电极修磨让点焊更完美

电极修磨让点焊更完美

发布日期：2011-11-07 来源：现代焊接杂志2011第11期作者：草野宏浏览次数：3423 本文综述焊接时电极面的变化，刀片选择的策略，使用电极端部修磨器的优点和未来方法。

车身制造的关键一环是电阻焊接，包括螺栓、螺母、点焊以及螺柱焊接。车身结构的质量和可靠性取决于成千上百处车身点焊。

现代技术进步的焦点是采用更好的材料提高车身抗锈蚀性，并且让车身变得更轻更强。因此，过去20年间对于薄镀层钢材的需求一直稳步上升。近期，对于具有防锈涂层的高张力材料的需求也不断增长。尽管这些材料在不断改进，但是点焊工艺还是不断有很多新的技术性障碍产生。

本文并不作关于新型材料焊接技术的介绍，而是试图通过解释使用新型材料进行焊接时对电极管理的变化，以取得更好的点焊质量。

电极面变化的原因

在电阻焊接工艺中，两个铜电极下压，并在待焊钢材之间产生焦耳热，在此过程中就会产生一个让钢材粘在一起的点焊熔核。

对于镀锌钢板，镀锌层在焊接时发生融化，渗入电极，在电极面堆积。在电阻焊接工艺中，由于高温高压，一层 Cu5Zn8（铜锌）合金层将会堆积在电极上。

多次堆积后，电极将被堆积层覆盖，最终损坏电极，甚至可能引起电极断裂。有些合金层会从电极上剥落，粘在金属板上，因而造成车身表面缺陷。尽管合金层会掉落一部分，但是大部分仍然粘在电极面上，导致通过的电流减小，使得焊接条件变差, 甚至形成冷焊。因此必须采取一些措施清洁电极面, 保持良好的焊接条件。

除了镀锌材料堆积的问题，电极形状、冷却条件、钢材、涂层以及焊枪都可能引起电极变形或断裂。升高电流的方法对电极不利，因为更大的电流会使电极帽端部变软，促使镀锌材料在电极上扩散更多，导致电极面上堆积物更厚。

电极面分析

分析电极合金层需要使用以下设备：

·电极：铜铬锆材质，电极帽直径16mm（凹形帽）

·机器人：150kg

·焊枪：C型枪

·钢材：镀锌材料（厚度t=1.0mm，t=1.2mm）

·焊接技术要求：达到最佳焊接质量

·点焊时长：100，300，400，500

熔化的锌和钢渗透在电极帽端部表面，形成合金层。合金层成分约为铁79%，锌13%，铜6%，铬0.8%，铝0.8%。

实验结果

如图1所示，随着焊接次数增加，合金层尺寸稳步扩大。合金层大小与焊接次数有直接联系。此外，实验表明，随着焊接次数的增加，合金层会使电极面凹陷。根据疲劳试验，随着焊接次数增加，熔核会不断变得椭圆，最终导致焊接不良或冷焊。

如图2所示，黑线表示没有镀层的钢板，红线代表镀锌钢板。黑色的虚线代表焊接时的标准熔核大小。虚线以上代表好的熔核/焊缝，反之虚线以下代表不良的熔核/焊缝。当焊接次数增加，未镀钢板还是处于基准线以上，而镀锌钢材的焊接质量则随着焊接次数的增加而下降。如图2所示，在没有电极端部修磨的情况下，焊接次数达到1800次（厚度 t=1.2mm的钢板）是保证焊接良好的极限值。因此，在焊接次数达到上限1800次之前，必须清洁合金层。

电极端部修磨器简介

电极修磨器有多种，本文主要介绍嵌入式汽车电动电极修磨。该装置主要用于研磨由机器人程序操作的电极面——见图3。

一套端部修磨器由齿轮马达、浮体单元、夹具、切割刀片、机座和开关箱（电源）构成。其它的可选配件还有鼓风机、碎片收集器、端部校验装置以及转速感应器。

端部修磨的详细说明

电极修磨的最大作用是通过研磨电极面，清理镀锌钢材焊接过程中堆积在电极面上的合金层，还原电极面形状，从而延长电极使用寿命——见图4 和图5。这是目前最有效最便捷的电极管理方案。电阻焊焊接的质量和经济效益均取决于电极使用寿命能否延长。

修磨时间和工作量

修磨时长和工作量由扭矩、修磨单元的单位转速（转/分）以及切割刀片决定。图6表示的是单位时间（1s）的研磨工作量与焊枪压力之间的关系。而端部修磨的最佳工作环境则取决于钢板厚度、焊接次数、电流、周期和电极材质。端部修磨的最佳条件则要根据堆积合金层的最坏情况来调整。有些汽车制造商采用的是按周期进行修磨，即每个周期（约焊接25次）后都对电极进行修磨。如果采用这种方法，由于焊接次数很少，合金层堆积不多，厂商每次只需要对电极研磨0.3~0.5s。

这种修磨方法不仅可以保持焊接的高质量，还可延长电极和刀片的使用寿命。由于修磨时间短，采用这种方法每次研磨掉的堆积层仅为百分之一毫米。将周期性修磨和完全不修（加大电流）两种情况进行比较，必然注意第一次焊接和最后一次焊接的区别。

如果焊接后不采用电极修磨，第一次焊接情况良好，但是焊接400次后质量明显下降，并且还会不断恶化。而如果采用电极修磨进行周期性修复，第一次焊接的质量和第400次焊接的质量相差无几。由于电极面保持了初始形状和洁净度，因此焊接质量可以一直保持下去。这样就无须使用过大的变压器, 节省了时间和成本。

刀片选择的重要性

电极的形状和大小各不相同，因此，要根据不同的电极设计不同的刀片，如图7所示。刀片也有多种变化，包括单叶、双叶、四叶和逆向刀片。它们也可用不同的材料如高速钢或硬质合金钢。

如果厂商使用的刀片与电极不匹配，电极面可能变成图8那样（不包括第一张图片）。

电极端部修磨指南

下面介绍的是关于电极端面修磨的有用信息, 包括焊接次数、最佳修磨环境、焊接参数、刀片寿命、校验装置、碎片/刨花管理等。

两次修磨间隔期内的焊接次数

两次修磨间隔期内的焊接次数取决于焊接参数和钢材类型。比如，如果钢板厚度为1.0mm，那么两次修磨之间的最大焊接次数为400次。

最佳修磨环境

影响电极端部修磨的环境因素有刀片形状、电极修磨的转速（转/分）、焊枪压力以及修磨时间。电极修磨的目标值是修磨1秒钟磨掉0.1mm的堆积层，所以要选择正确的刀片形状、转速、枪压、修磨时间。如果效果不稳定，建议向电极修磨器制造商咨询，确定适合您的项目的最佳修磨环境。

焊接参数

有些使用提升程序（电流增加2%~5%）的用户没有配备电极修磨。其实有了电极修磨，就没必要增加电流了。

电极端部的修磨次数

修磨次数取决于电极端部的修磨参数。用户可以对每个电极帽修磨50~100次（主要根据焊接条件, 包括焊枪、电极形状和修磨时间等）。

刀片寿命

由于受到多种焊接参数，如焊枪类型、材质、枪压、修磨时间等的影响，刀片寿命长短不易把握。但是有两个办法可以确定这一因素。首先，定期更换刀片。比如，有些用户根据经验判断出一叶刀片的最短使用寿命，到了最短使用寿命期限就进行更换。第二种方法是使用一种焊接面校验工具。进行校验后，用户就能知道刀片是否对电极进行了合理研磨。如果研磨效果不良，则提醒用户需要换刀片了。过去几年间，由于刀片设计中不断引进新材料和新技术，刀片寿命已经得到稳步延长。

校验装置

过去几年中不断把新技术引进到电极修磨工艺中。其中一项新产品就是转速感应器。转速感应器可以帮助用户确定修磨装置马达的转动。还有一项就是电极校验装置，它让用户了解是否取得了良好的修磨效果。