伺服焊枪技术在高强钢电阻点焊质量控制中的应用.doc

伺服焊枪技术在高强钢电阻点焊质量控制中的应用 随着汽车轻量化与车身安全性要求的不断提高，以热镀锌双相高强钢为代表的先进高强钢（Advanced High Strength Steels, AHSS），以其强度高、成型性能好、能量吸收率高、初始加工硬化速率高和防撞凹性能好等综合优势，迅速发展为汽车制造中应用前景最为看好的轻量化材料之一。2005年先进高强钢在汽车工业用钢中的比例为12%，预计2015年这一比例将增至50%。 随着高强度钢板等轻量化材料在车身中的广泛应用，在生产条件相对恶劣的汽车装配生产线上，点焊接头质量的不稳定及其检测评价标准有待制定的问题日益突出。由于高效率、低成本的电阻点焊技术在车身装配过程中的占比相当大，先进高强度钢板的点焊质量问题已受到国内外研究学者的密切关注。 相比传统普通低碳钢板，由于先进高强度钢的特殊物理化学属性，其焊接工艺性能较难控制，焊接窗口狭窄、电极磨损剧烈、飞溅严重等问题相对突出，通常需要更高的焊接电流、电极力与焊接时间。然而，电阻点焊是一个多变量耦合的高度非线性过程，点焊的形核处于封闭状态，与此同时，对点焊过程有影响且在焊接期间难以检测的偶然因素较多，使焊点质量评价参数（熔核尺寸、焊点强度等）无论在焊接期间还是焊后都无法直接观测。 先进高强钢在车身中的应用现状 目前，全球各类轿车的平均重量在1.2~1.4吨之间，若能全部应用先进高强钢，大约可减重15~20%。在著名的超轻钢车体计划ULSAB（Ultra Light Steel Auto Body）中，通过大量使用先进高强钢，在不增加成本的前提下大幅提高了车身强度，静态弯曲刚度增加52%，静态扭转刚度增加80%，特别是车重减轻25%，且不需要增加补强部件。 在另一个轻量化项目PNGV（Partner Ship for a New Generation of Vehicles）中，车身质量减少了40%，平均每百公里油耗可由9L降至3L。在超轻车体中，双相钢（DP）占了车体总质量的74.3%，总计162.25kg。 在日本，2000年汽车双相钢用量是1996年的20倍，2003年双相钢已占用钢总量的45%以上，预计到2008年可达60%。 先进高强钢电阻点焊质量问题 如图1，电阻点焊由预压、通电加热、维持、休止等阶段组成，两层或多层薄板金属在电极力作用下靠一对电极被挤压在一起，当可控硅（SCR）触发导通时，电流流过薄板金属并产生大量的焦耳热。 由于薄板与薄板之间结合面的电阻在焊接开始阶段相当高，热量集中在结合面周围。当结合面的温度高于金属的熔点时，熔核在结合面形成并长大。电流切断后，熔核开始冷却、固化，形成一个固体接头。 先进高强钢中碳与微量元素的含量低，一般不产生淬火组织或夹杂物，由于双相钢的高强度性能使塑性温度区间变窄，为获得同样的塑性变形需要较大的电极压力，这导致合适的焊接工艺范围变窄。 而且，由于钢板内部组织特性，电阻点焊过程中焊点内部冷却速度的不均会产生气孔等缺陷，从而导致焊点熔核区强度低于母材强度，出现焊点熔核界面的断裂。其次，生产中双相钢点焊常采用强规范，电极磨损因此加快，还容易发生飞溅和压痕过深，造成焊接质量的不稳定。 点焊质量问题主要表现如下： 1、焊点熔核断裂 点焊接头断裂形式是评价焊点质量的标准之一。在车身广泛采用的破坏性点焊质量检验中，焊点接头可能从熔核上剪断，即熔核断裂；也可能从焊点四周破断为“纽扣”状，即母材断裂，如图2所示。 发生熔核断裂的焊点十字拉伸强度将下降约10%，而焊点低周疲劳寿命将下降约25%。发生母材断裂的焊点能够承载较大载荷，熔核尺寸能满足接头强度要求。 按照焊点质量等级评定要求，一级标准要求每批撕破试片中，应有95%的焊点呈钮扣状撕破，其余5%的焊点可在贴合面熔化区撕开，但熔化区尺寸至少是“钮扣”平均尺寸的80%。在高强度钢电阻点焊过程中，熔核界面断裂问题给传统焊点质量破坏性检测方法提出了技术挑战。 2、焊接工艺窗口狭窄，鲁棒性差 由于焊接通电在很短时间内完成，需要用大电流并施加压力，不同焊接工艺参数的组合将影响焊接中的能量输入和分配、局部热积累速度、热量分布、焊接温度场，进而影响点焊熔核的形成。 图3中对几种不同金属薄板的焊接工艺窗口进行了对比，能够看出高强钢板的点焊工艺窗口相对狭窄很多，表明高强钢的点焊过程鲁棒性较差，可焊性不好，同时焊接过程的飞溅相比低碳钢板也严重得多。 3、电极磨损严重 点焊电极在工作时要承受相当大的焊接电流和电极力。由于电极工作表面直接接触焊点，承受焊接所产生的高温，电极压力在常温下对铜合金电极的影响还不太大，但在870K以上时，就会达到或超过某些电极铜合金在该温度下的屈服强度，引起电极工作面的迅速变形和压馈，使电极头部严重变形而无法工作。