本文闡述了中頻自適應焊接技術(shù)的原理，并與傳統的工頻交流焊接模式進(jìn)行了對比。中頻自適應焊接技術(shù)通過(guò)監測二次回路的電壓、電流，從而計算出電阻，并與一個(gè)合格的焊點(diǎn)電阻曲線(xiàn)（樣本曲線(xiàn)）進(jìn)行比較，根據電阻對比差異適時(shí)調整焊接電流及焊接時(shí)間來(lái)保證焊點(diǎn)質(zhì)量的穩定性，顛覆了傳統通過(guò)事后撕裂試驗獲得車(chē)身焊點(diǎn)質(zhì)量的控制方式。

通常每輛轎車(chē)白車(chē)身有4?000～5?000個(gè)焊點(diǎn)，因而點(diǎn)焊質(zhì)量與焊接效率對轎車(chē)的質(zhì)量與成本有著(zhù)重要影響。電阻點(diǎn)焊是汽車(chē)制造中最主要的焊接方法，可以完成車(chē)身90%以上的裝配工作量。目前，國內主流汽車(chē)廠(chǎng)不斷嘗試新型的焊接技術(shù)和設備來(lái)保證焊接質(zhì)量，總體可概況為3個(gè)轉變：從人工焊接向機器人自動(dòng)化焊接轉變;從采用工頻交流焊機向中頻直流焊機轉變;從采用氣動(dòng)焊鉗向伺服焊鉗轉變，力求保證焊接質(zhì)量的一致性和穩定性，提高車(chē)身焊接質(zhì)量。

車(chē)身焊點(diǎn)質(zhì)量從工藝角度一般用NQST(白車(chē)身焊點(diǎn)強度質(zhì)量水平)作為評價(jià)指標，歷來(lái)都是車(chē)身調試過(guò)程中的重點(diǎn)。就乘用車(chē)來(lái)說(shuō)，一般NQST指標為3‰，對應的不合格焊點(diǎn)應該控制在10個(gè)左右，對焊接控制要求很高，尤其是穩定性要求更高。實(shí)際焊接過(guò)程中，板件搭接、表面粗糙度、電極磨損、分流和板材差異等工況變化使車(chē)身NQST成為調試及生產(chǎn)過(guò)程中難以控制的不確定因素?，F有的技術(shù)方式從人工到機器人、從工頻交流氣動(dòng)到中頻直流伺服，都只是從事前焊接姿態(tài)的一致性和焊接參數穩定性去控制，過(guò)程中無(wú)法根據工況變化調整，難以滿(mǎn)足實(shí)際焊接需求，因而迫切需要一種能夠根據工況變化來(lái)自動(dòng)調整焊接參數的設備。中頻自適應焊接技術(shù)應時(shí)而生，成為后續點(diǎn)焊焊接技術(shù)發(fā)展的新方向。

中頻自適應焊接技術(shù)原理

1.電阻焊

電阻焊又稱(chēng)接觸焊，屬壓力焊范疇，是以電阻熱為能源的一類(lèi)焊接方法。電阻焊是使工件處在一定電極壓力作用下，利用電流通過(guò)工件時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化，從而實(shí)現連接的焊接方法。電阻焊一般包括點(diǎn)焊、縫焊、凸焊和對焊等。電阻焊原理如圖1所示，其中a、b和c代表不同焊接電流的溫度曲線(xiàn)，c曲線(xiàn)焊接電流可滿(mǎn)足焊接質(zhì)量要求。

電阻焊焊接過(guò)程中電流產(chǎn)生的熱量可用Q=I2Rt來(lái)計算，Q為電極間產(chǎn)生的熱量，焊接質(zhì)量可通過(guò)控制公式中的I、R和t來(lái)實(shí)現。其中，I為焊接電流、t為焊接時(shí)間，二者可以通過(guò)焊接控制器來(lái)設置。R為電阻，主要是板件本身的材料特性及加壓力決定，可表示為R=R1(材料本身電阻)+R2(工件接觸電阻)，材料確定后，R1保持不變，R2隨接觸壓力變化關(guān)系可表示為R2=KC/Fm，其中KC為與接觸材料、表面情況和接觸方式有關(guān)的系數，通常由實(shí)驗得出;F為接觸壓力;m為與接觸形式有關(guān)的系數，對點(diǎn)、線(xiàn)和面接觸分別取0.5、0.7和1。根據上述公式可以得出：Q=I2(R1+KC/Fm)t。

因此，焊接質(zhì)量的精確穩定控制可以通過(guò)對I、F和t的精確控制來(lái)實(shí)現。

2.中頻自適應焊接技術(shù)

自適應焊接技術(shù)也叫RAFT技術(shù)，即R(電阻)、A(自適應)、F(反饋)和T(技術(shù))。自適應焊接技術(shù)是一種新型焊接技術(shù)，可以為了最好的焊接質(zhì)量而實(shí)時(shí)調整焊接電流和時(shí)間，可以監測焊接過(guò)程并識別是否有偏離，監控焊接設備并識別是否存在問(wèn)題，同時(shí)可消除焊接產(chǎn)生的大量飛濺。它是通過(guò)檢測焊鉗二次回路的二次電流、電壓，在焊機中增加接觸反饋掃描并實(shí)時(shí)修正設備來(lái)實(shí)現此功能的。

如圖2所示，自適應技術(shù)原理從硬件上來(lái)看主要是在焊鉗上增加二次電流、電壓測量接口，通過(guò)傳感器電纜接入到焊機控制器，從而可以實(shí)施測量焊接過(guò)程焊鉗兩端U、I和R的變化，并通過(guò)軟件動(dòng)態(tài)模擬焊接全過(guò)程U、I和R曲線(xiàn)，從而顯示在外接PC機上，便于人們直觀(guān)了解焊接全過(guò)程的質(zhì)量。

從軟件來(lái)看主要分為以下3步：

(1)模板焊點(diǎn)采集 正常模式下進(jìn)行焊接，通過(guò)優(yōu)化焊接電流、時(shí)間和壓力，消除飛濺并且完全保證良好的焊接質(zhì)量。

(2)樣本曲線(xiàn)建立 通過(guò)記錄一個(gè)或多個(gè)模板焊點(diǎn)焊接過(guò)程UIR曲線(xiàn)，擬合曲線(xiàn)平均值作為以后焊接的參考樣本。

(3)自適應焊接調整 打開(kāi)設備UI調整功能并設定監控限值，焊接過(guò)程中監控實(shí)際焊接UIR曲線(xiàn)，并與樣本曲線(xiàn)進(jìn)行適時(shí)對比，動(dòng)態(tài)調整焊接電流和焊接時(shí)間，確保焊接過(guò)程的穩定性。

中頻自適應焊接技術(shù)應用優(yōu)勢

中頻自適應焊接技術(shù)可根據焊接環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調整焊接參數，提高焊接質(zhì)量，保證焊接精度及穩定性，動(dòng)態(tài)UIR曲線(xiàn)監控焊接過(guò)程質(zhì)量，消除焊接飛濺，降低使用成本，節能降耗，應用優(yōu)勢明顯。

1.焊接能力

中頻自適應焊接能力強主要體現在以下兩個(gè)方面：對鍍鋅板、鍍鋁板、熱成形板(表面帶黑色氧化物)、With Sealer(密封膠)等各種板件非直接搭接狀況的焊接能力，質(zhì)量穩定;對于不同板厚/超厚板的焊接、多層板(3～4)搭接或總板厚大于5?mm板件的焊接，一套規范可滿(mǎn)足焊接質(zhì)量。下面我們針對這兩方面，分別從板件膠焊、鍍鋅板焊接及板件組合變化來(lái)研究自適應焊接技術(shù)能力。

(1)膠焊能力

以1.5+1.5?mm普通板材搭接進(jìn)行膠焊實(shí)驗，在未涂點(diǎn)焊密封膠前焊接合格焊點(diǎn)作為樣本曲線(xiàn)，記錄其焊接參數。在板件間涂上點(diǎn)焊密封膠，采用未涂膠的焊接參數焊接70個(gè)試片，測量其焊點(diǎn)熔核直徑，5個(gè)試片一組取平均值，利用數值分析模擬焊點(diǎn)熔核直徑隨測試結果變化曲線(xiàn)如圖3所示。利用自適應焊接技術(shù)進(jìn)行膠焊，實(shí)驗焊點(diǎn)熔核合格，熔核直徑為5.78～8.02?mm，平均熔核直徑AVG=7.23?mm，STDEV=0.651?63?mm，質(zhì)量穩定可靠。

(2)鍍鋅板多組合變化焊接能力

選擇2～3層，板厚從1.5?mm(0.75+0.75?mm)到6?mm(2+2+2?mm)不同組合的鍍鋅板作為試驗對象，選擇最薄的0.75+0.75?mm板材作為樣本曲線(xiàn)，焊接質(zhì)量合格，作為樣本曲線(xiàn)下載到控制器中，并以此焊接參數進(jìn)行所選不同組合板材鍍鋅板的焊接，樣本曲線(xiàn)及組合變更后的實(shí)際自適應曲線(xiàn)如圖4所示。圖4a是樣本UIR曲線(xiàn)，其中紅線(xiàn)代表電流曲線(xiàn)I，藍線(xiàn)代表電壓曲線(xiàn)U，綠線(xiàn)代表電阻曲線(xiàn)R，選擇焊接壓力2.6?kN，可以看出其焊接電流為10?kA，焊接時(shí)間為300?ms;圖4b是2+2+2?mm鍍鋅板組合實(shí)際自適應UIR曲線(xiàn)，黑色是樣本電阻，其余紅藍綠曲線(xiàn)代表實(shí)際電流、電壓和電阻，可以看出由于板厚變大、實(shí)際監測電阻增加，自適應焊接曲線(xiàn)發(fā)生變化，焊接電流下降到8.2?kA，焊接時(shí)間延長(cháng)至570?ms，焊接質(zhì)量合格。

   本次試驗的板件組合共12種，每種組合焊接5次，總計60個(gè)試片組合，測量其焊點(diǎn)熔核直徑，每組5個(gè)試片取平均值，利用數值分析模擬焊點(diǎn)熔核直徑隨測試結果變化曲線(xiàn)如圖5所示。利用自適應焊接技術(shù)進(jìn)行鍍鋅板多組合焊接，實(shí)驗焊點(diǎn)熔核合格，熔核直徑為5.86～8.50?mm，平均熔核直徑AVG=6.44?mm，STDEV=0.87?mm，質(zhì)量穩定可靠。

2.環(huán)境撓動(dòng)適應能力

中頻自適應焊接技術(shù)具有很強的焊接環(huán)境撓動(dòng)適應能力，不同焊接環(huán)境變動(dòng)下都能夠得到可靠的焊接質(zhì)量，如焊接分流的影響、焊接壓力的變化、板件搭接不良、板厚板層變化、電極頭磨損、電極角度不垂直和不對中等。下面以電極頭磨損作為變化因素驗證自適應焊接技術(shù)環(huán)境適應能力。

選擇全新電極頭，驗證在電極頭不修磨時(shí)普通焊接技術(shù)與自適應焊接技術(shù)焊點(diǎn)質(zhì)量對電極磨損的適應能力。取130個(gè)1+1?mm的實(shí)驗試片，每5個(gè)一組，過(guò)程中開(kāi)合自適應焊接模塊分別進(jìn)行每組試片焊接，測量各實(shí)驗試片的焊點(diǎn)熔核直徑并取每組數據的平均值作為基礎數據，利用數值分析模擬焊點(diǎn)熔核直徑隨測試結果的變化曲線(xiàn)(見(jiàn)圖6)。圖6a是關(guān)閉自適應功能時(shí)普通恒流焊接技術(shù)焊點(diǎn)熔核隨電極磨損變化曲線(xiàn)，圖6b是開(kāi)啟自適應功能是自適應焊接技術(shù)焊點(diǎn)熔核隨電極磨損變化曲線(xiàn)，可以看出普通焊接技術(shù)在焊接第120點(diǎn)開(kāi)始焊點(diǎn)熔核過(guò)小出現假焊，繼續焊接不能形成熔核，自適應焊接技術(shù)熔核穩定，質(zhì)量全部合格。

3.焊接質(zhì)量過(guò)程控制能力

中頻自適應焊接技術(shù)還可以通過(guò)對各種基本焊接參數值進(jìn)行公差帶的設定，對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，可監控的基本參數包括電流、導通角、電極電壓、電阻、焊接時(shí)間和熱量。博士力士樂(lè )的中頻自適應焊接控制器具備質(zhì)量過(guò)程控制能力，分別用兩個(gè)參數來(lái)概括焊接過(guò)程的參數變化：用PSF來(lái)表示焊接工藝穩定性參數，用UIP來(lái)表示實(shí)際焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的參數。

(1)PSF監控

PSF值反應實(shí)際焊接曲線(xiàn)與標準樣本曲線(xiàn)差異大小，其基準值為100%，范圍為0～100%，和標準的樣本曲線(xiàn)差異越大則PSF值越低，因而可以通過(guò)監控實(shí)際焊接過(guò)程的PSF值來(lái)直觀(guān)地監控焊接工藝參數的穩定性。

在建立樣本曲線(xiàn)后，外部環(huán)境的變化往往引起實(shí)際UIR曲線(xiàn)的變化，如焊接壓力、裝配不良、板厚變化和板材涂層改變等，從而引起PSF值的變化。PSF值過(guò)低，代表焊接工藝穩定性差，實(shí)際焊接環(huán)境相對標準樣本數據采集環(huán)境差異大，此時(shí)需要優(yōu)化焊接參數，重新對該點(diǎn)建立樣本曲線(xiàn)，減少環(huán)境差異對工藝參數穩定性的影響。圖7所示為對工藝參數進(jìn)行優(yōu)化前后的PSF值，優(yōu)化前PSF值為75～100，差異較大;優(yōu)化后PSF為95～100，工藝參數穩定。

（2）UIP監控

UIP值反應實(shí)際焊接曲線(xiàn)與標準樣本曲線(xiàn)差異值大小，其基準值為100%，范圍為0～200%，如UIP有偏小的趨勢，表示焊接質(zhì)量的降低;UIP過(guò)低意味著(zhù)焊點(diǎn)熔核小;UIP過(guò)高也表示焊接質(zhì)量不佳，卻不一定是焊點(diǎn)熔核小，而是和焊點(diǎn)外形有關(guān)，最常見(jiàn)的是由于壓痕過(guò)深、焊點(diǎn)橢圓形、板材過(guò)厚或搭接間隙過(guò)大導致的焊接質(zhì)量不良，UIP過(guò)高意味著(zhù)焊點(diǎn)外形不佳。

外部環(huán)境的變化引起實(shí)際UIR曲線(xiàn)變化的同時(shí)，不僅引起了PSF值的變化，同時(shí)還導致了UIP值變化，此時(shí)需要對焊接參數進(jìn)行工藝優(yōu)化。圖8所示為對工藝參數進(jìn)行優(yōu)化前后的UIP值，優(yōu)化前UIP值為75～170，焊接質(zhì)量不穩定;優(yōu)化后UIP值為100～116，焊點(diǎn)質(zhì)量合格并且穩定。

4.節能降耗

中頻自適應焊接技術(shù)在節能降耗上也有一定的優(yōu)勢。相比于傳統工頻焊接，中頻自適應焊接能耗節省體現在以下幾個(gè)方面：

(1)中頻直流焊機，無(wú)回路感抗，功率因數提高，減少無(wú)功損耗。

(2)由于交流有過(guò)零轉換，其間會(huì )損失一定的能量。而直流電源持續加熱，能快速得到所需要的熱量。因此同樣板件組合形成合格熔核需要的焊接電流更小，從而節省單點(diǎn)能耗。

(3)現代車(chē)身制作技術(shù)中越來(lái)越廣泛地使用高強板、熱成形板、鍍鋅板、結構膠和點(diǎn)焊密封膠等來(lái)提高車(chē)身結構強度及防腐性能，傳統焊接缺少過(guò)程質(zhì)量控制，為保證NQST指標往往采用冗余焊接熱量的方法來(lái)確保焊接質(zhì)量，盲目加大電流和焊接時(shí)間的結果不僅浪費能源，也會(huì )導致焊接過(guò)程飛濺多，甚至產(chǎn)生不合格焊點(diǎn)，導致焊點(diǎn)能耗升高，不合格焊點(diǎn)還需要額外增加返修費用。

(4)中頻自適應焊接技術(shù)的焊接環(huán)境撓動(dòng)適應能力強，在電極頭磨損情況下，通過(guò)自適應調整UIR曲線(xiàn)可以很好地保證焊接質(zhì)量，避免頻繁修模電極頭，提高電極壽命，降低維護成本。

中頻自適應焊接技術(shù)通過(guò)監測二次回路的電壓和電流來(lái)計算電阻，并與一個(gè)合格的焊點(diǎn)電阻曲線(xiàn)(樣本曲線(xiàn))進(jìn)行比較，根據電阻對比差異實(shí)施調整焊接電流及焊接時(shí)間，來(lái)提高焊接質(zhì)量，保證焊接精度及穩定性。傳統的焊點(diǎn)質(zhì)量NQST指標只能通過(guò)事后進(jìn)行整車(chē)焊點(diǎn)撕裂實(shí)驗來(lái)統計，自適應焊接技術(shù)將焊點(diǎn)質(zhì)量控制從事后控制上升到事前過(guò)程控制，動(dòng)態(tài)UIR曲線(xiàn)監控焊接過(guò)程質(zhì)量，利用PSF、UIP值來(lái)直觀(guān)反映焊接工藝穩定性及焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的參數，并通過(guò)焊接參數優(yōu)化來(lái)提高焊點(diǎn)質(zhì)量穩定性，焊點(diǎn)NQST指標可達0%，焊點(diǎn)全部合格。中頻自適應焊接技術(shù)具有焊接能力、環(huán)境撓動(dòng)適應能力強以及焊接質(zhì)量過(guò)程可控等優(yōu)點(diǎn)，適應車(chē)身性能及輕量化趨勢發(fā)展要求，必將在國內外汽車(chē)行業(yè)得到廣泛的應用。