如何通过动态电阻曲线的自适应控制来优化焊接飞溅率

作者简介：朱尧明（1967-），江西人，高级焊接应用工程师，硕士，主要从事电阻点焊的自适应控制技术方面的研究，现就职于博世力士乐中国有限公司。摘要：本文通过在AudiB8前底板车身焊接应用实例，系统地阐述了博世力士乐的具有动态电阻自适应控制的中频电阻产品：PSI6100.352L1，是如何实现焊接飞溅率的优化过程的。关键词：焊接飞溅优化；动态电阻曲线；自适应质量控制；PSI6100.352L1Abstract:ThisarticleshowsanapplicationexampleoftheresistancespotweldingatthefrontbottomoftheAudiB8bodyshop,andsystematicallydescribestheapplicationruleofthedynamicresistanceadaptivecontrolasaproduct:PSI6100.352L1fromBoschRexroth.andhowtooptimizeweldingexpulsion.Keywords:weldingexpulsionoptimizing;dynamicresistancecurve;adaptivequalitycontrol;PSI6100.352L11前言传统的车身电阻点焊工艺，由于缺乏对飞溅产生的分析数据，一般对焊接飞溅率是无法控制的。博世力士乐公司推出的对焊接过程中的动态电阻曲线的数据记录技术，能很好地实现对飞溅率的优化。并在国内的一些新焊接工厂或新增的焊接生产线中，得到了成熟的应用，焊接飞溅率可优化控制在10%以下，包括手工悬挂电阻点焊和机器人自动焊接生产线。本文仅就博世力士乐的动态电阻自适应控制技术产品，在AudiB8前底板车身焊接应用实例，来系统说明如何实现焊接飞溅率的优化过程。2进行优化的原因当我们进入车身焊接车间，总会看到整个车间到处焊接飞溅四溢的现象，这是由于传统的恒流控制的焊接方法和工艺无法很好的消除和降低飞溅。特别是在现代车身制造技术中，为提高车身整体结构刚度，已经越来越广泛使用高强度钢板热成型高强钢；而为了提高车身的防腐蚀性能，大量使用镀锌钢板；为提高整车质量，大量采用多层钢板的焊接工艺，加上焊接板件间广泛使用各种密封或搭接胶等，以及逐渐应用铝合金钢板材料。就这些新材料和新工艺的应用，传统的焊接方法和工艺已经不能满足焊接的要求。传统的焊接方法和工艺，一方面不能可靠地进行合格焊点的焊接，另一方面，即使得到了合格的焊点质量，也会产生很多的焊接飞溅，车身焊接中出现的大飞溅，会增加车身焊接的返工成本。很多车身制造工厂，往往采用冗余焊接热量的方法来确保焊点质量，这样既浪费宝贵的能源，也会导致飞溅四溢现象的出现。飞溅在外表面，首先影响外观，其次，其产生的疤痕影响耐腐蚀及疲劳性能。内部飞溅的残迹有可能在运行时脱落，如进入管路（如油管）将造成堵塞等严重事故。现在，博世力士乐公司，专门针对以上来自新材料和新工艺的应用的挑战，提供了一种新的具有动态电阻自适应控制技术的中频电阻焊技术产品，以很好的解决以上问题，最终不仅能得到100%的合格焊点质量，还可以将车身的飞溅率降低到一定的水平，比如10%以下。而这是以往的车身焊接工艺无法实现的。3优化焊接飞溅率对焊接控制系统的硬件配置要求为了实现焊接过程中的焊点质量的飞溅率优化控制，一汽大众采用了博世力士乐的中频焊接控制器的型号为PSI6100.352L1，控制器安装于焊接控制柜内，并与焊接机器人控制柜实现了一种无缝组合的结构，如图1所示。HowtooptimizeWeldingExpulsionThroughAdaptiveControlofDynamicResistanceCurve博世力士乐（中国）有限公司朱尧明一汽大众汽车有限公司轿车一厂王东林107PROCESSAUTOMATION过程自动化PROCESSAUTOMATION过程自动化书籍.indd1152011/10/1412:04:54图1中频焊接控制柜图2焊点质量自适应控制器的配置与机器人控制柜的无缝对接图3PSQ6000焊点质量自适应控制模块焊接控制柜内的安装配置，如图2所示。焊接控制器与焊接机器人通过光缆为物理层媒质的INTERBUS通信方式，抗干扰。并安装有质量控制单元的模块，也就是焊点质量的自适应控制PSQ6000质量控制模块。本文论述的对焊点飞溅率的优化，也必须通过该模块才能实现。自适应质量控制模块的结构如图3所示。4实现焊接飞溅率优化所需的网络组成结构为了在线记录每个焊点的实时动态电阻曲线，监测焊接飞溅率的发生，焊接控制器要通过以太网与PC的BOS6000焊接软件的SQL数据库进行通信。具体网络连接架构如图4所示。图4焊接自动线的焊接控制系统的网络组成说明：本文论述的自动生成线，共连接了7台中频焊接控制柜5动态电阻曲线的自适应控制PSQ6000质量模块的电气原理要实现对焊接质量的飞溅率的优化，必须匹配动态电阻的自适应质量模块，该模块与焊钳的电气连接如图5所示。图5自适应控制模块与焊钳的电气接线方而整个焊接系统的电气连接如图6所示，可以看出，要利用自适应电阻焊接技术来优化焊接的飞溅率，除了要有焊接变压器的二次侧的电流的测量值之外，还需要对焊钳臂的实时焊接电压值进行测量，将该测量的实时电压值，接入PSQ6000具有32位CPU处理能力的自适应质量控制模块的端子X8A处，如图7所示。焊接控制器内部，通过测量获得实时的U和I，从而计算获得焊接实时的动态电阻曲线R(t)，一般在正常焊接时，如果得到合格质量的焊点，且没有飞溅发生，那么实际获得的动态电阻曲线是平滑的，没有大的电阻的突变，可以通过BOS6000软件设置在焊接过程中。如果动态电阻突然有一个比值的减少，例如瞬间减少4%，如图8所示。则焊接控制器将自动识别其有飞溅发生，并通过BOS6000软件，在用户108PROCESSAUTOMATION过程自动化书籍.indd1162011/10/1412:04:55的PC上，可以通过图形显示出来，如图9所示。从图中可以看出对于某个焊点对应的焊接程序34有三条动态电阻曲线，这三条动态电阻曲线显示出，在焊接过程中，该焊点都出现了飞溅，飞溅的发生时间在114ms左右。对于该焊点的焊接质量，我们就需要对其进行优化。图6具有自适应质量控制的焊接系统图7焊接电压的测量及其接线图8对焊接飞溅的参数设置为4%图9动态电阻曲线中飞溅的发生识别6导致飞溅产生的原因在电阻点焊场合，飞溅按产生时期可分为前期和后期两种。按产生部位可分为内飞溅（处于两焊件间）和外飞溅（焊件与电极接触侧）两种。前期飞溅产生的原因大致是：焊件表面清理不佳或接触面上压强分布严重不匀，造成局部电流密度过高引起早期熔化，此时因无塑性环保护必发生飞溅。特别在目前，在车身点焊中，广泛使用各种密封或搭接胶的场合，也容易出现早期的飞溅。防止前期飞溅的措施有：加强焊件清理质量，注意预压前的对中。有条件时可采用渐升电流或增加预热电流来减慢加热速度，避免早期熔化而引起飞溅。后期飞溅产生的原因是：熔化核心长大过度，超出电极压力有效作用范围，从而冲破塑性环在径向造成内飞溅，在轴向冲破板表面造成外飞溅。这种情况一般产生在电流较大、通电时间过长的场合。可用缩短通电时间及减小电流的方法来防止。7通过实时动态电阻曲线来对飞溅进行优化我们知道了飞溅产生的原因，也了解对于不同的飞溅应该如何去消除，但在实际焊接时，当出现了焊接飞溅，如果仅仅依靠人的经验判断去消除飞溅，而没有飞溅产生的原因及分析数据，这往往是不够的。博世力士乐的具有自适应质量控制模块的中频系列产品，正是解决了这一问题。通过记录焊接过程中的动态电阻曲线，当飞溅发生时，我们可以很容易判断是早期飞溅还是后期飞溅，对于不同的飞溅类型，我们就可以采取不同的工艺方法，来逐步对飞溅进行优化减少。例如图10的早期飞溅，经参数分析是焊点5的焊接电109PROCESSAUTOMATION过程自动化PROCESSAUTOMATION过程自动化书籍.indd1172011/10/1412:04:55流过大引起的；而图11的后期飞溅，经现场分析是焊点3的焊接时间过长引起的，对相应的焊点参数做适当的调整后，飞溅便可消除。图10早期飞溅的发生（在90ms处有飞溅）图11后期飞溅的发生（在579ms处有飞溅）8电阻点焊焊接飞溅优化的过程以下通过一个现场实例，即AUDIB8前地板总成OP05工位，R01焊接机器人的20个焊点的焊接质量及其对飞溅的优化，来说明如何通过博世力士乐的自适应质量控制模块来对焊接飞溅进行优化。8.1优化飞溅的前提条件对焊接机器人的焊钳进行精确的压力和电流标定工作，以确保焊接参数的有效准确性。8.2准备好焊件工位的焊点位置分布图以及焊点板材信息在调试过程中，通过BOS6000软件，记录到了有飞溅发生的动态电阻曲线，以及其焊点名和程序参数，为了判断实际发生飞溅的真正原因，需要及时对发生飞溅的焊点进行定位，并到焊点现场进行判断分析，故需要一张焊点的位置分布图。如图12所示，是OP05工位R01焊接机器人的20个焊点的位置图。图12OP05工位R01机器人的20个焊点位置图图1320个焊点的板材组合信息同时，在BOS6000软件中，需要导入该20个焊点的详细信息，例如：某个焊点的板材组合，每层板材的厚度，板材之间是否有胶等信息，在一个焊点出现飞溅后，这些信息就是我们进行下一步的优化行动的数据支持。8.3导入焊点的焊接参数将该20个焊点的标准焊接参数（由一汽大众提供），通过BOS6000软件导入到焊接控制器中，并将焊接控制器的PSQ菜单里的UIR功能参数，如图14所示进行设置。主要设定焊接时，开启焊接电压测量，并设置一个焊接飞溅的识别指标，图中设定为4%，即如果动态电阻曲线在瞬间有一个4%的下降，则认为该焊点发生了飞溅。该数值的设定，取决于车身工艺的要求，一般数值越小，对飞溅的控制更严格，同时飞溅的优化工作量和难度也会更高。110PROCESSAUTOMATION过程自动化书籍.indd1182011/10/1412:04:56图14UIR参数的一些设置图15博世力士乐部分板材的基本参数设置如果客户不能提供标准的焊接参数，则需要对每个焊点的板材进行分析，然后可以参考博世力士乐的经验焊接参数进行设置，博世力士乐对于中频自适应控制的标准基本参数见图15所示。8.4校准焊钳焊接每个焊点时的位置和姿态使用初步导入的参数，将焊接机器人工作置于手动模式，在手动模式下，让焊钳对该20个焊点，逐个进行一次焊接过程，以调整一些焊点的机器人焊钳的位置或姿态，并检查焊钳的两个电极臂是否对中（如果不对中，需要对焊钳电极臂进行调整），焊钳的水气路是否正常，特别是焊钳的冷却效果是否良好。因为这些外部因素也可能引起飞溅的发生。8.5在KSR模式下，记录每个焊点的动态电阻曲线以上准备工作完成后，便可以对每个焊点、每次焊接时的动态电阻曲线进行在线记录，如图16所示，BOS6000软件会自动对发生飞溅的焊接进行数据统计，例如在2011-3-02到2011-3-04，在对OP05工位的20个焊点进行了33个零件的焊接后，进行的焊接飞溅率的统计数据如图17所示，飞溅率都在60%以上，而一般工艺如果要求飞溅率控制在10%以下，则显然需要对该20个焊点进行合理的飞溅率优化过程。图16通过BOS6000软件进行动态电阻曲线的记录图17焊点初步优化之前的飞溅率数据8.6飞溅优化过程举例说明8.6.1焊接时间过长对飞溅的影响分析及其优化焊点BN-6490-L，在焊接电流时间为600ms时，动态电阻曲线如图18所示，从图中可以看出，飞溅的发生一般在550ms之后。该飞溅是属于后期飞溅，可将焊接时间从600ms减少到550ms后，再重新记录曲线，观察是否还有飞溅的发生，并使用超声波检查仪对该焊点的熔核大小进行检查，确保不会出现开焊或焊核小的情形。同样，对于焊点BG-5870-R，在焊接时间为600ms时，记录的33条曲线中，飞溅的发生最早的时间为561ms