纸质出版日期： 2024-03-25
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针对车门翼板高强度双相钢机器人点焊中因为电极压力控制不当而出现的压痕、变形和扭曲等缺陷，分析电极压力对点焊质量的影响。采用ANSYS数值模拟软件比较分析不同电极压力下板材等效压力变化情况，分析结果显示，相较于电极压力为4 000 N，电极压力为3 000 N时，焊点等效压力波动较小，塑性变形也相对较小。针对车门翼板点焊，确定了合理的点焊电极压力为3 300 N，并设计了分阶段控制曲线，通过FANUC点焊控制系统对电极压力进行实时监测和补偿，有效控制了电极压力的波动。此外，利用均压平衡宏程序，可以根据板材形状变化和电极磨损等因素实时调整电极压力。试验结果表明，采用均压平衡控制后，电极压力波动控制在±5%以内，焊点表面压痕深度减少约20%，焊点质量明显提升。
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Aiming at the defects such as indentation, deformation and distortion caused by improper control of electrode pressure in spot welding of high-strength biphase steel of door wing plate, the influence of electrode pressure on spot welding quality was analyzed. ANSYS numerical simulation software is used to compare and analyze the equivalent pressure changes of the plate under different electrode pressures. The analysis results show that compared with the electrode pressure of 4000N, the equivalent pressure of the solder joint fluctuates less and the plastic deformation is relatively small when the electrode pressure is 3000N. For the spot welding of the door wing plate, the reasonable spot welding electrode pressure is determined to be 3300N, and the phased control curve is designed. The FANUC spot welding control system is used to monitor and compensate the electrode pressure in real time, and the fluctuation of the electrode pressure is effectively controlled. In addition, the pressure of the electrode can be adjusted in real time according to factors such as plate shape change and electrode wear with the use of the pressure equalization macro.The experimental results show that the electrode pressure fluctuation is controlled within ±5%, the indentation depth on the surface of the solder joint is reduced by about 20%, and the quality of the solder joint is obviously improved after using the equal-pressure balance control.
译
为适应汽车制造行业的轻量化趋势和快速生产节奏，以热镀锌双相高强钢为典型代表的先进高强钢已成为汽车制造中应用广泛的轻量化材料之一。其中常见的DP600双相高强钢经过相变强化，具有屈强比低、无屈服延伸、应变强化指数高、碰撞性能良好等优点，因此在汽车点焊连接成形的覆盖件中得到了广泛应用。但同时DP600双相钢的高强度性能使其塑性温度区间变窄，可供选择的焊接工艺范围也随之变窄，需要对伺服焊枪的电极压力、电流、时间等工艺参数进行精准设计，并对点焊循环各阶段的压力曲线变化进行及时诊断和补偿。
译
使用1.0 mm厚度的DP600双相钢高强钢轿车车门翼板的点焊成形如
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图1 汽车车门翼板组件和机器人点焊工作站
Fig.1 Assembly drawing of automobile door fender and robot spot welding workstation
（a）板材组件 （b）机器人点焊工作站
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低精图本文采用ANSYS有限元分析不同电极压力下高强度双相钢接触压力情况，并通过FANUC机器人R-30iB点焊控制系统的电极压力诊断和均压平衡等功能，对点焊过程的电极压力进行精确控制，保证双相高强钢点焊质量和效率。
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焊接电流、焊接时间及电极压力是影响焊点质量的主要因素，其中电极压力大小影响接触电阻、电流密度、散热效果及板材的塑性变形［
译
电极焊接中熔核成形好坏是影响焊接质量的关键因素。点焊过程通过伺服焊枪电极施放电流及施加压力，利用瞬时电流通过电极头的接触面及邻近区域产生的电阻热和大量塑性变形能量，使车门翼板的二层板材表面金属原子相互之间形成熔核，再通过电极力锻压作用使熔核在压力持续作用下冷却结晶，生成足够数量、组织致密的共同晶粒而接合成焊点接头［
译
车门翼板使用的DP600双相高强钢中马氏体与铁素体界面上存在大量可动错位金属键，在电极和工件处在局部高温和较大的电极压力作用时，这些错位金属键容易被激活后迅速启动并发生滑移，使双相高强钢宏观上表现出屈服变形现象［
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图2 车门翼板虚焊缺陷
Fig.2 False welding defect diagram of door panel
（a）电极压力过大造成扭曲变形 （b）拐角部位的扭曲缺陷
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低精图机器人点焊过程中，熔核的形成是板材结合面上受到电极力锻压后，在形核区域生成足够数量的共同晶粒而接合成焊点接头。为了达到理想的效果，电极压力应使接触压力在形核区域内分布较为均匀，且在点焊循环过程中电极与工件接触压力尽量减少接触压力波动，以减少工件变形和压痕等缺陷。在点焊循环的持压阶段，如果在形核的接触区域边缘保持较高的压力，则能有效地防止飞溅和焊点失效缺陷［
译
采用鸿栢科技D86型中频直流电动伺服点焊机，对两块DP600双相钢高强钢板（δ1.0 mm）进行点焊。运用ANSYS有限元分析软件的workbench模块，分析锥形电极预压阶段的等效压力及持压阶段轴向应力，结果如
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图3 锥形电极预压阶段的等效压力及轴向应力分布
Fig.3 Equivalent pressure and axial stress diagram of conical electrode during preloading
（a）预压阶段的等效应力 （b）与板材工件的轴向应力
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低精图运用ANSYS有限元数值模拟还可生成不同电极压力下的焊点等效压力模拟图表，
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低精图图4 电极压力为3 000 N、4 000 N时的等效压力变化
Fig.4 Equivalent pressure change chart of electrode pressure value
3 000 N， 4 000 N respectively
由于车门翼板板材形状复杂，焊钳的工作角度往往呈倾斜状态，焊点数量较多，各焊点之间的电极磨损情况差异，板材局部厚度变化和焊枪动作角度不同等原因，造成不同位置的实际电极压力与标定压力值偏离波动，容易使熔核内产生裂纹和缩孔等缺陷［
译
由于DP600双相高强钢车门翼板板材的塑性区间较窄，故需要更精细化的电极压力与较窄的塑性温度区间相适配。特别是使用中频伺服点焊机对轿车车门翼板进行连续焊点作业时，二层板厚度标定值为2.0 mm，焊点间距为15~25 mm；采用电极压力多级通电规范，分四级设定目标压力和达到此目标压力值的时间［
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低精图图5 各阶段电极压力设定和加压曲线
Fig.5 Electrode pressure setting and pressure curve control chart in each stage
伺服焊枪使用伺服马达配合减速齿轮驱动焊枪机械臂运动，实现焊枪的焊接动作和压力作用，其后在焊接循环不同阶段中，再根据压力诊断反馈结果按照补偿比率系数进行压力调整［
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SPOT［SD=2，EQ=#，P=8，t=2.0，S=12，ED=5］
译
其中SD是焊接前准备加压的初始距离为2 mm，P=8即为指定电极压力对应的工艺规范号，EQ=#指定在每个焊点加压前都执行均压平衡形式，#变量可根据焊枪种类、板材厚度和企业质量标准设定变量参数，减少因压力波动造成的点焊缺陷。ED参数指定了焊接结束后焊枪压力关闭的距离为5 mm。t指双层板材厚度为2.0 mm，S则为其他工艺规范的编号，默认值最大为99。
译
点焊过程的电极压力诊断和监测主要通过安装在焊枪电极的压力传感器实现，焊接过程中压力传感器进行在线实时诊断监控，再通过反馈闭环控制伺服电机瞬时动态改变电极压力［
译
图6 伺服焊枪电极压力诊断和诊断数据表
Fig.6 Servo welding torch electrode pressure diagnosis and diagnostic data sheet
（a）伺服焊枪压力诊断 （b）电极压力诊断数据表
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低精图在设置画面启动压力检查功能，即能够设定压力容差极限值，当压力超出设定的3 300 N时，示教器操作面板上会出现红色报警，以及“SYGN-415”超过压力检查容许极限报警，并启动均压平衡功能进行瞬时动态调整。
译
对于塑性温度区间较窄的高强度双相钢，生产中希望以更快的速度达到压力标定值，同时要求预压阶段精确控制点焊电极压力与板材软接触，并在持压阶段减少压力过冲和负过冲，达到焊接中电流生成的热量增长和电极压力增长达到同步的节奏。
译
在多个焊点连续作业过程中，车门翼板每个焊点的板材弯曲、倾斜或平整形状各不相同，焊枪自重随焊枪作业角度改变而不断变化，加之电极修磨频次不同会使电极几何形状变化，造成焊接循环过程电极压力偏离预设值现象［
译
| 序号 | 程序 | 程序释义 |
|---|---|---|
| 1 | UTOOL_NUM=1 | 选定工具坐标系； |
| 2 | UFRAME_NUM=0 | 选定用户坐标系； |
| 3 |
PAYLOAD［ | 选定有效载荷； |
| 4 | JP［Phome］30% FINE | 初始位置； |
| 5 |
J P［ | 中间过渡位置； |
| 6 |
J P［ | 作业接近点位置； |
| 7 |
LP［ | 开始第1个焊点焊接，并指定点焊初始距离、板厚等参数，其中EQ=#为均压平衡宏指令（EP=H、L、M……）； |
| 8 |
J P［ | 中间过渡位置 |
| 9 | 其他焊点程序；（省略） | |
|
· · · |
· · · |
· · · |
| 31 |
J P［ | 中间过渡位置； |
| 32 | J P［home］ 40% CNT100 | 回到初始位置； |
| 33 | END | 结束； |
| 序号 | 宏程序指令 | 宏程序释义 |
|---|---|---|
| 1 | VVID = x | 焊接ID |
| 2 | BU=C | 焊接前半开 |
| 3 | EP = H | 高均压平衡 |
| 4 | EP = M | 中均压平衡 |
| 5 | EP = L | 低均压平衡 |
| 6 | S = x | 焊接条件编号 |
| 7 | EP = x | 焊接前、后均压平衡数值指定（0~31） |
| 8 | BU=O | 焊接后全开 |
在第7段程序中指定了第一个焊点及其后焊点的工艺参数值，其中EQ=#是均压平衡宏指令，指定了在点焊循环过程四个阶段的不同均压平衡方式，如
译
图7 均压平衡宏程序参数设定
Fig.7 Equalizing pressure balance macro program parameter setting
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低精图R-30iB控制系统随时监测板材厚度、形状和电极头磨损情况变化，通过电极压力精准诊断补偿和均压平衡，控制电极压力增长速度使其对工件软接触，降低对工件的瞬时冲击力，减少过冲和负过冲两种趋势的发生。精准控制的伺服焊枪能使电极动作速度在接触到工件的瞬间，由高速调整到低速形成电极对工件的软接触，减少对板材表面的撞击变形，减轻电极压力过冲对板材造成的压痕和压力波动，是否使用电极压力均压平衡功能控制的两种效果比较如
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低精图图8 是否使用均压平衡功能的效果比较
Fig.8 Effect comparison in whether to use the pressure balance function
如
译
（1）DP600双相高强钢点焊循环中，电极压力不宜过大也不能太小，需要通过不同电极压力作用下的点焊热传导数值模拟结果对比分析选出合理压力值。
译
（2）车门翼板点焊过程中由于板材形状复杂、电极磨损等变化会造成电极压力与预设值偏离波动，需要通过对电极压力的瞬时诊断和均压平衡等功能，实现焊接循环过程的压力精准控制和均衡控制。
译
（3）通过均压平衡EQ=#宏程序，可以补偿和调整由于板材形状复杂、电极磨损和焊钳自重等原因造成的压力波动，稳定均衡点焊过程电极压力。
译
（4）电极压力与焊接电流相协调，确保热量增长与压力增长同步，有助于提高焊点质量。
译
此外，还可以通过FANUC机器人承载的电动伺服焊枪自重补偿、焊枪温度补偿和行程优化等功能来改善点焊质量。
译
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