天津市金桥焊材集团有限公司

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电极修磨让点焊更完美

编辑:天津市金桥焊材集团有限公司  时间:2012/05/18  字号:
摘要:电极修磨让点焊更完美
    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。
    碎片/刨花管理
    在过去几年中,社会上掀起了环保高潮,汽车制造商也顺应大流。过去,制造商们使用的是吹风机,结果铜屑在制造车间里被吹得到处飞。现在,很多制造商开始使用将碎片/刨花集中收集在回收器具的碎片管理装置中。这样既可以保证工厂车间的清洁,还能回收铜屑响应生态号召。
    使用电极端部修磨器的优点
    以下是关于电极端部修磨的各种不同因素明细情况,包括成本分析、电极帽费用、飞溅缩减效益。
    不采用电极端部修磨的成本分析
    ·焊接机器人台数:50台
    ·手工更换电极帽时间:3分钟/台(机器人)
    ·单位时间成本:$0.80/分钟
    ·电极头更换间隔期内的最大焊接次数:1000次
    ·电极帽成本:$0.50/颗
    ·电极帽耗费率:4000颗/月
    ·电极帽手工更换频率(次/月/台(机器人):4000次(4000次/50台/2个月)
    ·电极头更换成本:$57,600 (40次×3分钟×$0.80 /分钟×50台×12个月)
    使用电极端部修磨的成本分析
    ·电极修磨频率:焊接200次修磨一次
    ·单位电极帽修磨次数:40次/颗
    ·单位电极帽焊接次数:8000次/颗(焊接200 次×修磨40次)
    ·电极头月耗费率:500颗/月(根据以上计算, 使用电极修磨可以使电极帽寿命延长8倍)
    ·电极头更换频率(次/月/台(机器人):500 次/5台/2个月=5次/台
    ·电极头更换成本:$7200(5 次× 3 分钟×$0.80 /分钟×50台×12个月)
    ·成本分析结果:节省成本$50,400
    电极帽成本
    ·4000-500=3500,3500颗× $0.50 = $1750× 12 months = $21,000
    ·成本分析结果:节省成本 $21,000
    根据以上分析,我们可以得出使用电极修磨可以年省成本$71,400,月省$5950的结论。
    减少飞溅
    由于不用增加电流,电极端部修磨可以减少飞溅。如果制造商不进行电极端部修磨,就必须多次提升电流,导致飞溅四溅,从而引起表面缺陷和焊接质量问题。电极端部修磨不仅极具成本效益,还是飞溅问题的合理解决之道。
    未来电极管理模式
    在汽车制造商们不断寻求成本缩减的同时,响应生态号召,电极端部修磨在汽车制造业中的未来发展形势可谓一片大好。对于电极修磨的需求达到空前的高度,新技术也日益进步。
    这里提到的新技术包括伺服修磨,这是一种采用机器人伺服马达八分之一轴的修磨器。这种下一代电极修磨器能够与机器人和伺服电极焊枪同步 ——如图9所示。这种电极端部修磨器的优点在于可以在不同焊接环境下使用。伺服修磨器可一边对电极端部进行研磨一边调节马达转速,还可调整研磨量,并可在电极缩小时根据电极磨损情况进行管理。这种修磨器不需控制箱,只含修磨器和机座,因此对于新项目而言极具成本效益。
    另一种技术突破就是集电极研磨和电极塑型于一体的混合型修磨器。这种装置采用一个滚转器对电极进行修边,而只对电极面进行研磨——如图10。混合型修磨器的研磨量是0.01mm。试验结果表明:一根电极可以焊接40000次。混合型修磨器效果好,但需要进行良好的维护并要进行操作学习。如果这些能够做到的话,混合型修磨可取得良好的焊接效果,同时产生极少的飞溅,而电极的使用寿命也更长。
    结束语
    现代化的汽车车身制造厂商对于电极管理的重要性认识达到空前的高度。当今市场充满了许多不确定因素,制造商们都希望工程师们能开发出既省成本又无损质量的新技术新产品。
    电极端部修磨不仅有经济效益,还能提高汽车制造业的焊接质量,是一种重要且必要的工艺。有了前文所述的新技术,预计电极端部修磨在不久的将来将会成为每个制造商的必备之选,并在未来几年内极大地提高成本效益,并带来积极的环保效应。
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