通過分析傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊面臨的挑戰(zhàn)，本文系統(tǒng)地闡述了為何要從恒流控制的技術(shù)工藝發(fā)展升級到使用中頻電阻點(diǎn)焊的自適應(yīng)技術(shù)工藝，并以博世力士樂的自適應(yīng)控制技術(shù)的中頻電阻產(chǎn)品為例，闡述了如何實現(xiàn)焊接過程中恒質(zhì)量控制的工藝過程。

傳統(tǒng)白車身電阻點(diǎn)焊工藝面臨的挑戰(zhàn)

1. 應(yīng)低碳時代要求而不斷推出的各種新材料的應(yīng)用

       目前，所有的汽車制造商都在致力于解決節(jié)能降耗的問題，其中一個重要的手段是通過解決降低車身的整體質(zhì)量來降低百公里油耗。為了提高汽車的安全性能，必須廣泛使用各種高強(qiáng)鋼以及超高強(qiáng)鋼，才能確保汽車的碰撞試驗達(dá)到安全質(zhì)量要求。

2. 新材料的焊接工藝參數(shù)公差范圍更窄

      各種高強(qiáng)鋼以及超超高強(qiáng)鋼、涂層鋼等新型焊接材料，其焊接工藝參數(shù)范圍更窄，特別在手工焊接時，由于操作焊鉗時的姿態(tài)以及焊點(diǎn)位置的隨意性，很容易造成焊點(diǎn)的質(zhì)量不合格，從而給車身焊接質(zhì)量埋下隱患。

3. 客戶對汽車安全質(zhì)量提出了更高的要求

       當(dāng)步入使用工頻恒流的電阻焊接工藝的車身車間，映入人們眼簾的是飛濺的火花，這些是焊接時產(chǎn)生的飛濺，這些飛濺的發(fā)生多半是由于采用的焊點(diǎn)規(guī)范參數(shù)（焊接電流、焊接時間等）偏大引起的。為什么要使用這種焊接工藝參數(shù)呢？因為在現(xiàn)場生產(chǎn)線上進(jìn)行焊接時，由于可能存在焊接分流、焊接壓力的變化、裝配間隙的不穩(wěn)定、板材厚度以及材質(zhì)的變化。為了彌補(bǔ)這些焊接時的外界干擾因素，我們需要在那些理論計算出的焊接規(guī)范參數(shù)之上，增加一定的保險因數(shù)，即增大焊接規(guī)范以彌補(bǔ)由于各種外界干擾因素而可能引起的焊點(diǎn)質(zhì)量的弱焊或開焊現(xiàn)象，也就是采用冗余能量的焊接參數(shù)規(guī)范方法。但即使這樣也不能100%地確保焊接焊點(diǎn)的質(zhì)量，因為我們還是無法實時控制每個焊點(diǎn)實際的焊接能量是否足以生成合格的焊點(diǎn)，即這是一種開環(huán)的焊接質(zhì)量控制工藝。隨著整車制造工藝的不斷革新，以及客戶對汽車安全質(zhì)量提出了更高的要求，汽車的三包政策也即將實施，傳統(tǒng)的白車身對焊點(diǎn)質(zhì)量的開環(huán)控制工藝已經(jīng)不適宜時代的要求，因此采用對焊點(diǎn)質(zhì)量的閉環(huán)控制焊接工藝成為白車身制造工藝的必然選擇。

       如何解決這些難題？目前，廣泛使用的中頻電阻點(diǎn)焊的自適應(yīng)技術(shù)可以很好地解決這些問題。一方面，采用中頻焊接技術(shù)可以解決各種新材料工藝參數(shù)的苛刻要求，另一方面，電阻點(diǎn)焊的自適應(yīng)技術(shù)可以對每個焊點(diǎn)的工藝參數(shù)實施精確的控制，無需采用冗余能量的粗糙焊接工藝參數(shù)的方法，既減少飛濺，節(jié)約能源優(yōu)化工作環(huán)境，又可以實現(xiàn)焊接過程中對焊點(diǎn)質(zhì)量實時的閉環(huán)控制。

中頻電阻點(diǎn)焊的自適應(yīng)技術(shù)

1. 傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的恒流控制技術(shù)

       如圖1 所示，傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的恒流控制技術(shù)只是對焊接電流進(jìn)行了閉環(huán)控制，不是對焊點(diǎn)質(zhì)量的實際閉環(huán)控制。如果焊接過程中，現(xiàn)場出現(xiàn)了對焊點(diǎn)的外界擾動因素，如焊點(diǎn)分流、焊接壓力波動、電極磨損、焊接板材變化及板件裝配不良等，則無法確保焊點(diǎn)質(zhì)量，從而會出現(xiàn)焊點(diǎn)焊核偏小，甚至開焊的質(zhì)量事故。因此，采用可以對實際焊點(diǎn)質(zhì)量實現(xiàn)閉環(huán)控制的焊接工藝技術(shù)，是解決以上問題的根本措施。

2. 中頻電阻點(diǎn)焊自適應(yīng)技術(shù)的基本原理

       從圖2可以分析出，焊點(diǎn)質(zhì)量的自適應(yīng)閉環(huán)控制技術(shù)，除了采集焊接電流參數(shù)，還實時地采集動態(tài)的焊接電壓參數(shù)，并將其發(fā)送到焊接控制器的專用質(zhì)量分析控制板進(jìn)行處理。通過質(zhì)量控制板的計算：R（t）=U（t）/I（t），得到實時動態(tài)電阻曲線，如圖3所示。

 中頻電阻點(diǎn)焊自適應(yīng)技術(shù)的工藝實現(xiàn)過程

       為了實現(xiàn)焊點(diǎn)質(zhì)量的閉環(huán)控制，關(guān)鍵是要得到相應(yīng)焊點(diǎn)合格質(zhì)量的動態(tài)電阻樣本曲線，然后將該樣本電阻曲線下載到焊接控制器里，通過焊接軟件開啟焊點(diǎn)質(zhì)量的閉環(huán)控制——自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，接下來對該焊點(diǎn)的焊接過程，都是以該動態(tài)電阻樣本曲線進(jìn)行比對。如果焊接時由于外界的擾動因素，引起實際的焊接電阻值偏離了該曲線，焊接控制器里的自適應(yīng)功能就會自動調(diào)節(jié)，比如增大焊接電流或減少焊接電流，同時延長焊接時間等調(diào)節(jié)方法，來確保每個焊點(diǎn)的焊接能量大于或等于樣本曲線時的值，從而確保焊點(diǎn)的質(zhì)量，實現(xiàn)焊點(diǎn)質(zhì)量的閉環(huán)控制，如圖4所示。

使用自適應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)白車身焊接質(zhì)量的閉環(huán)控制

        以上僅僅說明了電阻點(diǎn)焊自適應(yīng)技術(shù)的實現(xiàn)原理，但是這種技術(shù)是如何實現(xiàn)對焊接質(zhì)量的閉環(huán)控制呢？在此，我們以博世力士樂的電阻點(diǎn)焊自適應(yīng)技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用來進(jìn)一步說明。

1. 選用具有電阻點(diǎn)焊自適應(yīng)技術(shù)的中頻焊接控制器

       博世力士樂的PSI6300.630L是一款專用于焊接機(jī)器人的、基于DeviceNet通信方式的中頻自適應(yīng)電阻焊接控制器（見圖5），外加一塊質(zhì)量控制板PSQ6000 XQR（見圖6）以及一塊以太網(wǎng)通信卡（Eth. 100MBd CC），便構(gòu)成了實現(xiàn)質(zhì)量閉環(huán)控制的硬件基礎(chǔ)。

 2. 選用安裝好中頻焊接變壓器次級電流檢測和次級焊接電壓檢測的機(jī)器人焊鉗

       這種焊鉗能實現(xiàn)在焊接過程中，對焊接時的二次電流和二次焊接電壓進(jìn)行實時測量，如圖7所示，并將測量值傳送到博世力士樂的焊接控制器對應(yīng)接口，進(jìn)行處理和分析。自適應(yīng)技術(shù)整體軟硬件系統(tǒng)組成如圖8所示。

使用該系統(tǒng)時，首先在恒流狀態(tài)下同時開啟動態(tài)電阻的測量模式，并通過BOS6000焊接專用分析和記錄軟件，來對焊接過程中焊點(diǎn)的每個動態(tài)電阻曲線進(jìn)行記錄和分析，從而得到某個焊點(diǎn)合格焊接質(zhì)量的動態(tài)樣本曲線。

3. 博世力士樂的電阻點(diǎn)焊的自適應(yīng)技術(shù)可以精確地識別不同的材料組合，而產(chǎn)生不同的動態(tài)電阻曲線

        我們給出5種不同的焊接板材組合，通過博世力士樂的電阻點(diǎn)焊自適應(yīng)技術(shù)產(chǎn)品，在恒流狀態(tài)下同時開啟動態(tài)電阻測量模式，可以識別到5種不同的動態(tài)電阻曲線。

4. 博世力士樂電阻點(diǎn)焊自適應(yīng)技術(shù)的質(zhì)量閉環(huán)控制

        在手工焊接工位，我們需要使用一套焊接規(guī)范來焊接該工位的多個焊點(diǎn)，這些焊點(diǎn)的板材組合各不相同。我們選用了這些焊點(diǎn)電阻曲線的平均值或選用了其中兩條動態(tài)電阻偏小的曲線平均值后得到的樣本曲線，下載到焊接控制器里后，然后開啟自適應(yīng)技術(shù)功能。接下來便可以使用該樣本曲線，使用一套焊接規(guī)范來實現(xiàn)該工位所有焊點(diǎn)質(zhì)量的閉環(huán)控制。但是，如果下載的動態(tài)電阻曲線在開啟自適應(yīng)功能后，不能保證該工位所有焊點(diǎn)質(zhì)量合格，則需要重新設(shè)置焊接規(guī)范（焊接電流、焊接時間和焊接壓力等），重新采集新焊接規(guī)范下的樣本曲線，直到得到的樣本曲線下載到焊接控制器里后開啟自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，該工位所有的焊點(diǎn)可獲得合格質(zhì)量的焊接結(jié)果為止。

       如圖9所示，手工工位我們使用一套焊接規(guī)范，焊接該工位不同板材組合的焊點(diǎn)，得到的焊點(diǎn)質(zhì)量都是合格的。

電阻點(diǎn)焊自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用實例

        我們以具體的實例應(yīng)用分析來進(jìn)一步闡述博世力士樂的中頻電阻點(diǎn)焊的自適應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)焊點(diǎn)質(zhì)量閉環(huán)控制的原理。

        實例一：當(dāng)遇到焊點(diǎn)板間有膠時，自適應(yīng)技術(shù)的調(diào)節(jié)過程如圖10所示。開始焊接時，實際焊點(diǎn)的動態(tài)電阻值（綠線）大于樣本曲線的動態(tài)電阻值（黑線），焊接系統(tǒng)分析認(rèn)為板間有膠的存在。為了得到合格的焊點(diǎn)，必須首先將該膠短在一定的時間內(nèi)燒穿，實現(xiàn)該焊點(diǎn)處板材的良好接觸。從圖10中也可以看出，焊接系統(tǒng)自動升高焊接電流，在20ms之內(nèi)將該膠燒穿后，實際的焊接電阻和樣本電阻曲線的電阻值非常接近，系統(tǒng)就自動將焊接電流值恢復(fù)到7.8kA；在160ms焊接結(jié)束時，由于開始階段的20ms用來燒膠了，屬于無效的焊接時間，為此，焊接系統(tǒng)自動在160ms之后延長焊接時間20ms，以確保合格焊點(diǎn)質(zhì)量的要求。

       實例二：針對不同鍍層時，博世力士樂的電阻點(diǎn)焊自適應(yīng)技術(shù)也能很好地進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。如圖11所示，實際焊接的動態(tài)電阻曲線值比樣本動態(tài)電阻曲線值要小，系統(tǒng)分析焊點(diǎn)處的電阻值變小了，便自動升高焊接電流，即從6.5kA升高到7kA，這是為了補(bǔ)償鍍鋅板較小的接觸電阻。此處沒有延長焊接時間，因為系統(tǒng)通過升高焊接電流來自動補(bǔ)償了接觸電阻降低的繞到因素影響，也實現(xiàn)了焊點(diǎn)質(zhì)量的閉環(huán)控制。

       實例三：板間裝配不良引起飛濺的自動補(bǔ)償過程。如圖12所示，在焊接到550ms時，焊點(diǎn)處出現(xiàn)了飛濺，由于飛濺的原因，該焊點(diǎn)處的熔核有部分變成了飛濺。為了補(bǔ)償該焊點(diǎn)熔核及其質(zhì)量，焊接自適應(yīng)技術(shù)系統(tǒng)自動在焊接結(jié)束的600ms時補(bǔ)焊了50ms，以確保該焊點(diǎn)的質(zhì)量合格。

       實例四：焊接時，自適應(yīng)技術(shù)能自動補(bǔ)償焊接分流的影響。我們知道，在現(xiàn)場進(jìn)行工件焊接時，無法避免焊接分流的現(xiàn)象。如圖13所示，在焊接中間這個焊點(diǎn)時，如果在恒流控制焊接時，中間焊點(diǎn)的焊接電流將會由于左右焊點(diǎn)而發(fā)生分流現(xiàn)象，這勢必會使得中間焊點(diǎn)的熔核直徑偏小（焊接電流變?。?，甚至出現(xiàn)開焊現(xiàn)象，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。但是，如果使用博世力士樂的自適應(yīng)電阻點(diǎn)焊技術(shù)，其焊接系統(tǒng)可以自動補(bǔ)償焊接電流和焊接時間，以確保中間焊點(diǎn)的焊核直徑滿足工藝要求。實際的焊接效果比較如圖14所示，由此可見，只有采用自適應(yīng)的電阻點(diǎn)焊技術(shù)，才能真正補(bǔ)償分流對焊點(diǎn)質(zhì)量的影響。

       實例五：采用動態(tài)電阻的自適應(yīng)技術(shù)，可以實現(xiàn)對焊接飛濺的優(yōu)化和消除工作，即可以節(jié)約能源，又可以優(yōu)化焊接車間的工作環(huán)境。引起焊接飛濺的原因有很多，飛濺又分為前期飛濺和后期飛濺。在采用恒流控制焊接工藝技術(shù)時，我們很難準(zhǔn)確判斷焊接時發(fā)生飛濺的具體原因：是由于裝配不良引起的飛濺，還是由于焊接規(guī)范太大引起的飛濺，或是其他原因引起的飛濺？通過使用自適應(yīng)技術(shù)條件下的實時動態(tài)電阻曲線，我們能夠很容易地識別飛濺是在什么時候發(fā)生的，從而確定是前期飛濺還是后期飛濺，然后根據(jù)飛濺發(fā)生的具體階段，再進(jìn)一步分析飛濺發(fā)生的原因，直至最后消除該飛濺。焊接控制器自動識別出所有發(fā)生的飛濺，并通過博世力士樂的BOS6000軟件，在用戶的PC上通過圖形顯示出來。從圖15中可以看出，對于某個焊點(diǎn)對應(yīng)的焊接程序34有3條動態(tài)電阻曲線，從而顯示出，在焊接過程中該焊點(diǎn)都出現(xiàn)了飛濺，飛濺的發(fā)生時間在114ms左右。

       博世力士樂的動態(tài)電阻的自適應(yīng)技術(shù)可以對焊接過程中的每個焊點(diǎn)的飛濺率進(jìn)行記錄和優(yōu)化。如圖16所示，某個車型的部分焊點(diǎn)在飛濺沒有優(yōu)化前其飛濺率很高（紅色行條），經(jīng)過博世力士樂的電阻點(diǎn)焊的飛濺率優(yōu)化技術(shù)，最后可以得到如圖17所示的焊點(diǎn)飛濺率，直到滿足客戶的工藝質(zhì)量要求。

       實例六：精確檢測機(jī)器人焊鉗每次修磨后的效果。目前汽車的焊接自動化程度越來越高，特別是廣泛使用的焊接機(jī)器人技術(shù)，使用了氣動伺服或電伺服的一體化機(jī)器人焊鉗，焊接過程中需要進(jìn)行電極修磨功能，以滿足高質(zhì)量的焊點(diǎn)要求。在以往的恒流控制時，我們無法判斷機(jī)器人焊鉗電極修磨后的效果。很多情況下，機(jī)器人焊鉗電極雖然進(jìn)行了修磨，但是有可能修磨效果不好，影響到后續(xù)的焊點(diǎn)質(zhì)量。通過使用博世力士樂的動態(tài)電阻的自適應(yīng)控制技術(shù)，可以精確地識別電極修磨后的效果，如果修磨效果不好，焊接系統(tǒng)會發(fā)出報警信息，工作人員便可以及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場存在的問題。例如，由于焊鉗電極發(fā)生變形，便會引起電極修磨時發(fā)生動靜電極錯位現(xiàn)象，在這種情況下，雖然電極進(jìn)行了修磨，但當(dāng)通過對修磨后的動態(tài)電阻的測試比較，以及對電極修磨后空焊接時相位角的調(diào)節(jié)控制后，可以十分精確地實現(xiàn)機(jī)器人焊鉗修磨后的效果檢測。

結(jié)語

       通過上述系統(tǒng)的分析可知，傳統(tǒng)的恒流控制的電阻點(diǎn)焊工藝無法實現(xiàn)焊接質(zhì)量的過程控制，只有使用恒質(zhì)量的中頻電阻點(diǎn)焊的自適應(yīng)技術(shù)工藝，才能實現(xiàn)對焊點(diǎn)質(zhì)量的閉環(huán)過程控制。本文以博世力士樂的中頻電阻點(diǎn)焊的自適應(yīng)技術(shù)產(chǎn)品為例，闡述了如何實現(xiàn)焊點(diǎn)質(zhì)量的閉環(huán)控制，確保焊點(diǎn)質(zhì)量。目前，博世力士樂中頻電阻點(diǎn)焊的自適應(yīng)技術(shù)產(chǎn)品在國內(nèi)各大汽車廠，如北京奔馳、華晨寶馬、大眾汽車、重慶沃爾沃 、長沙菲亞特、長安福特、東風(fēng)乘用車、一汽轎車、觀致汽車、神龍汽車以及奇瑞汽車等，已得到了廣泛應(yīng)用。

來源： 東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司 博世力士樂中國有限公司