汽车点焊工艺

汽车点焊工艺
摘要 (2)
第一章绪论 (3)
1.1研究背景及现实意义 (3)
1．2轿车车身铝合金点焊现状 (3)
第二章电阻点焊焊概述 (4)
2.1电阻点焊简介 (4)
2.2点焊方法分类 (5)
2.3电阻点焊的基本原理 (5)
2.3.1电阻点焊的基本过程 (5)
2．3．2焊接热的产出及影响因素 (7)
第三章点焊工艺参数选择 (8)
3.1 主要规范参数分析 (8)
3.1.1 .电极压力对点焊质量的影响 (8)
3.1.2 .通电电流对点焊质量的影响 (9)
3.1.3 通电时间对点焊质量的影响 (10)
3.2 焊接规范参数的确定原则 (11)
3.3 调整方法 (11)
第四章点焊质量保证与缺陷分析 (12)
4.1 点焊质量保证 (12)
4.1.1 焊点工艺设计的优化 (12)
4.1.2 电极 (12)
4.1.3 焊点的强度保证 (12)
4.1.4 焊点外观质量的保证 (13)
4.2 点焊接头主要缺陷产生的原因及预防措施 (13)
第五章点焊焊枪驱动控制 (14)
5.1 电动伺服焊枪应用现状 (14)
5．2 点焊焊枪气动力伺服系统的组成及特点 (15)
5．3 气动伺服系统的数学模型 (15)
毕业设计总结
参考文献
摘要
电阻点焊是一种被广泛应用的生产工艺，尤其被广泛应用于现代制造业及其它一些高科技产业与领域，如汽车制造、飞机制造及航空航天领域等。

点焊是现在汽车车身及其它部件的主要连接工艺方法，在汽车制造工业中发挥着不可替代的重要作用。

汽车车身点焊的连接质量决定了汽车的整体结构刚度和完整性，所以检测和保证点焊的连接质量具有重要的实际意义。

本文基于超声检测的基本原理，进行了汽车车身焊点连接质量的检测和评价研究。

在微型车车身装配焊接中，电阻焊占有相当重要的地位。

但是在焊接过程中所出现的缺陷给汽车装配带来一定的影响，这些问题如到了总装流水线上装配才发现，需要进行补焊、补漏、校正，变形，影响流水线的作业进度，因此消除焊接缺陷，对汽车装配具有重要意义。

通过深入分析点焊工艺过程,结合基于事例推理的特点,将点焊工艺事例属性划分为两类:事例特征Ⅰ和事例特征Ⅱ。

设计了相似点焊工艺事例的检索策略:在事例特征Ⅰ的约束下,以事例特征中Ⅱ所包含的材质的热物理性质和板厚作为检索相似事例的依据。

应用模糊推理的方法对检索到相应的相似事例库中所含有的工艺知识、规则进行提取、总结,进而指导对新的点焊工艺事例的求解,从而较好的解决了点焊工艺设计中基于事例推理时,难以建立合适的模型对检索到的相似事例进行修正的难点,使点焊工艺参数的智能求解过程更加符合领域专家的思维,过程更加灵活,具有开放性。

现代轿车的白车身都是通过冲压件焊接连接而成，焊接质量的好坏直接关系到车身的可靠性，因此研究车身焊点的质量非常重要。

锌钢板虽具有较好的抗腐蚀性能，但点焊过程中，与无镀层钢板相比，存在以下问题：先于钢板熔化的锌层形成锌环而分流，致使焊接电流密度减小；锌层表面烧损、粘连、污染电极而使电极寿命降低；锌层电阻率低，接触电阻小；容易产生焊接飞溅、裂纹、气孔或组织软化等缺陷。

对于生产企业来说，合理选择工艺参数则是控制焊点质量的最主要途径。

本文通过一种既能减少试验次数，又能获得可靠结果的多因素的优选方法——正交试验设计对点焊工艺参数进行优化，代替了传统的经验法，在确保试验结果可靠的基础上，提高了试验效率。

随着汽车工业飞速发展，电阻点焊己经成为轿车白车身装配的主要连接方法，因而点焊质量与焊接效率对轿车的质量与成本有着重要影响。

广阔的市场需求及严格的焊接质量要求对点焊质量控制提出了更高的要求，点焊的质量问题越来越多地受到关注。

由于点焊过程的复杂性，点焊质量的在线评估与质量控制一直是点焊技术领域中的难题。

针对这一问题，本文对汽车点焊过程的质量控制和评估方法进行了研究，重点研究了一种点焊质量的多变量综合监控技术，以保证焊点质量的稳定性，提高点焊合格率，从而达到降低生产成本和提高生产效率的日的。

第一章绪论
1.1研究背景及现实意义
电阻点焊是一种被广泛应用的制作金属板件连接装置的生产工艺，相对其它焊接方法，点焊的主要优点是高效、质量可靠、成本低、易操作、易实现焊接自动化，适用于大批量生产。

由于上述诸多优点，尤其被广泛应用于现代制造业及其它一些高科技产业与领域，如航空航天、汽车制造、能源、电子及轻工等领域，每年约占世界总焊接量的三分之一。

例如，一架（美国）飞机上有一百多万个点焊焊点。

点焊已经成为汽车制造工业中的主要连接工艺方法，在汽车制造工业中发挥着不可替代的重要作用[4-5]。

首先应用于车身焊装，如图1-1所示。

汽车车身焊装包括车身底板、侧围、车架、车顶、车门、车身总成等部分，在它的焊接过程中大量采用电阻点焊工艺。

例如，富康轿车白车身，属于无独立车架的承载式全焊接结构，是由20多个大总成、数百种薄板冲压件经焊接而成的复杂结构件；其焊接方法有电阻点焊、混合气体保护焊（MAG焊）、螺柱焊等，而主要采用电阻点焊模式，白车身上电阻焊焊点有3600多个[6]；上海大众“帕萨特”白车身上的焊点数达到5892点，三箱POLO车的整个车身共有3725个焊点，几乎遍及每一个总成[7]，因此保证点焊焊接质量成为汽车车身装配质量、控制车体误差的关键。

其次，点焊还应用于汽车零部件的生产，包括横梁总成车挡托架的装配点焊、燃油箱上固定件的点焊、滤清器点焊、液力变矩器平衡片点焊、汽车制动蹄点焊等。

虽然新的焊接方法的发展在汽车工业中逐步形成了规模，部分的取代了传统的电阻焊方法，用于汽车车身和零部件的装配焊接，但是电阻点焊在汽车制造中的主导地位在今后的一段时期内不会改变[8]，电阻点焊在汽车生产中的应用前景仍旧是非常广阔的。

中国的汽车工业已进入历史上少有的高速发展期，2004年汽车产量预计在500万辆以上，其中轿车将超过220万辆[8]。

点焊的完整性决定了汽车的整体结构刚度和完整性，故点焊的焊接质量直接关系到车身及汽车的质量；随着社会的发展，生活水平的提高，汽车向中高档方向发展，对焊装设备和焊接质量的要求都越来越高，而保证点焊的质量是提高汽车安全性能的方法之一；尤其是中国加入世界贸易组织的过渡期将要结束，汽车行业的竞争会更加激烈，我国的汽车工业面临巨大的挑战，提高产品质量是增强竞争力的有效途径，这同样需要保证汽车中几千个点焊焊点的连接质量。

随着新材料和新技术的不断出现以及应用领域的扩展，对点焊质量的要求也越来越高。

根据实际工作的需要，克服点焊的缺陷和不足成为当前点焊技术发展中的一个重要任务。

这些缺陷和不足的存在与否或多少直接关系到点焊的质量，而点焊质量直接关系到产品的质量。

因为利用点焊技术的生产的产品大多数是科技含量高、价格昂贵或作用至关重要的产品或零部件，所以必须要保证点焊的质量
1．2轿车车身铝合金点焊现状
汽车车身即白车身，是整个汽车零部件的载体，其制造质量的优劣对整车的质量起着决定性的作用引。

在汽车工业中，电阻点焊主要应用在车身底板、侧围、车架、车项、车门以及车身总成等部分的焊接装配中。

例如美国通用汽车公司车身底部、侧身、车项及龙门系统的焊接，日本三菱汽车公司车身底板、侧围及车身总成的焊接，德国福特汽车公司车身底板、侧围、车门及翼板的焊接等。

铝合金点焊时，应根据铝合金材料牌号及焊件厚度选用点焊机。

与电弧焊相比，电阻焊具有残余应力低、焊接变形小、焊接速度快、操作简便易掌握、产生的飞溅、烟尘及气体少等优点。

但由于铝合金上述的焊接特点使得其焊接工艺规范的选择较困难。

因此，铝及铝合金材料的焊接具有其特殊性，由于存在着氧化膜、接触电阻以及电极损耗等随机性对焊点质量的影响因素，所以在铝合金的点焊过程中容易产生飞溅、虚焊、脱焊等缺陷，使焊接工艺及设备的控制精度高、难度大。

在实际操作过程中，即使有经验的师傅严格按照工艺规程操作，点焊缺陷有时也难以避免。

目前，电阻焊机大量使用交流50Hz 的单相交流电源，其容量大、功率因数低。

发展三相低频电阻焊机、三相次级整流焊机(已在普通型点焊机、缝焊机、凸焊机中应用)和IGBT逆变电阻焊机，可以解决电网不平衡和提高功率因数的问题。

同时还可进一步节约电能，利于实现参数的微机控制，可更好地适用于焊接铝合金、不锈钢及其他难焊金属的焊接。

另外，还可进一步减轻设备质量。

汽车车身焊装线上的电阻点焊设备主要有以下几类：
a．悬挂式点焊机。

目前车身焊装生产线上的主要设备。

一个车身焊装车间一．般有200-300台悬挂式点焊机，用于车身的各个部位的装配点焊，特别焊接位置复杂多变的部件。

b．点焊机器人。

为了适应现代汽车产品多样化生产的需要，提高车身焊装生产线的自动化程度，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率，保证焊接质量，在现代化的车身焊接生产线上，采用点焊机器人代替笨重的悬挂式点焊机，以解放人的单调、重复、长时间的强体力劳动。

比如法国雷诺汽车公司与日本日产汽车公司都采用了全机器人的驾驶室焊装线。

驾驶室的装配、涂胶、点焊全部由机器人完成。

c．多点焊机。

其目的是为了提高生产效率，减小焊接变形。

在车身焊装生产线上，车身底板的点焊装配多采用多点焊机，例如德国的奥迪BMW的车身底板自动化焊装线。

点焊机器人和多点焊机在白车身生产线上所占的比例体现了该生产线的自动化程度。

例如，上海大众“帕萨特"车身焊装线上，共采用294台悬挂式点焊机，6l台点焊机器人；而德国大众“帕萨特"车身焊装线上，在总共有3594个电阻焊焊点中，仅有40点是通过手工焊接的，其余都是通过机器人或多点焊机焊接的。

d．现代点焊机器人。

通常由机器人本体操作机、点焊钳、控制器等几部分组成。

现代点焊机器人采用逆变一体式点焊钳，大大降低了机器人体积和质量，具有控制精度高、响应速度快、节能、焊接工艺性能好等显著优点。

近年来出现了伺服式点焊钳(枪)，采用新型电极驭动机构作伺服马达进行位置反馈。

当机器人运行时，机器人控制伺服钳作为其辅助轴之一，实现电极加压软接触和电极压力实时调节，在与焊接电流最佳配合后，消除飞溅，显著提高了点焊质量。

这种MOTOMAN点焊机器人已在日本、美国和欧洲获得应用。

而柔性化机器人或柔性化机器人焊接系统采用多种焊钳的自动快速更换技术，以适应焊装线的少批量多品种生产。

为集中管理和控制焊接质量，设计了自动化的焊接质量和产量控制系统，如机器人二维激光视觉系统、数字摄像控制系统、射线质量检测系统等。

而借助于CAE，CAM获取焊件构造、焊接条件和机器人机构等信息的新型离线示教机器人取代原再现式点焊机器人系统，来选定焊钳、配置机器人进行离线示教，示教时间短，焊接质量更稳定。

点焊机器人在国外汽车生产中的应用相当广泛，如美国通用汽车公司车身底部、侧部、车顶及车架龙门系统的焊接，同本三菱汽车公司底板、侧围及车身总成的焊接，德国福特汽车公司底板、侧围、车门及翼板的焊接，机器人焊点占焊点总数的80％'--90％。

近年来，国外许多汽车生产企业已将中频点焊机器人和伺服点焊机器人应用于轿车白车身装焊线。

尤其在欧洲，中频点焊机器人使用量已占4096，并扩大到铝合金轿车车身的点焊作业。

汽车制造的批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使机器人在汽车焊接生产中获得了大量应用。

我国的汽车制造业也紧跟发展的步伐，据2001年的统计，全国共有各类焊接机器人1040台，而汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76％，成为工业机器人的最主要用户。

东风商用车车身厂第六焊装车间总装线采用了6台点焊机器人，3台自动焊机。

一汽车身厂十万辆新品驾驶室主焊线采用了2l台点焊机器人，点焊自动化率达95％。

东风车身厂六万辆新品驾驶室总装线采用了10台点焊机器人，1台自动焊机，但是点焊自动化率仍不足60％。

而且在国内，点焊机器人上所配备的焊钳均为气动焊钳，焊接时冲击力较大。

还有由于工件的重复精度较差，电极处于凸缘边缘时，焊钳易滑出，严重时会损坏被焊工件。

另外，电极磨损量的监控反馈精度较差，影响焊接质量。

在国外，机器人用焊钳已逐步采用伺服焊钳，焊接时冲击小，并能实现精确控制，提高焊接质量、
第二章电阻点焊焊概述
2.1电阻点焊简介
电阻点焊是焊件在接头处接触面的个别点上被焊接起来。

点焊
要求金属要有较好的塑性。

如图1所示，为最简单的应用点焊的例
子。

图1 最简单点
焊焊接时，先把焊件表面清理干净，再把被焊的板料搭接装配好，压在两柱状铜电极之间，施加P 力压紧，如图2所示。

当通过足够大的电流时，在板的接触处产生大量的电阻热，将中心最热区域的金属很快加热至高塑性或熔化状态，形成一个透镜形的液态熔池。

继续保持压力P，断开电流，金属冷却后，
图2点焊过程
形成了一个焊点。

点焊由于焊点间有一定的间距，所以只用于没有密封性要求的薄板搭接结构和金属网、交叉钢筋结构件等的焊接。

如果把柱状电极换成圆盘状电极，电极紧压焊件并转动，焊件在圆盘状电极只间连续送进，再配合脉冲式通电。

就能形成一个连续并重叠的焊点，形成焊缝，这就是缝焊。

它主要用于有密封要求或接头强度要求较高的薄板搭接结构件的焊接，如油箱、水箱等
2.2点焊方法分类
对焊件馈电进行电焊时，应遵循下列原则:①尽t缩短二次回路长度及减小回路所包含的空间面积.以节省能耗;②尽t减少伸入二次回路的铁磁体体积，特别是避免在焊接不同焊点时伸入体积有较大的变化.以减小焊接电流的波动.保证各点质t衡定(在使用工频交流时)。

常见点焊方法有以下几种:
1.双面单点坏
所有的通用焊机均采用这个方案。

从焊件两侧馈电，适用于小型零件和大型琴件周边各焊点的焊接。

2. 单面单
当零件的一侧电极可达性很差或零件较大、二次回路过长时.可采用这个方案。

从焊件单侧馈电，需考虑另一侧加铜垫以减小分流并作为反作用力支点。

3.单面双点炸
从一侧馈电时尽可能同时焊两点.以提高生产率。

单面馈电往往存在无效分流现象，浪费电能，当点距过小时将无法焊接。

在某些场合，如设计允许，在上板二点之间冲一窄长缺口，可使分流电流大幅下降。

4.双面双点坏
此方案虽可在通用焊机上实施.但两点间电流难以均匀分配，较难保证两点质t一致。

由于采用推挽式馈电方式，使分流和上下板不均匀加热现象大为改善.而且焊点可布里在任意位里。

其唯一不足之处是须制作二个变压器.分别置于焊件两侧，这种方案亦称推挽式点焊。

两变压器的通电需按极性进行。

5.多点坏
当零件上焊点数较多.大规模生产时，常采用多点焊方案以提高生产率，特别是单面多点焊在生产中得到广泛应用，其方式较灵活.二次回路不受焊件尺寸牵制.在要求较高的情况下，亦可采用推挽式点焊方案。

目前一般采用一组变压器同时焊二或四点r后者有二组二次回路)。

一台多点焊机可由多个变压器组成。

可采用同时加压同时通电、同时加压分组通电和分组加压分组通电三种方案。

可根据生产率、电网容t来选择合适方案
2.3电阻点焊的基本原理
2.3.1电阻点焊的基本过程
焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方
法称为电阻点焊。

电阻点焊的焊接循环主要由由预压、焊接、维持和休止四个基本阶段组成必要时可增附加程序(图2-1)
(1)预压阶段—电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适当压力。

(2)焊接时间—焊接电流通过工件，产热形成熔核。

.亦可为渐升或阶跃上升。

在此期间焊件焊接区的温度分布经历复杂的变化后趋向稳定。

起初输入热盆大于散失热尹.温度上升，形成高温塑性状态的连接区，并使中心与大气隔绝.保证随后熔化的金属不氧化，而后在中心部位首先出现熔化区。

随粉加热的进行熔化区扩大，而其外围的塑性壳(在金相试片上呈环状故称塑性环)亦向外扩大.最后当输入热t与散失热，平衡时达到德定状态。

当焊接参数适当时，可获得尺寸波动小于15%的熔化核心。

在此期间可产生下列现象:
(l)液态金属的搅拌作用。

液态金属通电时受电磁力作用产生漩涡状流动.当把熔核视作地球状且电极端处为二极.其运动方向为—赤道部分由周围向球心流动，而后流经两极再沿外表向赤道呈封闭状流动。

对于同种金属点焊.搅拌仅需将焊件表、面的氧化膜搅碎即可，但异种金属点焊时.必须充分搅拌以获得均质的熔化核心。

如通电时间太短，搅拌不充分.将产生游涡状的非均质熔核。

(2)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。

防止前期飞溅的措施有:加强焊件清理质t，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:熔化核心长度过大，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。

飞溅在外表面首先影响外观，其次产生的疤痕影晌耐腐蚀及疲劳性能。

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。

(3)胡须在加热到半熔化温度的熔核边缘，当某些材料《如高温合金)中低熔点夹杂物较多聚集在晶界处时，这部分杂质首先熔化并在电极压力的作用下被挤出呈空隙。

在随后的过程中，空间有时能被液态金属充坡满，但亦可能未充坡满，这种组织形貌在金相试样上称为胡须，而未充坡满的胡须犹如裂纹，是一种危险缺陷。

(3)维持时间—切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。

(4)休止时间—电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。

为了改善焊接接头的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本循环:
(1)加大预压力以消除厚工件之间的间隙，使之紧密贴合。

(2)用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止飞溅;凸焊时这样做可以使多个凸点在通电焊接前与平板均匀接触，以保证各点加热的一致。

(3)加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹或缩孔。

(4)用回火或缓冷脉冲消除合金钢的淬火组织，提高接头的力学性能，或在不加大
锻压力的条件下，防止裂纹和缩孔。

2．3．2焊接热的产出及影响因素
点焊时产生的热量由下式决定： Q=12RtU)(2—1)
式中：Q一产生的热量(J)；I一焊接电流(A)；R一极问电阻(Q)；t一焊接时间(S)。

1．电阻R及影响R的因素
电极间电阻包括工件本身电阻民，两工件间接触电阻R，电极与工件间接触电阻k。

即： R=2R+R+28。

(2·2)如图2—2所示。

当工件和电极一定时，工件的电阻取决与它的电阻率。

因此，电阻率是被焊材料的重要性能。

电阻率高的金属其导电性差(如不锈钢)，电阻率低的金属其导电性好(如铝合会)。

因此，点焊不锈钢时产热易而散热难，点焊铝合金时产热难而散热易。

点焊时，前者可用较小电流(几千安培)，而后者就必须用很大电流(几万安培)。

电阻率不仅取决与金属种类，还与会属的热处理状态、加工方式及温度有关。

接触电阻存在的时问是短暂的，一般存在于焊接初期，由两方面原因形成：
(1)工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或脏物质层，会使电流遭到较大阻碍。

过厚的氧化物和脏物质层甚至会使电流不能导通。

(2)在表面十分洁净的条件下，由于表面的微观不平度，使工件只能在粗糙表面的局部形成接触点。

在接触点处形成电流线的收拢。

由于电流通路的缩小而增加了接触处的电阻。

电极与工件间的电阻％与R和风相比，由于铜合会的电阻率和硬度一般比工件低，因此很小，对熔核形成的影响更小，我们较少考虑它的影响。

2．焊接电流的影响
从公式(2-1)可见，电流对产热的影响是平方关系，比电阻和时间两者都大。

因此，在焊接过程中，它是一个必须严格控制的参数。

引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。

阻抗变化是因为回路的几何形状变化，或因在次级回路中引入了不同量的磁性金属。

3．焊接时间的影响
为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以相互补充。

为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间(强条件，又称硬规范)，也可采用小电流和长时『日J(弱条件，也称软规范)。

选用硬规范还是软规范，取决于会属的性能、厚度和所用焊机的功率。

对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时|’日J，都有一个上下限，使用时以此为准。

4．电极压力的影响
电极压力对两电极问总电阻R有明显的影响，随着电极压力的增大，R显著减小，10但电流增加而使产热递增的幅度并不大，解决的办法是在增大焊接压力的同时，增大焊接电流。

但电极压力过大，容易在焊接过程中将液态会属挤到熔核周围，反而使点焊质量降低。

5．电极形状及材料性能的影响。