重量的6 0 左右，从而减少大量的燃料消 耗和环境污染【7 8 】。其次，铝合金材料可以反复回收利用，回收重熔铝合金所需 能量仅是生产新铝合金所需能量的5 。因再生铝合金材料可以保持原有材料的 性能，所以铝合金材料的回收使用得到人们的普遍重视。相对于一般钢材，铝合 金材料具有较高的比强度，虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能得到复杂截 面的构件，从结构上补偿部件的刚度，因而可在满足刚性及强度等方面力学性能 下，大大降低材料的消耗及构件的质量，从而降低产品的成本，提高经济效益。 2 第一章绪论 铝合金正以越来越快的速度应用于汽车工业中，汽车零部件的铝合金化程度正与 日俱增。由于汽车车身是汽车中重量最大的部件( 约占汽车总重量的3 0 ) ，因 此汽车车身的铝合金化对减轻汽车自重具有重要的意义。近几年来这个问题已经 成为国际汽车领域的一个研究热点。大众汽车公司和美国内卡苏尔母铝业公司于 1 9 9 9 年联合开发制造的a u d i 2 型全铝轿车都采用了铝合金空间框架结构，该结构 不但质量轻，缩短生产周期，降低总成本，而且还能够很有效地吸收冲击能，提 高防撞性，可对乘坐人员提高最佳的安全保护，适宜于多品种小批量生产。美国 福特公司也采用了空间框架技术，保时捷、凯迪拉克、劳斯来斯、沃尔沃、法拉 利等其他公司也开发了铝合金车身框架【9 l o 】。 电阻点焊原理简单、对操作人员的技能要求较低、生产效率高，并且非常适 合于自动化生产，容易与其他制造工艺一起组成成套的流水生产线。因此，到目 前为止，电阻点焊己经成为使用最普遍的金属连接方法之一，在工业生产的各个 领域中都得到了广泛的应用。与汽车生产中使用的其他金属连接方法如铆接、粘 接等相比，电阻点焊不仅具有生产效率高，容易自动化的优点，而且焊接质量稳 定可靠，因而电阻点焊在汽车制造领域中得到了广泛的应用，而且必然会在以后 的汽车生产中占重要的地位。 汽车车身，是整个汽车零部件的载体，车身制造质量的优劣对整车的质量起 着决定性的作用。电阻点焊是车身装配时的主要工艺手段，在车身底板、侧围、 车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊装中，大量采用电阻点焊工艺。据统计， 每一辆轿车车身上，约有4 0 0 0 6 0 0 0 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至l j 5 8 9 2 点。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。轿车车身结构和自动焊装生产线 示意图见图1 - 1 。 汽车车身焊装线上的电阻焊设备主要有3 类： ( 1 ) 悬挂式点焊机。它是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2 0 0 - - 3 0 0 台悬挂式点焊机，用于车身的各个部位的装配点焊，特别 是点焊焊接位置复杂多变的部件。其车身焊接装配线如图1 2 所示。 ( 2 ) 点焊机器人。为了提高车身焊装线的自动化程度，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，以代替人的单调、重复、长时间的强体力劳动。 同时，还适应产品的多样化生产。其车身自动焊装生产线如图l 一3 所示。 第一章绪论 圈1 - 1 轿车车身结构和自动焊装生产线示意图 图卜2 车身焊接装配线 图卜3 车身自动焊装生产线 ( 3 ) 多点焊机。采用多点焊工艺的i i 的是为了提高生产效率，减小焊接变 形，在车身焊装生产线上，车身底板的点焊装配经常采用多点焊机，例如德国的 奥迪和b 胛的车身底板自动化焊装线，都采用了多点焊机。 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2 9 4 台悬挂式点焊机， 6 1 台点焊机器人；而德国大众帕萨特车身焊装线上，在总菇3 5 9 4 个电阻焊焊点中， 第一章绪论 仅有4 0 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【1 1 】。 1 2 电阻点焊的特点 在地壳中铝的含量仅次于氧和硅，约占8 1 3 ，是地球上含量最多的金属元 素。铝作为工业材料不足1 0 0 年，但却是仅次于铁的重要工业材料。铝具有很强 的氧化能力、高的电导率和热导率、容易再生、无磁性、无毒等特点。 由于铝合金在物理和化学性能、机械性能以及材料冶金性能等方面与钢存在 差别，使得其在点焊过程中具有以下特点【1 2 1 4 】。 1 铝合金具有良好的导电性能和导热性能 通常采用大电流、短时间的硬规范进行点焊。铝及铝合金的导热系数和比热 容都很大，约比钢大一倍多，并且随着温度的升高，铝合金的热导率呈直线上升， 而钢则保持不变。对于铝合金，电阻小，导热快，点焊时需要消耗更多的能量， 因此一般采用大电流、短时间的硬规范进行焊接。所以适合于点焊钢的普通点焊 机难以胜任铝合金点焊的要求，必须采用能量集中或者功率大的热源，有时需采 用预热工艺措施。一般在焊接铝合金时，要输入比焊接钢时大2 - - - 4 倍的热量。 2 线膨胀系数大 铝合金的线膨胀系数大约比钢大2 倍，凝固时体积收缩率为6 6 左右。所以 焊接时极易产生较大的焊接应力和变形，或在脆性温度区间导致热裂纹。 3 需清理铝合金表面的氧化膜，减少接触电阻 铝合金与氧的亲和力很大，在空气中容易与氧结合而形成一层致密的氧化 膜，其熔点极高，大约为2 0 5 0 c ，并且由于氧化膜容易吸收水分，会造成点焊的 气孔、夹杂等缺陷。如果清理不好，就会在点焊瞬间通过大的焊接电流时，使得 接触面上的局部电流密度过大并瞬间熔化，从而产生早期飞溅，影响焊件表面质 量，还会降低电极寿命。因此，在焊前，必须对焊件进行表面清理。 4 焊机机头的随动性好 铝合金的塑性区窄，高温塑性差，而且熔核凝固时又伴随着很大的收缩应力， 容易出现缺陷，因此要求电极压力不能只是简单的恒力，而应具有阶梯形或马鞍 形的变化曲线，这对于防止飞溅、缩孔及裂纹等缺陷是至关重要的。 5 控制精度高 由于点焊是在短时间、大电流的条件下进行焊接的，所以铝合金点焊对规范 的敏感性要比钢大，加热时间稍有变动就会造成飞溅、熔核太小及未焊透等缺陷。 因此，要求点焊机的控制精度高，以保证通电和休止时间准确。 6 质量监控难度大 第一章绪论 点焊的形核处于封闭状态，属于动态变化过程。随着加热的不断进行，熔核 将发生从无到有、从小到大的变化，熔核尺寸无论在焊接期间还是在焊后都无法 直接观测，因此点焊质量监控和检测难度大。 钛合金是一种优良的结构材料，由于钛合金具有高比强度，良好的抗腐蚀性， 热强性以及低温韧性等宝贵性能，使其在航空、航天、火箭、人造卫星、造船、 化工、冶金、电镀等工业部门中得到广泛应用【l 引。钛合金制造结构的采用不仅提 高了结构的使用寿命、生产率，而且减轻了结构的重量，从而获得显著的经济效 益。 我国国防工业的产品，正在向铝合金、钛合金结构方向发展。钛合金具有较 高的比强度，在3 0 0 - 3 5 0 高温下，钛合金仍具有足够高的强度，而铝合金和镁 合金只能在1 5 0 2 5 0 范围内作为结构材料，钛合金在大多数酸碱盐介质中均具 有较优良的抗腐蚀性能，此外还具有良好的低温韧性。由于钛合金具有这些优良 的特性，使其在技术先进国家的宇航和航空工业中得到了广泛应用。据统计，在 一架波音7 4 7 飞机上使用钛合金达至1 j 3 6 吨。 焊接作为钛合金加工中的重要手段，有着提高材料利用率、减轻结构重量、 降低成本等方面独特的优势，因此钛台金焊接方面的研究工作一直被国内外研究 者所重视。 钛合金具有化学活性大、热物理性能特殊、冷裂倾向大、易产生气孔、变形 大等焊接特性 1 6 , 17 1 。因此，钛合金的焊接困难比较多，只有严格的制定焊接规范 才能得到良好的焊接质量和焊接效果。然而点焊应用于钛合金比其他焊接方法要 好许多。 点焊是在很短的时间内完成焊接，这种方法焊接能量集中，热影响区小，变 形小，生产率高，而且不需要保护气体，可以直接进行焊接。因为点焊熔核在电 极下的两板之间形成，不暴露于空气中，所以焊点接头不产生高温氧化，点焊质 量良好，并具有良好的点焊接头性能。钛的点焊在很多方面与其他金属相同，钛 的电导率和热导率低，使得它比铝和许多碳钢和低合金钢更容易进行点焊。但是 钛合金点焊时，焊件的表面清理很重要。点焊工件表面必须干净，没有锈皮、氧 化物、污垢、涂料、油脂或油类，达到表面的紧密配合，焊件内部接触是否紧密 直接影响接触电阻的大小，由此影响加热程度和焊点质量是否稳定。不清洁的表 面还可能熔化后生成脆性相，降低接头性能。 1 3 电极压力国内外研究发展现状 点焊过程是一个复杂的热过程，在过程中有很多影响点焊质量的因素，归纳 6 第一章绪论 起来主要有四个：焊接电流，焊接时间，电极压力，电极端面尺寸。近年来，人 们对焊接电流，焊接时间和电极端面尺寸方面研究的比较广泛，而且也较为深入， 在国内外的很多文献上经常能够看到这些方面的进展和成果，然而对电极压力及 其在点焊中对焊接质量的影响的研究国内外很少报道。 在国际上，对电极压力的专门研究很少，只是在最近几年里才出现。日本 f u r u k h w ak a z u t o s h i o z i9 】等人研发了一台能改变电极压力的点焊机，如图卜4 所 示。这台点焊机可以通过伺服电机来任意连续地改变扭矩，还可以控制电极压力 的变化，主要应用于冷轧钢的电阻点焊工艺中。他们主要研究不同的电极压力和 焊接电流对焊接质量的影响，通过不同压力曲线的设计以及点焊实验来分析电极 压力的改变带来的影响，并通过超声波检测和拉伸剪切实验来证明它们设计的曲 线与一般的焊接压力的区别。实验结果表明，当减小预压力时，即使电流很低， 也可以得到良好的焊接质量；即使电极压力变化很复杂，在焊件的膨胀和冷却过 程中根据预压力和焊接电流的大小，电极压力随时间的变化也可以被解释清楚； 通过超声波检测和拉伸剪切实验可以清楚地看出，与传统的点焊相比，用设计的 压力曲线进行焊接能够获得更好的焊接质量。 图卜4 点焊机 上述研究与本课题有很多相似之处，比如都认为马鞍形压力曲线可以明显改 善焊接质量，但和本课题相比，也有三点不同： 第一章绪论 ( 1 ) 研究材料和领域不同。他们研究的材料是冷轧钢，而且电极压力很大， 本课题研究的则是铝合金和钛合金，对于汽车行业，更具有实际意义，而且电极 压力较小： ( 2 ) 本课题研究的是在给定焊接电流下电极压力的单参数变化，而他们研 究的是电极压力与焊接电流的综合变化； ( 3 ) 本课题对于预压力、焊接压力和锻压力都有研究，而他们只对预压力 和焊接压力进行分析。 在国内，专门研究电极压力的文章较少，人们研究的主要方向是针对伺服焊 枪的开发及其系统的研究，重在理论，而通过实验来深入研究的人则寥寥无几。 比如，张小云等基于p l c 控制器设计了一套伺服焊枪点焊控制系统，在焊接过程 中，电极定位利用伺服电机的位置环来实现，电极力通过采集安装在电极杆上的 l o a d c e l l 压力传感器的反馈压力信号来进行闭环控制，与焊接控制器的通讯则由 系统的i o 模块来完成。该伺服焊枪系统在焊接过程中电极定位迅速、电极力稳 定，并能够有效地提高焊接质量，减少焊接飞溅，延长电极寿命【2 。 张小云等人的研究与本课题的区别在于： ( 1 ) 本课题可以实现压力的动态调节，而他们的伺服焊枪控制系统则不能； ( 2 ) 本课题引入了实时操作系统，系统更稳定可靠； ( 3 ) 本课题研究的伺服电机在焊接时运行在扭矩控制模式，直接对电极压 力进行控制和检测，更迅速灵敏； ( 4 ) 本课题设计的是广泛应用于汽车工业的悬挂式点焊枪，具有较高的实 用价值。 综合上述，可见目前国内外电极压力的研究还很少，对于电极压力变化的研 究也只是处于初级阶段，存在很大的不足，这也正是本课题提出的原因所在。 1 4 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 本课题主要研究电极压力与点焊熔核质量之间的定量关系和规律。 ( 2 ) 本课题以伺服焊枪为基础，进行软件的编程，控制焊枪实现点焊。本 课题研究的重点是电极压力，因此设计电极压力曲线的程序对本课题来说很重 要，是本课题研究的主要内容之一。 ( 3 ) 利用电极压力的曲线程序进行点焊实验。通过实验验证设计的电极压 力曲线是否符合点焊要求，能否真正改善点焊接头的质量、提高接头的强度。因 此，根据电极压力曲线进行大量的点焊实验，也是本课题要做的主要内容。 ( 4 ) 分析评定点焊接头质量。抗拉强度是衡量点焊接头质量好坏的重要指 第一章绪论 标之一，抗拉强度越高，说明点焊接头的质量越好。本课题主要对点焊接头进行 了拉伸剪切实验，从抗拉强度这个指标来分析和评定接头的质量。 ( 5 ) 分析实验结果，寻找规律。本课题将分别对四种材料进行了实验，并 对实验数据进行了对比分析，以获得相应的规律。 9 第二章点焊原理及电极压力 第二章点焊原理及电极压力 点焊作为电阻焊中的一种焊接方法，不但具有接头质量高、辅助工序少、无 须添加焊接材料及焊接环境好等电阻焊方法的通用特点，而且还有以下一些基本 特点： ( 1 ) 焊件间是通过熔核连接的，熔核的尺寸很小，并均匀分布在两焊件的 贴合面上； ( 2 ) 点焊具有大电流、短时间的工艺特点，并且是在压力状态下进行焊接； ( 3 ) 点焊是热和机械综合作用的焊接过程。 2 1 点焊原理 点焊是一种把两个或多个焊件以搭接的形式压紧在两电极之间，利用电阻热 熔化母材金属，使金属间实现原子之间的连接，从而形成焊点的焊接方法。 2 1 1 点焊焊接循环 点焊过程是在热和机械作用下形成焊点的过程。热作用使焊件贴合面母材金 属熔化；机械作用使焊接区产生必要的塑性变形，二者经过适当地配合和共同作 用可以得到优质的点焊接头。 焊接循环是点焊中完成一个焊点所包括的全部程序。一个比较完整的点焊焊 接循环由加压、反复加热、反复冷却、维持、休止等十个程序组成。但对于一般 比较常用的金属材料，只需预压程序段、一次通电程序段、间隙程序段、二次通 电程序段、维持程序段和休止程序段等六个程序段就可以满足要求，图2 1 是点 焊焊接循环的示意图。 在点焊焊接循环中使用预压压力能很好的克服焊件的刚性，获得低而均匀的 接触电阻以及充分的利用设备电功率，适合厚钢板和高强铝合金等金属材料的点 焊。一次通电程序段的作用是，当二次通电为焊接电流时，其作为对焊点的预热 电流，降低焊接开始时焊接区金属中的温度梯度，避免金属的瞬间过热和产生飞 溅；当二次通电为焊后热处理电流时，其作为焊接电流。间隙程序段是一次通电 和二次通电的间隙时间，间隙程序段的时间应尽量短或为零。通电二程序段的作 用是，当通电一为焊接电流时，其作为焊后热处理电流，可以避免钢的淬硬和产 生淬火裂纹缺陷，提高接头的综合机械性能：当通电一为预热电流时，其作为焊 接电流。维持程序段，当焊接电流结束时，焊接熔核要在压力的作用下结晶，防 l o 第二章点焊原理及电极压力 f 一电极压力i 。一一次通电电流i 。一二次通电电流1 一加压程序2 一一次通电程序 3 一间隙程序4 一二次通电程序5 一维持程序6 一休止程序 图2 1 点焊焊接循环示意图 止熔核产生飞溅。维持时间到时，停止电极加压，进入休止程序，等待下一个焊 接循环【2 1 1 。 2 1 2 点焊接头形成过程 点焊接头由熔核、塑性环以及周围部分母材金属这三部分组成。在一个良好 的点焊焊接循环条件下，接头的形成过程包括预压、通电加热和冷却结晶这三个 连续的阶段 2 2 , 2 3 1 。 预压阶段：预压是通电之前对工件的加压，这个过程的特点是f o 、i - 0 。 点焊循环开始时，工件在伺服电机施加扭矩的作用下通过两个电极对工件产生一 个预压力，这时不通焊接电流，其作用是在电极压力的作用下清除一部分不平的 接触表面和氧化膜，暴露出导电的金属，形成被焊工件表面的导电接触点，从而 保持接触电阻的稳定。这就为以后焊接电流的顺利通过，消除熔核内的裂纹和夹 杂以及减少焊接过程中的飞溅做好准备。 通电加热阶段：在工件上加压一段时间后，要对工件通焊接电流进行加热， 以形成一定尺寸的熔核。此阶段的特点是f o 、i o ，其作用是在热和机械的作 用下形成塑性环、熔核，并随着通电加热的进行而长大，直至长大到所需要的熔 核尺寸。在通电开始的一段时间里，由于电阻热的作用，使得接触点不断扩大， 固态金属因加热而膨胀，在焊接压力的作用下金属产生塑性变形并挤向板缝：随 着加热的继续进行，开始出现液态熔核并不断扩大，直到达到所要求的核心尺寸。 然后切断电流停止加热，熔核将进入冷却结晶阶段。保持两个电极对工件的压力， 第二章点焊原理及电极压力 液态熔核就能在压力的作用下冷却结晶。 在通电加热阶段，塑性环的出现对点焊接头的影响很大。塑性环是液态熔核 周围的高温固态金属，在电极压力的作用下产生塑性变形和强烈再结晶而形成 的。塑性环的存在使得工件周围的气体才不能侵入熔核而与熔核中的金属发生冶 金反应，以保持熔核金属成分基本不变，同时也保证熔核的液态金属不会形成飞 溅沿板缝被挤出。 冷却结晶阶段：这一阶段的特点是f o 、i - o 。其作用是使液态熔核在压力 的作用下冷却结晶。下面有详细叙述。 2 2 点焊熔核的结晶过程及组织机理分析 在切断焊接电流后，焊接区产生的热量不足以弥补散失的热量，于是熔核开 始冷却结晶。由于点焊具有短时间的特点，因此焊后凝固过程的时间也很短，一 般都在几个循环之内，点焊熔核的结晶规律符合凝固过程理论。 由于材质和焊接规范特征的不同，点焊熔核的凝固组织可分为三种：柱状组 织、等轴组织、“柱状+ 等轴组织。一般来说，熔核凝固组织完全是等轴组织 的情况很少出现。纯金属( 如钛、镍等) 和结晶温度区间窄的合金( 如钛合金、 碳钢、合金钢等) 的熔核组织为柱状组织，而铝合金的熔核组织为“柱状+ 等轴” 组织。下面将以铝合金为例介绍一下“柱状+ 等轴 组织的形成过程，图2 2 为 m 一- _ _ 一- 一一 3 零滁 ( a ) 燃嫩 ( c ) 巅。瓣赋 ( d )( e )( e ) 图2 - 2 “柱状+ 等轴”组织形成过程模拟图 “柱状+ 等轴 组织形成过程模拟图。其中，l 为液态金属表面，s 为母材固相表 面。在凝固前期，如图a 所示，熔合线上的许多晶粒处于半熔化状态，液态金属 1 2 第二章点焊原理及电极压力 能很好的润湿取向不同的半熔化晶粒表面，为异质形核结晶提供了有利条件；在 图b 中，熔核的温度已经开始降低，熔合线上的液态金属首先处于过冷状态，并 以半熔化晶粒作为底面沿某特定的晶向生长成枝晶束，其中的一些枝晶发生二次 轴的熔断、游离和向熔核中心运送；在图c 中，枝晶继续生长，顺着传热方向的 枝晶束前沿呈锯齿形，并向前不断推进，液体也填充到枝晶间的缝隙中。液体向 枝晶间填充使得枝晶粗化。与传热方向有一定倾斜的枝晶束在生长时受阻，枝晶 间距自动调整。慢慢地，枝晶前沿液体金属的温度梯度变得越来越缓，使得等轴 晶核在熔核中心的部位不断增殖，溶质浓度的提高也有助于熔核中心部的增殖； 在图d 中，随着液态金属的成分过冷越来越大，大量的等轴晶以树枝晶形态迅速 长大，直至它们相遇，等轴晶的增殖限制了柱状晶的生长；在凝固即将结束时， 根据剩余液体金属是否能够完全填充枝晶间隙，将组织分为两种，图e 为具有缩 松缺陷的熔核“柱状+ 等轴”组织断口形貌示意图，而图e 为没有缩松缺陷的 优质熔核“柱状+ 等轴”组织断口形貌示意图。 2 3 电极压力及其影响 电极压力是点焊的重要参数之一，对焊点的焊接质量影响很大。电极压力过 大或者过小都会使焊点承载能力降低和分散性变大，尤其对拉伸载荷影响更甚。 当电极压力过小时，由于焊接区金属的塑性变形范围及变形程度不足，造成因电 流密度过大而引起加热速度大于塑性环扩展速度，从而产生严重的飞溅现象。电 极压力过大将会使焊接区的接触面积增大，总电阻和电流密度都减小，焊接区的 散热增加，因此熔核尺寸下降，而严重时还会出现未焊透缺陷。因此，适当的电 极压力很重要。在采用恒定压力来焊接时，电极压力不宜很小，增大电极压力， 可以消除焊件之间的间隙、刚性不均匀等因素引起的焊接区所受压力波动对焊点 强度的不良影响，这样可以使焊点强度的稳定性得到提高。近年来出现了马鞍形 压力变化曲线，马鞍形压力曲线分为三个阶段，预压阶段，焊接阶段和维持阶段 ( 或叫锻压阶段) 。 ( 1 ) 预压阶段 点焊工艺的预压阶段是确定点焊过程起始的导电区域和接触电阻分布的重 要阶段，对熔核的形成以及是否产生飞溅缺陷都有很大影响。 为了建立稳定的电流通道，保证焊接过程获得重复性好的电流密度，必须把 握好预压时间和预压力的大小。预压时间短，可以提高生产效率，但是预压时间 必须充足以使通电时达到稳定的电极压力。 电极力在预压阶段的动态变化主要对电极的使用寿命有影响 2 4 - 一2 6 ，国内外已 第二章点焊原理及电极压力 有一些学者对锥台形电极和球形电极条件下的电阻点焊预压接触行为进行了研 究。针对薄板点焊过程预压阶段进行了弹塑性有限元分析结果表明，在锥形电极 作用下，工件之间接触压力均匀分布有利于防止飞溅，如果能够消除电极与工件 接触区边缘的应力集中，电极周边的磨损将大为减少，有利于提高电极寿命 2 7 2 9 0 ( 2 ) 通电阶段 在焊接的通电阶段，电极力的动态变化会影响工件接触面间动态电阻的变 化，因此它与熔核的形成及焊接质量密切相关。电极力作为一个重要的焊接参数， 可用于焊接过程的监测和焊接质量的在线控n t 3 0 1 。刘桂梅等设计了一种压电晶体 式电极力测试传感器，并用它在焊接过程中直接连续地测试电极力的动态变化， 发现监控电极力是探测焊接区金属飞溅的最有效方法之一1 3 。 在他们的实验中，用交流焊机对低碳钢进行焊接，在焊接过程中，电极压力 是波动的。经过实验分析表明，气缸的加压方式导致了飞溅的产生，飞溅的产生 又导致了电极压力的波动变化。如果在发生飞溅之前减小电极压力，就可以避免 飞溅的产生【3 2 1 。这说明使用伺服焊枪，在焊接过程中通过监测电极力的动态变化， 有可能实现焊接过程的自适应控制。 ( 3 ) 维持阶段 在焊接的维持阶段，不再输入热量，熔核快速散热、冷却结晶。由于熔核体 积小，冷却速度高，液体金属处于封闭的塑性壳内，如果没有外力，冷却收缩时 将产生三维拉应力，很容易产生缩孔、裂纹等缺陷，故在冷却时有必要保持足够 的电极压力来压缩熔核体积，补偿收缩，减少缺陷【3 3 1 。 另外，对于不同材料的电阻点焊，要制定不同的工艺，有的还需要给予复杂 的焊接循环。在这些规范之中，大部分都涉及到对电极压力的特殊要求。 综上所述，电极压力对焊接质量有着重要的影响。在实际焊接过程中，压力 并非孤立地变化着。其他焊接参数的变化，会相应地影响到电极压力的变化；电 极压力的变化，也会影响到其他焊接参数的变化；而且各参数间的影响又是相互 制约的【3 4 1 。压力可调的伺服焊枪的发明，可以为人们深入研究电极压力对焊接质 量的影响机理提供了实验手段，对于电阻点焊来说，具有深远的意义。 2 4 小结 电阻点焊是一种高效的焊接方法，虽然点焊时间很短，但也遵循焊接原理和 焊接的一般规律。电极压力作为点焊过程中重要的参数之一，对点焊质量的影响 很大，研究电极压力的变化及其在各个阶段的影响具有重要的意义。 1 4 第三章点焊调压系统 第三章点焊调压系统 本系统以伺服电机为动力装置，以滚珠丝杠为主要传动机构，采用a r m 控制 器来控制伺服焊枪单一轴，以实现整个点焊过程。其结构简单紧凑，运动平稳灵 活，机械装置的精度和响应速度均能够满足焊接的需要。此外，在系统中移植了 u c o s i i 实时操作系统，并在此基础上构建了一个分层次的、多任务的、消息机 制的软件系统，充分发挥了a r m 的性能，提高了系统的稳定性和实时性。本系 统分为三部分，包括调压机械装置部分，硬件系统部分和软件系统部分。 3 1 调压机械装置及结构 伺服焊枪点焊控制系统主要由伺服焊枪、a r m 控制系统、信号调理模块等设 备组成，它们之间的集成结构如图3 - 1 所示。 图3 - 1 伺服点焊控制系统框图 伺服焊枪的机械结构由以下几部分组成【3 5 1 。 动力机构：采用伺服电机作为动力装置，这是区别于气动焊枪的主要特征。 传动机构：传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而且已成为伺服系统的 一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好的伺 服性能。伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速 机构，所以本系统没有采用减速机，而是选用滚珠丝杠作为主要传动机构。 导向机构：导向机构的作用是支承和导向，它为机械系统中各运动装置能安 全、准确地完成其特定方向的运动提供保障，本系统的轴承、导向连杆等就属于 导向机构。 执行机构：本系统的执行机构是电极臂，它是完成操作任务的直接装置，它 根据控制器发出的操作指令要求，并在动力源的带动下完成张开、合拢、压紧等 第三章点焊调压系统 焊接操作。 对伺服焊枪提出的基本要求首先是电极压力的调节范围，根据现有的气动悬 挂式焊枪的压力范围，并且考虑到成本和机械的重量，选择一个较常用的压力范 围：最大值在3 0 0 k g f 以上，这可以适应较大厚度范围铝合金及钛合金的焊接。 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的一项重要指标1 3 引。在焊接预压阶段， 电极压力快速上升到指定值，能够大幅度的提高生产效率。在焊接通电过程中， 电极压力迅速地按照给定值改变和调整，有利于减少飞溅。实现复杂的焊接循环， 即要求时间的准确性，又要求压力控制的快速性。焊接过程一般都在几秒之内， 通电的时间更短，所以压力的响应时间在l o i n s 左右才有意义。 精度是伺服系统的一项重要的性能要求，它是指其输出量复现输入指令信号 的精确程度 3 7 , 3 8 。对于伺服焊枪，精度要求主要是针对压力、位置、速度三个参 数而言。压力的精度是本系统的首先考虑的问题，波动应该在2 - - 3 之内。 伺服焊枪采用开环控制方式，如图3 - 2 所示。电机驱动器内部为电流环、位 置环的闭环控制，上位控制器通过驱动器来控制电机，系统中未在执行机构上安 置压力和位置传感器，直接使用电机驱动器提供的位置和电流信号。 图3 2 伺服焊枪控制框图 本系统选择伺服电机剀作为动力装置，其参数如表3 1 所示。 表3 - 1 伺服电机的参数 表3 - 2 为本系统选择的滚珠丝杠的基本特性参数。另外，滚动轴承选择6 0 度 角接触球轴承。 1 6 第三章点焊调压系统 垂! ：! 垩蔓竺坚主要茔塾 公称外径公称导程螺母k 度额定静载荷额定动载荷 n n 最后，由以上系统和零件组台而得到的x 型伺服驱动点焊枪，见图33 所示 图33 机械装置图 从右往左，依次是电机、连接套、x 型焊枪。连接套将电机和x 型焊枪连接固 定在一起，内部还有联轴器、轴承、丝杠等部件。连接套是个半封闭的圆筒，其 上开有一个窗口，用于联轴器的紧回。从图中可以看出，丝杠采用一端固定，一 端自由的固定方式，自由端的长度取决于焊枪张开的最大角度。丝杠螺母和焊枪 的活动臂通过连杆来连接，丝杠螺母推动连杆前进，连杆在前进的同时绕支点转 动，它具有两个方向的自由度，以适合x 型焊枪两臂的杠杆一同移动的特点。 3 2 硬件系统 如图3 - 1 所示，控制板硬件系统以a r m 微处理器为核心，周边器件包括存储器 调试口、l c d 、键盘、a d 、d a 、i o 等。 第三章点焊调压系统 图3 1 控制板硬件框图 图3 - 2 为控制信号流向图。围绕a r m 核心，l c d 接受来自a r m 的显示控制信号， 键盘发送中断信号，d a 接收a r m 的数字信号，并将转换的模拟信号输出到伺服驱 动器，a d 接收伺服驱动器的模拟信号，并将转换的数字信号输出到a r m 。 伺驱 谏序反僚电乐 调 a r m 开发板 服 编码 动理 电 、 器 位置分周p a 电 l c d 卜一 机 1r路 位置分周p a l 电源 1r l r a r m 位置分周p b 核心 a d 。 位置分周p b ji 1 r i 一 1 扭矩控制电压 d a 速度限制电压键盘 图3 - 2 控制信号流向图 a d 有两路：一路是检测负载扭矩反馈电压，反馈电压直接表征了电机扭矩 的实际大小；另一路是检测速度反馈电压。d a 有两路：一路是a r m 输出的扭矩控 制信号，另一路是a