【优秀毕业论文】 伺服焊枪点焊电极磨损规律研究及其修磨参数优化.pdf

论文编号：论文编号： 上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 伺服焊枪点焊电极磨损规律研究 及其修磨参数优化 伺服焊枪点焊电极磨损规律研究 及其修磨参数优化 学学 号：号： 1050209199 硕士生：硕士生： 邱邱 鹏鹏 程程 导导 师：师： 陈陈 关关 龙龙 教授教授 学学 科：科： 车车 辆辆 工工 程程 学 院：学 院： 机械与动力工程机械与动力工程 上海交通大学上海交通大学 中国上海中国上海 2008 年年 2 月月 thesis number: dissertation submitted to shanghai jiao tong university for the degree of master in engineering optimization of tip dressing parameters based on research of electrode wear using servo gun shanghai jiao tong university shanghai, p.r. china feb. 2008 student id: 1050209199 candidate: qiu pengcheng supervisor: prof. chen guanlong major： vehicle engineering department： mechanical engineering i 伺服焊枪点焊电极磨损规律研究及其修磨参数优化伺服焊枪点焊电极磨损规律研究及其修磨参数优化 摘要摘要 电阻点焊工艺在车身制造过程中所占比重极大， 是汽车制造的重 要连接工艺， 但大量的热镀锌板被应用于车身制造过程中造成点焊热 镀锌钢板电极磨损极其严重，电极消耗成本增加。目前对点焊镀锌钢 板以及普通钢板的电极磨损进行了大量研究， 发现热镀锌板表面锌层 在高温下更容易与铜电极发生合金化反应， 在铜电极表面生成力学性 能差的合金层，致使点焊时电极更容易发生点蚀与塑性变形，导致电 极消耗成本增加。针对该问题，目前一般采用电极修磨的方法恢复电 极形态，以确保焊接质量，并且可以重复利用电极。研究表明在使用 修磨法切削电极时优化的修磨时刻以及修磨参数能够极大提高电极 使用寿命节省电极消耗成本。 但国内外目前对修磨时刻的选取以及修 磨参数对电极寿命的影响研究不多。 为此， 本文基于伺服焊枪点焊镀锌板电极磨损规律研究了电极轴 向磨损、点蚀、端面直径等对焊点质量影响情况，并以此为约束条件 建立了电极寿命模型，选取修磨时刻，最后通过分析电极压力、刀具 转速以及时间对修磨质量影响， 优化选取电极修磨参数实现电极寿命 最大化。本文主要开展的研究工作如下： （1）镀锌钢板的电阻点焊电极磨损规律研究）镀锌钢板的电阻点焊电极磨损规律研究 设计电极磨损试验流程并进行试验。 试验过程中利用伺服焊枪轴 向磨损检测功能，检测电极轴向磨损；利用 ccd 系统提取电极端面 ii 磨损特征包括点蚀以及端面直径。确定电极端面直径、轴向磨损以及 点蚀随焊接点数变化规律为后续章节电极寿命模型确立约束条件。 （2）建立电极寿命模型并优化修磨时刻）建立电极寿命模型并优化修磨时刻 通过分析电极磨损过程，建立电极寿命模型。提出修磨质量评价 指标。基于第二章试验分析确定电极寿命模型的约束条件。根据确定 的模型以及约束条件优化电极修磨时刻。 （3）优化选取修磨参数）优化选取修磨参数 提出修磨质量评价标准，为修磨参数优化提供标准，确定主要三 因素刀具转速，修磨时间，修磨压力对修磨质量影响权重。以控制端 面径向修磨量为目标，建立三因素与端面径向修磨量间关系模型，进 而通过控制三因素达到控制修磨质量目标。 基于确定的最优化修磨时 刻电极状态选取修磨参数。最后，试验验证选取的修磨参数可行性。 通过以上研究，基于伺服焊枪点焊电极磨损规律，建立了电极寿 命模型，进而优化修磨时刻，基于提出的修磨质量评价标准，建立了 电极修磨参数控制模型以针对不同磨损程度电极优化选取修磨参数， 试验结果表明，基于搭建的伺服焊枪系统，采用递增电流焊接规范， 0.8mm 镀锌钢板电极寿命可以从 7000 点增加到 14000 点，而恒定电 流焊接 1.5mm 镀锌板电极寿命可以增加到 16000 点。 关键词：关键词：电阻点焊，热镀锌钢板，电极磨损，寿命模型，修磨时刻， 修磨参数优化 iii optimization of tip dressing parameters based on research of electrode wear using servo gun abstract resistance spot welding is the main joint method in vehicle manufacturing industry. now more and more galvanized steels are used in vehicle manufacturing process because of its good performance on corrosion resistance, which lead to electrodes wear serious. now a lot of researches have been done on electrode wear using zinc coated and bare steels. however, the zinc of galvanized steels tend to react with electrode during spotting welding under high temperature and pressure, which leads to electrodes wear serious and cost increases. at present tip dress is used to solve this problem. however, no research has been done in this field. experiments indicate that appropriate tip dressing timing and parameters can increase electrode service life. so it is very necessary to choose tip dressing timing and parameters based on research of galvanized steels wearing process. so this paper did researches on the effect of electrode axial wear, pitting and electrode face diameter on weld quality using servo gun. and put forward an electrode life model using the results getting from the experiment, then optimize tip dressing timing. finally choose the best tip dressing parameters based on the experiment of tip dress. this paper iv carried out the following jobs: (1) experiment study on characteristics of electrode wear in resistance spot welding galvanization steels experiment is carried out to determine changing rules of electrode face diameter, axial wear and pitting with increase of welding points. and axial wear is measured using servo guns axial wear detect function, face diameter and pitting is measured by ccd system. (2)establish electrode service life model establish electrode life model based on analysis of electrode wearing process. put forward a new tip dressing method, and after that make sure the life model terminal condition. then choose tip dressing timing based on the model and terminal condition in order to maximize electrode service life. (3)study influence of tip dressing parameters on tip dressing quality put forward tip dressing evaluation criterion. evaluate contribution to tip dressing quality between speed of rotation, time, pressure, number of tools and axial misalignment etc. make sure the relationship of the three main factors, speed of rotation, time, pressure and tip dressing quality, so that the weld quality can be controlled by the three main factors. and optimizing tip dressing parameters will be chosen based on the electrode wear condition. v based on the above researches, electrode service life model is established, and also tip dressing parameters controlling model is put forward in order to optimize tip dressing parameters. the result of research indicates that electrode life extends one time than before using the optimizing tip dressing parameters put forward by this text. key words: rsw, galvanized steel，electrode wear，electrode service life model, tip dressing timing, optimization of tip dressing parameters vi 目录目录 摘要摘要 .i abstract.iii 第一章第一章 绪论绪论 .1 1.1 课题的研究背景、意义及来源.1 1.1.1 课题研究背景.1 1.1.2 课题研究意义.2 1.1.3 课题来源.2 1.2 点焊热镀锌钢板电极磨损规律研究现状.2 1.2.1 电极磨损速率的影响因素.3 1.2.2 电极磨损失效表现形式.5 1.3 电极磨损解决方法研究.6 1.4 研究现状小结.7 1.5 研究内容.8 第二章第二章 伺服焊枪点焊镀锌钢电极磨损规律试验研究伺服焊枪点焊镀锌钢电极磨损规律试验研究.9 2.1 引言.9 2.2 试验流程与方法.9 2.2.1 伺服焊枪点焊实验系统建立.10 2.2.2 镀锌钢点焊可焊性窗口确定.14 2.3 电极磨损试验以及过程分析.15 2.3.1 试验用电极参数.15 2.3.2 试验用钢板.16 2.3.3 电极磨损试验流程.16 2.4 镀锌钢点焊的电极磨损特征变化规律.17 2.4.1 电极端面直径磨损变化规律.17 2.4.2 电极轴向磨损特征变化规律.20 2.4.3 点蚀磨损特征变化规律.22 2.5 本章小结.24 第三章第三章 镀锌钢板点焊电极修磨时刻优化镀锌钢板点焊电极修磨时刻优化.25 3.1 引言.25 3.2 电极磨损过程分析.25 3.3 电极修磨质量评价标准.27 3.3.1 试验验证评价指标的可行性.28 3.3.2 采用不同修磨质量评价标准电极寿命比较.30 3.4 电极寿命模型建立.31 3.4.1 约束条件确定.31 3.4.2 数学模型建立.35 3.5 电极修磨时刻确定.36 vii 3.6 本章小结.38 第四章第四章 电极修磨参数优化电极修磨参数优化 .40 4.1 引言.40 4.2 电极修磨参数确定.40 4.3 可调速修磨器系统设计与集成.41 4.3.1 可调速修磨器硬件设计.42 4.3.2 控制系统设计.42 4.3.3 控制系统集成.44 4.4 电极修磨参数对端面修磨量影响.44 4.4.1 最大化电极寿命的修磨工艺方法.44 4.4.2 电极端面切削过程分析.45 4.4.3 试验分析 i d，di与 p、t 关系.46 4.4.4 正交试验确定 di与 p、t 关系 .49 4.5 试验验证.52 4.5.1 验证试验焊接工艺选取.52 4.5.2 验证试验材料以及流程.53 4.5.3 试验结果.53 4.6 本章小结.54 第五章第五章 结论与展望结论与展望 .55 5.1 主要研究内容和结论.55 5.2 本文的不足之处与研究展望.56 参考文献参考文献 .57 致谢致谢 .61 攻读硕士学位期间已发表或录用的文章攻读硕士学位期间已发表或录用的文章.62 1 第一章 绪论 1.1 课题的研究背景、意义及来源课题的研究背景、意义及来源 1.1.1 课题研究背景课题研究背景 电阻点焊是汽车工业的重要连接工艺， 一个典型的车身由 300-400 个薄板件 经 4000-6000 个焊点连接而成，电阻点焊工艺在车身制造过程中所占比重极大， 是汽车制造的重要连接工艺。 电阻点焊连接钢板的功能主要通过电极压紧钢板通 电熔化钢板来实现的，是一个复杂的热力耦合过程，焊接过程中由于瞬时通电产 生大量的热造成电极软化在压力作用下电极极易发生塑性变形， 同时焊接过程伴 随有电极与板材发生合金化反应加剧了电极磨损，近年来，新一代汽车产品对车 身耐腐蚀性能提出了更高的要求1。据报道，造成汽车损坏的重要原因之一是腐 蚀,全世界每辆汽车由于腐蚀平均年损失约 150250 美元2。为解决该问题热镀 锌钢板被广泛使用于车身制造中。 热镀锌钢板以其良好的耐腐蚀性能以及价格优势被广泛采用。 但在进行车身 制造的电阻电焊时， 由于表面锌层在高温下容易与铜电极发生合金化反应生成力 学性能较低的铜锌合金，在焊接时容易发生粘连从电极表面脱落345，并且由 于其较差的力学性能，在高温高压下更容易发生塑性变形造成电极的蘑菇化，从 而造成电极端面直径迅速增大，电流密度降低，导致电极失效26789。试验表 明，焊接裸板电极寿命可到达 10000 点以上，而焊接镀锌板电极寿命只有不到 2000 点。由于焊接镀锌板造成的电极磨损加剧，大大增加了电极消耗成本，而 目前铜材较贵，资料显示，sgm 一年的电极消耗成本为 1000 万人民币，所以采 用热镀锌板后电极磨损加剧导致消耗成本增加成为一个急需解决的问题。 针对电极磨损， 目前一般采用递增电流的工艺方法以补偿电极磨损造成的电 流密度降低10，但该方法需要耗费更大的能量，加剧电极磨损，且只能按照事 先通过实验确定的电流递增工艺方案进行焊接， 无法解决由于不确定性电极磨损 造成的焊点质量下降。另一方法是进行电极修磨，当电极磨损到一定程度时，利 用电极修磨器修磨电极头，使电极的端面面积与表面状态恢复到初始电极状态。 采用该方法不需耗费较大能量，电极可重复利用，被广泛采用。 生产线上白车身点焊设备通常采用的传统气动焊枪，虽然成本低廉、技术成 熟，但由于气动焊枪无法控制焊枪行程，焊枪闭合时对钢板产生很大冲击力同时 作用于电极，研究表明，点焊普通钢板时，仅从冲击力角度考虑，使用伺服焊枪 2 软接触工件， 可使电极寿命提高 30%， 因此使用气动焊枪点焊镀锌钢板更是大大 加速电极磨损。另外传统气动焊枪还存在噪音大、气路维护成本高等缺点，因此 伺服焊枪已经被越来越多的汽车厂商所采用，honda、toyota、renault、mazda 等已将伺服焊枪应用于汽车生产中。 镀锌钢板被应用于车身制造时，电极磨损加剧，造成电极成本增加，而伺服 焊枪的问世在一定程度上解决了该问题。但针对镀锌钢使用伺服焊枪焊接时，应 该在什么时间采用怎样的修磨参数修磨才能最大化电极使用寿命节省成本尚未 被研究过，因此，该问题成为本文研究的主要问题。 1.1.2 课题研究意义课题研究意义 热镀锌钢板在车身制造中的应用越来越广，点焊此类材料的电极磨损严重， 增加电极消耗成本。而电极修磨能够很好的解决该问题，使得电极可以被反复利 用，但目前工厂均采用经验修磨时刻修磨，并且也没有优化选取电极修磨参数， 而试验发现修磨时刻选取会对电极寿命以及焊接质量产生很大影响， 另外修磨参 数选取过大将过多切削电极降低电极寿命而修磨参数选取过小会导致电极未被 修复影响后续焊接质量。针对该问题，本文利用伺服焊枪机器人以及搭建的可调 速修磨器平台，研究热镀锌钢板电阻点焊的电极磨损规律，并建立电极寿命模型 进而探寻最优的修磨时刻以及修磨参数， 增加电极使用寿命， 节省电极消耗成本。 1.1.3 课题来源课题来源 本课题主要得到以下项目支持： （1） research on on-line weld quality inspection for resistance spot welding using servo gun（gm 美国通用汽车公司 retc. ;conference : icf 7. advances in fracture re2 searchm . v4 ,houston , texas ,usa ,1989 publ : pergamon press plc, headington hill hall ,u k,2491 - 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