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推广先进电阻焊接技术 提升我国汽车行业的自主装备水平

2013-02-26 17:16:07 我要评论(0) 字号:T | T
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电阻焊技术的发展经历了单相交流、单相直流、三相整流、电容储能、中频直流的发展过程,目前运用于汽车行业的悬挂焊机主要是分体悬挂焊机,固定式点焊机主要有交流固定式点凸焊机、少量的单相直流和三相点凸焊机、中频逆变、电容储能焊机。

广州亨龙机电股份有限公司

汽车行业电阻焊技术现状

电阻焊技术的发展经历了单相交流、单相直流、三相整流、电容储能、中频直流的发展过程,目前运用于汽车行业的悬挂焊机主要是分体悬挂焊机,固定式点焊机主要有交流固定式点凸焊机、少量的单相直流和三相点凸焊机、中频逆变、电容储能焊机。
    上世纪80年代我国开始引进交流一体化焊钳,主要是法国ARO的焊钳,90年代初,我国开始研制交流一体化焊钳,经过不断完善,初步于2000年初期应用于汽车整车行业,同时电容储能电阻焊技术也开始不断发展。90年代中后期,中频电阻焊技术在欧洲兴起,2000年初期我国的逆变中频电阻焊技术开始开发,由于中频逆变的优异特性,发展迅猛,国产逆变中频焊接技术的各方面性能已经和国外技术相近,并且呈现自己独有的特征,亨龙则是以混合功率模式加SPC质量控制系统为发展方向。
   随着逆变电阻焊技术的不断发展和创新,中频一体化焊钳和机器人焊钳的制造显得生机勃勃。近年来,国内外大部分汽车生产批量大的企业已将一体化手工中频焊钳、中频点焊机器人和伺服技术点焊机器人应用于轿车白车身装焊线,并扩大到铝合金轿车车身的点焊作业。
   随着中频电阻焊技术的不断进步,必将带来设备的稳定和成本的降低,取代传统的交流焊机将成为必然,相信随着汽车厂新车型的投产以及生产纲领的扩大,中频点焊在我国汽车工业的应用必将会进一步发展。

汽车焊接技术的问题与挑战

传统汽车车身焊接长期困扰的问题:焊接过程短,影响焊接质量的因素多;焊接过程中飞溅;焊接质量分析缺乏强有力的数据;焊接螺母螺纹容易变形;焊接二次电缆的消耗;电极的过度磨损;增设大量的电容补偿柜,来提高功率因素;能源消耗大;交流焊接二次电缆的强大磁场对人体健康的影响。
   目前汽车车身焊接面临的挑战:为提高车身整体结构强度,越来越多采用高强度钢板;为了提高车身的防腐蚀性能,大量使用镀锌钢板;为减轻整车重量,局部采用多层钢板;铝合金板材的逐渐应用;柔性生产线的需求;为减少动能配套,大量采用一体化焊钳,取代传统的分体焊钳;需要不断降低能源成本,质量成本,维修成本。
    汽车焊接技术的解决方案
   如何节能:推广使用中频逆变技术,电容储能焊接技术,实现节能。
   大厚板螺母凸焊:推广电容储能焊接技术解决大厚板的螺母凸焊问题。
   如何控制质量:发展焊接质量实时控制技术,为焊接过程的质量控制提供依据。
   如何减少飞溅:增加电极的随动性,电极臂的刚性,采用混合功率控制模式,应用自适应控制。

中频控制技术节能效果

与传统单相交流电阻焊机相比,电流不过零,提高了加热效率,减小了热影响区;次级没有交互磁场产生的感抗;因为焊接过程缩短,电极寿命提高30%~50%,热影响区减少,无功消耗减少;焊接时间可以以1毫秒计算,避免不必要的加热;电网输入电流减少2.7倍,使用较细的电缆,减少路损及电源的输入功率;功率因素高至90%以上,不需要外加电容柜补偿功率因素;变压器尺寸减少60%,减少了铁损的无功损耗;运用于一体化焊钳可以将变压器焊钳一体化,减少二次电缆的消耗及回路损耗;运用于机器人焊钳可以减少焊枪重量,可用于较小的机器人;综合节能达到25%~30%。

中频点焊机在汽车生产中的优点

1、焊接设备小型轻量化
   中频点焊技术使得大功率焊钳可以实现一体化焊钳,以取代交流分体焊钳,中频整流焊接变压器的重量约为单相交流分体式悬挂焊机的1/3~1/5,减少了二次电缆,操作方便。
   由于焊钳的质量减小,点焊机器人的机械装置所支撑的重量也随之减小,从而使驱动电动机功率下降。点焊作业时,在加速、制动以及在点焊过程中的磨损也相应减少。即使在点焊机器人高速旋转时,对极限点焊区也能实现驱动接近。
   2、可以广泛焊接有色金属,高强度钢,热成型钢,及异种金属
   中频点焊具有焊接电流强度高,以及直流极性的效果(帕尔跌效应)和良好的热效率,电流焊接热效率比交流点焊高,可迅速加热被焊金属,而且可以使异种金属能够几乎同时熔化,达到焊接的目的。因此,中频点焊具有焊接铜、铝及对不同导热材料进行组合焊接的特性(例如铜和钢的凸焊)。
   3、中频技术使得焊接规范更加精准,控制更精确,易于实现精确的质量控制方案,得到满意的焊接质量

推广电容储能电阻焊接技术,革新工艺,实现节能

电容储能电阻焊技术分高压电容储能如德国3300V电容和我们的475V低压电容储能,以及中压(1000V)电容储能。高压电容储能焊由于高压危险,不易推广,低压电容焊过去成本偏高,充电速度慢,一直难以推广,直到现在充电速度小于1.5秒,整机一体化后,成本降下来了,他的应用就越来越广,尤其是中压电容储能焊的成功开发,成本将进一步降低,为其推广使用提供更广阔的前景。
   采用电容储能电阻焊的理由:
    1、需要的电网能量小,如10kJ的储能机,仅需20kVA的三相电网,可输出98kA的最大短路电流,可焊接M12以下的螺母;15kJ的储能机,仅需30kVA的三相电网,可输出150kA的最大短路电流,可以焊接M18以下的螺母。
    2、焊接时间短,螺母焊接后螺纹可以用牙规测量,几乎不变形,焊接后螺母基本不变色,热影响区小,节能,尤其是镀锌螺母可以保持镀锌层。

电容储能焊接的优点和节能效果

电容储能焊接由于其放电时间短,在焊接厚板和螺母时,由于热影响区小,焊接速度快,使得焊接完成后螺纹不易变形,减少了回丝工序,特别是焊接有镀锌螺纹时,镀锌层不会被烧掉,提高了螺母的防锈功能。
    电容储能电阻焊接技术解决了以下几个问题:
   1、首先解决了电容的充电速度的问题,每次充电时间在1.5秒以内;
   2、其次解决了电容的寿命问题,使用薄膜电容,可达到数千万次的充放次数;
   3、整机一体化设计,使得其占用的空间减少。

运用电容储能焊接技术解决大厚板的螺母凸焊问题

在汽车的底盘件经常有大至M12~M18的螺母,需要焊接到3mm、5mm,甚至8mm的钢板上,普通的交流焊机要用到500kVA以上,中频逆变焊机需要660kVA或880kVA的电流,而且还会有一定的螺纹变形,电网需求也较大。
   如果采用电容储能电阻凸焊机,电网需求和交流电阻焊机、逆变中频电阻焊机相比大大减少,其焊接过程中与外部电源处于切断状态,焊接质量有保障。

 发展焊接质量实时控制技术,为焊接过程的质量控制提供依据

电阻焊时间短到以毫秒来计算,过程复杂到与机械、冶金、材料、物理、锻压等都有关系的工艺,多年来大量的焊接工作者都在想办法,希望可以找到一个有效的方法来控制电阻焊接质量,遗憾的是至今为止绝大多数的人都在使用破损的方式检验。
   通常一个合格的焊点取得,首要条件是如何通过工艺及设备的手段来保证在合适的时间里,焊点处能得到熔化焊核所需要的能量,理论上,通过计算或实验就可以取得这些参数,也就是亨龙现在的做法,由工艺人员确定焊接规范输入设备,但是,现实往往是不理想,因为工件的表面状况是有差异的——油污、贴合面,设备的随动机构,焊接过程是否有飞溅,焊后焊核的组织状况处理,电极表面状况,焊接过程的压力变化,电极位置变化量,焊接过程电网的波动等,都是影响焊接质量的因素,控制电阻焊接质量需要全面考虑各方面的因素。
   这就产生了—— SPC 实时电阻焊接质量控制系统
   电阻焊质量与焊接电流设定值、焊接电流的偏差值,焊接过程的电网电压波动值,焊接过程的压力设定值,焊接过程的压力波动值,焊核的压陷值,压陷速度,有无飞溅 ,工件表面状况(如油污、贴合度、塑性变形系数)等有着很大的关系,通过将这些要素量化并采集起来,进行分析。
   SPC 实时电阻焊接质量控制系统,就是基于上面这个分析,运用统计学的分析方法,将这些对焊接质量有影响的因数量化,通过一个数学模型,运用统计学原理,计算出CPK 值,并以该值来作为判断依据。

采用一切可能的办法减少飞溅

电阻点焊飞溅不仅会影响焊接质量,而且会危害焊工及其周边的人员安全,如何有效防止点焊飞溅已成行业的关注重点。
   飞溅分为前飞溅和后飞溅,前飞溅就是当工件表面不洁或贴合不好,在恒流模式控制下局部电流密度过大,导致局部瞬间熔化,而压力系统的随动性又不能满足要求时就会产生前飞溅;后飞溅就是由于规范过大,引起熔核过度长大,超出电极压力的有效作用范围,熔核冲破塑性环形成飞溅,在工件的结合面间压力薄弱的地方冲出形成内飞溅,或在电极和工件的接触面间过度熔化形成外飞溅。
   由此可见,要想有效控制飞溅,首要的是要先将焊钳的电极压力提高并将焊钳的整体刚性提高,并使得焊接过程的电极臂不易变形,最大限度使得工件表面更贴合,同时还要使得动电极臂的随动性好,使得压溃过程中熔融的金属能更好地处于电极的压力下,避免飞溅。
   其次,要在控制上想办法,如采用混合功率控制模式减少前期飞溅的可能性,或采用动态电阻分析方法扑捉飞溅产生的时机。
   因此通过特制焊接气缸,从硬件上保证了焊核形成过程中的压力需求,在焊接过程,由于在焊核的形成过程中,如果电极不能很好的随动,电极压力不能和焊接电流很好对应,或者压力大时,电极变形太大,飞溅也由此产生,我们的焊钳为此设计了较大的焊接气缸(大至3.2吨),同时特制电极臂,刚性好,并增加了随动机构。

动态电阻分析方法扑捉飞溅产生的时机

动态电阻分析方法扑捉飞溅产生的时机是通过检测焊接过程的电阻变化,认为正常不飞溅时在焊接过程中电阻变化曲线应该是平滑的,如果有波动就是有飞溅,同时认为前飞溅是电流过大,后飞溅是时间过长,通过自适应控制器分别调节电流和时间来减少飞溅,控制过程较为复杂,需要标定标准焊接参数和测定动态电阻最大电阻值以及产生飞溅的条件进行优化。

采用混合功率模式减少飞溅

目前的控制器大都是使用恒流模式,要得到合格的焊核,工艺员首先是选用合适的电极,通过工艺试验,得出合理的规范参数去匹配所需要焊接的工件,理想状态可以设定到没有飞溅,但是实际焊接过程存在很大不确定因素:电网电压波动、气压波动、工件的贴合及摆放位置、电极的磨损、表面油污、电极变形量等,这些都是导致飞溅的主要原因,尤其是工件贴合不好时,局部电阻很大,而电流恒定,极易在局部瞬间过度熔化,而电极随动有不能满足要求就会产生飞溅。
    针对恒流模式的缺点,我们的802中频控制器具备占空比和恒流混合模式,占空比和恒流混合模式即开始焊接时采用占空比控制模式即固定输入功率,当开始焊接时,根据P=I2R,如果接触面不贴合,接触电阻R将较大,而P是恒定的,这时焊接电流I自然就小了,待被焊工件达到较好的贴合,之后再用恒流模式。避免了如果一开始就用恒流模式,当工件表面贴合不好时,这可能会在某些很小的接触面内瞬间产生极大的热量,形成飞溅。

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