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Arplas焊接技术应用及质量控制
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生产应用 Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｈｅｍｅ Arplas 焊 接 技 术 应 用 及 质 量 控 制 宋宏伟 王子辰 张秋花 ( 北京奔驰汽车有限公司，北京 100176) 摘要 以北京奔驰汽车有限公司某车型 Arplas 焊接技术应用为例，介绍 Arplas 焊接工艺过程及质量控制方 法， 分析压差的影响因素，引入本体噪声的概念。对生产中出现的缺陷进行原理分析并采取预防措施。分析及实 际生产表明，在合适的参数设置及质量监控下，Arplas 焊是替代激光焊的有效方式。预压压力、压差和焊接能量是 Arplas 焊接的重要参数，其中以压差最为关键。凸台、预压、电极头、焊枪本体噪音及电极臂导向块均对压差有影 响。通过预防性维护及定期测试可以避免相关因素影响压差，获得真实的监控结果。 关键词: 车门 中图分类号: 0 序 阿普拉斯焊接 质量控制 压差 TG438． 2 言 ( Dimple gun) 和焊接系统 ( Arplas gun) ［2］，如 图 1 所 Arplas 焊接技术以普通电阻点焊为基础，其焊接过 示 。 其中 ，冲凸系 统 用 于 在 内 外 板 之 间 冲 出 根 据 板 件厚度 而 不 同 高 度 的 凸 台 ，如 图 2 所 示 。 Arplas 焊 程类似于电阻点焊。 但基于保证焊点足 够 强 度 的 同 时，向工件输入尽可能少的能量原则，Arplas 焊接又同 枪将电极头覆 盖 在 凸 台 上 方 ，由 于 凸 台 尖 端 接 触 面 积很小 ，故在短时间内电流密度突然增加 ，熔化接触 时采用了完全不同的工艺过程和参数。 普通的电阻点 焊焊接脉冲 一 般 大 于 8 个 周 期，焊 接 电 流 不 超 过 12 面形成焊核 ［3］ 。 kA，而采用 Arplas 焊接技术，焊接脉冲小于 0． 5 个工频 周期，焊接电流可达 15 kA。这样可以在满足焊接强度 的同时，提高焊接效率，减少焊接热应力，避免工件变 形。同时由于热量较小，也无需水冷系统。 焊缝背部 表面不会出现熔核，故特别适用于外覆盖件的焊接。 在北京奔驰汽车有限公司某车型中，对于车门窗 框和玻璃滑道的 焊 接，全 部 采 用 了 Arplas 焊 接 技 术。 在中国汽车行业中，该项目对此技术应用范围最广、时 间最长。经过合理规划以及持续改进，该技术被证明 ［1］ 是激光 扫 描 焊 可 行 的 替 代 方 案 。 相 比 于 激 光 焊， Arplas 一次性投入很小，生产稳定性高，返修率很低。 但其技术特点决定了 Arplas 对于水电环境、机械状态 及参数设置具有很高的敏感性，故需要采取各种手段 （a ） 打冲凸系统 图1 （b ） 焊接系统 Arplas 焊接设备 进行质量控制。文中就此技术应用过程中出现的各种 问题，讨论质量控制方法，并探究影响焊接压差的技术 细节。 1 焊接设备及材料 Arplas 焊 接 系 统 可 以 分 为 两 部 分 : 打 冲 凸 系 统 收稿日期: 2017 － 03 － 21 36 2017 年第 9 期 图2 预制凸台 Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｈｅｍｅ 生产应用 母材所用钢板为低碳镀锌钢板，材质为 CR340LA，上下 板板厚均为 0． 8 mm，采用搭接形式焊接。 差的变化情况。除磨损外，凹模内锌屑或脏东西沉积; 气源压力不足; 冲凸系统合模时间太短 ( 应大于 1． 5 s) 2 会对高度造成影响。 ( 2) 对中度: 凸台两边厚度应相等，允许偏差为板 Arplas 焊接质量控制因素 相较于其他焊接技术而言，Arplas 焊接质量控制参 数较少，主要控制点在预压压力、压差和焊接能量。 预 材厚度的 10% 。否则，一侧厚度变薄会显著降低凸台 的强度，使其在预压时发生溃缩，从而无法获得有效焊 压压力将板件有凸台的位置压紧，从而保证电流仅从 凸台处流过形成焊接。压差代表凸台因为熔化而溃缩 接质量。 ( 3) 凸台锐度: 合适的锐度是得到合理电流密度和 的高度。由于其与焊核尺寸有直接的对应关系，故在 质量监控中可以通过压差来表征焊接状态是否良好。 平稳焊接过程的保证。 图 4 冲凸的尺寸规格相同，但 图 4a 为具有 0． 4 mm 尖端 R 角的图模，图 4b 为不具有 焊接能量用于熔化凸台与连接位置，能量的设置既要 保证形成足够的熔池，又要避免能量密度过高导致的 R 角的凸模。 当具备 R 角时，凸台可以承受预压压力 ［4］ 熔池飞溅形成虚焊 。 而不会出现变形，故预压曲线平稳。 不具备 R 角的凸 台，由于尖端面积过小，导致无法承受预压压力提前溃 在实际生产过程中，判断焊点质量最重要的依据 即为压差，而造成压差波动的因素是非常复杂的。 下 缩，预压曲线出现台阶变化。 预压台阶的出现使得焊 接阶段板材接触面积变大且不均匀，从而导致焊接质 面根据大量的实践经验详细介绍。 量不稳定及压差变小。 ( 4) 凸台的位置: 对于直接焊接方式，凸台距离任 3 3． 1 影响焊接压差的因素及控制策略 意搭接零件需要在 1． 0 mm 以上，焊接时上电极中心线 与凸台中心线基本重合，保证电极 100% 覆盖凸台。 凸台的影响 凸台的应用是 Arplas 焊接最具特色的方面。 凸台 的形状和锐度经过特殊设计，使之能够保证在两个工 件之间形成符合强度要求的焊点，同时在未加工凸台 的那个工件上不留任何痕迹。 凸台的高度、对中度、锐 D=0.65 mm L=0.77 mm D=0.40 mm L=0.97 mm α=39.97° 度和位置对于压差有直接的影响。 ( 1) 高度的影响: 对于 0． 6 ～ 0． 8 mm 板厚，凸台高 L=0.75 mm L=1.10 mm α=66.67° 度应为板厚的 10% ，在更换新凸台后需测量实际高度， 使用时当凸台高度值 h 比初始值降低 0． 1 mm 时，需要 （a ） 具有 R 角的凸模尺寸 测量值 变小，从而无法形成标准尺寸的焊核。 此时，压差会出 现明显降低。图 3 是新凸台在焊接 30 000 次过程中压 图4 压差 F ／ N 更换新的冲头和凹模。 当凸台高度降低超过阈值时， 尖端表面积加大，这会分散能量密度，造成凸台溃缩量 3． 2 （b ） 不具有 R 角的凸模尺寸 测量值 不同规格凸模对比测量值 60 焊接预压的影响 焊接预压力 F 用于将上下板通过且只通过凸台接 50 触，以形成符合尺寸要求的焊缝。 对于机械手焊枪，焊 接压力 F 保持在 900 ～ 1 400 N 之间，对应 QCS 值 630 ～ 980。预压力 F 的具体数值需要根据实际工况而定。 40 压力过小，无法形成有效接触，产生飞溅，且易造成电 极头粘连; 压力过大，凸台提前溃缩，增大接触面积，同 30 样会导致压差降低，质量不合格。 实际生产中需要旋 转压力调节圆盘进行试验 ( 一整圈改变焊接压力 300 20 0 10 000 20 000 焊接次数 图3 焊接次数与压差的关系 30 000 N) 以获得最大压差。 3． 3 电极头状态的影响 电极头用于导电并对工件进行加热焊接。 电极头 2017 年第 9 期 37 生产应用 Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｈｅｍｅ 出现任何形状和位置的偏差，都会导致最终压差不足， 焊接过程失效。电极头的使用寿命，因具体使用条件 / 电极尺寸不同而异; 经过参数优化和尺寸改进，目前北 京奔驰公司单电极头更换周期可以达到 30 000 点。 ( 1) 准备如图 6 所示的圆形焊接试片，板厚与实际 工件焊厚相同。将图 6a 试片打凸台，并用正常程序进 行焊接，记录焊接曲线。 图 6b 试片不打凸台，用同样 焊接参数焊接，记录曲线并对比两者压差。 为保证焊接质量，需要每班次开班前检查与清洁 电极头。检查及清洁内容包括: ( 1) 检查并清理电极头表面的油 / 胶等污染物，检 查电极头是否对中并作调整。 ( 2) 检查电极头是否有开裂，或焊接面台阶。 相关 问题会导致电流不能充分熔化凸台，从 而 造 成 开 焊。 如发现类似情况需要及时更换电极头并检查对中。 ( 3) 引入电极头计数器。 在焊接第 27 000 个焊点 时，由 QCS 控制柜发出报警信号，经由 PLC 连接至警 示灯预留的白灯处，警示灯闪烁从而提醒工人进行更 （a ） 打凸台焊接试片 换。报警灯及报警逻辑如图 5a ～ 5b 所示。 （b ） 未打凸台焊接试片 图6 ( 2) 获取焊接测量参数见表 1。 对于同一程序，前 （a ） 预留报警白灯 继续生产，计数器 计数 0~27 000 次 计数器清 零，复位 人工更换 电极头 PLC 预报警， 报警灯闪烁 人工复位， 继续生产 当循环后机器人 停止至维修位 PLC 报警， 报警灯闪烁 本体噪音测试对比试片 三次无凸台时焊接压差为 45 ～ 52 N，即 64 ～ 74 N，而后 三次正常凸台焊接压差为 68 ～ 85 N，即 97 ～ 121 N。这 说明枪体本身在空运行时便会产生一部分压差。 ( 3) 连续测量十次无凸台焊接压差，按照贝塔分布 计算背景噪音的数值，再加上 10 N 的焊接基础压差， 将结果输入阈值监控参数作为压差监控的基准。 计数器计数 至 30 000 次 表1 本体噪音测试测量参数 预压 焊后压 压差 焊时 启时 终时 P1 / N P2 / N P3 / N t1 / ms t2 / ms t3 / ms 041 770 725 45 661 660 976 041 795 743 52 649 649 923 041 780 731 49 641 641 910 气等原因会出现本体噪音，即当没有凸台、未出现熔核 时就有压差存在。 为确定此压差的大小，需要进行测 041 842 757 85 697 606 875 041 836 758 78 606 647 916 试。 041 816 748 68 647 698 972 (b) 报警逻辑 图5 3． 4 38 电极头计数器报警灯及逻辑关系 焊枪本体噪音的影响 Arplas 焊枪在气缸、电极臂、伸缩杆处由于磨损、漏 2017 年第 9 期 点号 Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｈｅｍｅ 3． 5 电极臂导向块的影响 导向块如图 7a 所示，其作用为焊接时保证电极臂 垂直伸缩，给工件足够的压力并保证焊接姿态。 在实 际生产中，由于焊枪的压力很大，导致导 向 块 磨 损 严 生产应用 用划线方式直观测量出焊核尺寸。为了得到准确反映实 际状态的图像， 从而准确判断出焊接质量， 需要进行正交 对照试验， 并且合理地设置闸门和阈值。 重，如图 7b 所示。 这时由 于 两 个 导 向 块 间 接 触 面 粗 糙，会产生垂直分力，从而电极臂无法完全伸缩到位， 实际压差明显减小甚至变为 0。 需要定期检查导向块 的磨损状态，如发现影响压差需要立即更换。 图8 Miniscanner 扫描图像 比如，由于焊接凸台表面存在 R 角，如果出现镀锌 层熔合的虚焊现象，在实际扫描图像中往往由于散射 而无法显示回波。 对于此种情况，应该开启焊核回波 闸门的位置，以避免一次闸门处无回波而出现误判。 5 结 论 ( 1) 实际生产说明，在合适的参数设置及质量监控 （a ） 电极臂导向块位置 下，Arplas 焊是替代激光焊的有效方式。 预压压力、压 差和焊接能量是 Arplas 焊接的重要参数，其中以压差 最为关键。 ( 2) 凸台、预压、电极头、焊枪本体噪音及电极臂导 向块均对压差有影响。通过预防性维护及定期测试可 以避免相关因素影响压差，获得真实的监控结果。 ( 3) 通过定期采用超声波及剔试检测等质量控制 （b ） 磨损的电极臂导向块 图7 4 手段，可以及时发现焊接缺陷并采取相应措施，保证产 品质量。 电极臂导向块 质量控制方法 参 ［1］ 王诗洋，王旭友，滕 考 文 献 彬，等． 激光全熔透工艺参数对不锈 钢焊接气孔率的影响［J］． 焊接，2015( 6) : 30 － 34． 对 Arplas 焊接的质量控制，主要有超声波检测及 剔试两种方法。 剔试即通过撕开焊接处板材，测量焊核尺寸，从而 评估焊接质量。 由于 Arplas 凸起是矩形的，当破坏性 试验焊点撕开的缺口面积达到凸起原始投影面积的 80% 时，则认为焊点达到长度要求。 由于剔试方法检测时间长、工作量大，并且成本较 ［5］ 高， 所以往往无法及时发现质量问题 。实际生产中采 用 Miniscanner 超声波仪器检测方式，合成 C 扫描影像， ［2］ 任 青． 阿普拉斯焊接技术及应用［J］． 电焊机， 涛，潘 2014( 8) : 35． ［3］ 张 峰，张慧敏． Arplas 焊接系统在汽车行业的应用［J］． 工业技术，2013( 15) : 109． ［4］ 周振丰，张文钺． 焊接冶金与金属焊接性［M］． 北京: 机械 1987． 工业出版社， ［5］ 杨永波，崔 彤，秦伟涛，等． 焊接机器人工作站系统中焊 接工艺的设计［J］． 焊接，2015( 8) : 43 － 45． ［6］ 刘 航，李志勇，任杰亮，等． 焊缝轮廓线激光检测系统开 发及算法实现［J］． 焊接，2017( 1) : 27 － 31． 用以评估连接状态。相比于广泛应用的焊缝轮廓线检测 ［6］ 系统， 这种方式更为直观精确 。图 8 为扫描图像。图 中红色区域为单板回波，蓝色区域为有效焊核。可以利 作者简介: 1986 年出生，硕士研究生。主要从事激光 宋宏伟， 焊接及 Arplas 焊接工艺质量的研究。 2017 年第 9 期 39
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