汽车金属薄板无飞溅动态加热自适应电阻焊接的方法

摘要

本发明涉及一种汽车金属薄板无飞溅动态加热自适应电阻焊接的方法，其实施步骤如下：首先利用无次级整流焊接变压器及脉宽可调交流逆变电源，通过调用不同金属材料热平衡因子，使熔核形成过程中始终处于无飞溅的通电加热熔化、冷却结晶热平衡过程；并通过检测电极两端的动态电阻变化率来控制熔核大小。由于本发明方法引入无飞溅热平衡因子t+t0，有效解决了焊接过程的飞溅问题，提高了焊接质量；再通过检测焊接过程焊接电极两端动态电阻的变化率快速判断熔核形成过程；减少了测量过程的干扰，提高了检测的可靠性。本发明方法有效解决了长期以来汽车金属薄板焊接过程产生大量飞溅的难题，极大的提高了焊接质量和生产效率，且大大降低了生产加工的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车制造领域中薄板电阻焊接的方法，特别涉及一种汽车金属薄板无飞溅动态加热自适应电阻焊接的方法。

背景技术

目前，汽车制造工业中常用的金属薄板包括的热成形钢、高强钢、镀锌板的电阻焊工艺方法分为：

（1）工频交流电阻焊方法；用工频交流电阻焊方法，焊接热成形钢镀锌板，由于采用单相供电，功率因数低，多台焊机同时焊接时对电网冲击大，电压降大，容易造成焊接质量不稳定。

（2）中频直流电阻焊方法；用中频直流电阻焊方法，焊接热成形钢镀锌板时，由于中频直流电阻焊热量集中及极性效应的作用，易造成焊接部位过热产生飞溅。

（3）中频直流自适应电阻焊方法；用中频直流电阻焊自适应方法，其一由于其自身的技术特点，在焊接过程，需连续通电加热，才能测量出理想的动态电阻特征曲线，来有效控制焊接质量，且在调整过程及焊接时间比其它方法延长，降低了生产效率；其二在不同特性材料三层板电阻焊接时不能测出理想的动态电阻特征曲线，造成虚焊点。

 ( 4) 目前关于防止飞溅焊接的专利申请涉及的是通过改变压力大小，和使用一些辅助材料来解决飞溅问题，对热成形钢、高强钢、镀锌板，效果很不明显；另一种中频直流自适应焊接方法它是通过降低焊接电流（连续电流），延长焊接时间，检测动态电阻曲线的方法，其效率低，在与其它焊接方式同等焊接时间内产生的飞溅率仍然较高。

因此，如何提供一种防止飞溅、有效提高生产效率的汽车金属薄板无飞溅动态加热自适应电阻焊接的方法，是目前汽车制造工业领域技术人员必须着手解决的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服上述电阻焊方法中飞溅多、生产效率低的不足之处；提供一种汽车金属薄板无飞溅动态加热自适应电阻焊接的方法，即现代汽车制造工业中热成形钢、高强钢、镀锌板无飞溅交流逆变电阻焊接的工艺方法。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：

一种汽车金属薄板无飞溅动态加热自适应电阻焊接的方法，其特征在于实施步骤如下： 

步骤一：选择焊接电源

1.1采用无次级整流焊接变压器及脉宽可调交流逆变电源；保证正负半波交替均衡加热，无极性效应，避免工件一侧发生过热、发生飞溅；通过调整电源的逆变频率f1=40~150赫兹，控制t=1000/f1=5~30ms；

1.2其它设备及结构件配置与常规电阻焊配置结构相同；包括加压机构、水路气路、机身及焊接电极； 

步骤二：选择加热方式

焊接过程引入热平衡因子，将不同材料的热平衡因子录入控制器数据库， 控制器根据不同材料自动选择热平衡因子，通过调整动态加热曲线确保快速无飞溅完成焊接；

2.1 解决飞溅遵守的基本原理；

电阻焊的热平衡过程焊接过程必须有焊接电流i，焊接时间t，加入冷却时间t0；调整焊接频率f2=40~90赫兹，控制t0=1000/f2–t=0~10ms；

电阻焊的热平衡过程焊接过程必须有焊接电流i，焊接时间t，加入冷却时间t0；

每一次焊接过程产生的总电阻热量引用公式1：Q=0.24· i²·R·t；

式中：i表示焊接点流，R表示焊接回路及工件电阻，t表示通电时间；

根据能量守恒定律: 电阻焊过程产生的全部热能Q用于：

（1） 形成熔核有效热量Q1； 正比于通电时间t；

（2）熔核向周围金属热传导的热量Q2；正比于时间t+t0； 

（3） 焊点表面向电极内部传导所损失的热量Q3；正比于时间t+t0；

（4）焊点表面向空间辐射的热量Q4；正比于时间t+t0；

（5）飞溅金属带走的热量Q5；

 将上述电阻焊过程的全部热能，用公式2表述；

  公式2: Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5，

  将Qs =Q2+Q3+Q4 定义为热传导热量；

2.1.1  解决飞溅问题导出的热平衡公式；

此时公式2变为公式3 : Q1+ Q5= Q –Qs；

 熔核热量+飞溅物热量=电阻热－热传导热量；

2.1.2  不产生飞溅的条件；

当Q5=0时，不产生飞溅；否则Q5>0，焊接过程的热平衡处于失衡状态，即产生飞溅； 

此时公式3变为公式4:  Q1 = Q–Qs；

焊接过程达到加热Q，散热Qs，形成熔核Q1的无飞溅热平衡状态； 

焊接过程表现为1:  焊接区金属熔化扩展速度小于等于焊点内部热量向周围热传导速度，无内部飞溅；  

焊接过程表现为2: 焊接区表面即将熔化时温度上升速度低于电极热传导速度，无表面飞溅；

2.2  用热平衡方法解决飞溅的过程；

2.2.1 加入强制冷时间t0；

当焊接压力、工件材料、电极状态、冷却状态、环境温度不变时，

根据公式3 ：Q1+ Q5= Q –Qs ，得Q5= Q– Q1–Qs；

可见，由于Qs与正比于散热时间t0，增加冷时间t0，Qs变大， 

则Q5减小，焊接过程不易产生飞溅；

2.2.2  焊接过程分解为n个有限元 ；

为有效控制焊接过程的热平衡，将整个焊接过程分解成n个有限元，即通电加热时间t+断电冷却时间t0；

全部有限元构成整个焊接过程；

 2.2.3  焊接过程引入无飞溅热平衡因子 t+t0；

每一有限元都遵守Q1+ Q5 = Q –Qs，

当Q5=0时不产生飞溅，

此时Q1 = Q–Qs；

当每一有限元的Q5全部为零时，整个焊接过程不产生焊接飞溅，此时的‘t+t0’ 定义为无飞溅热平衡因子；

2.2.4无飞溅热平衡因子的取值范围；

热平衡因子取t=5~30ms，t0=0~10ms，

能保证以较短的焊接时间(200~650ms)达到加热Q，散热Qs，形成熔核Q1，无飞溅Q5=0的热平衡状态；

当t+t0一定时，可测得各种不同焊接材料在一定压力不产生飞溅电流的最大值；

 热成型钢，高强钢，低碳钢无飞溅热平衡因子；t=5~20ms，t0=5~10ms，

 峰值电流Imax=10~17KA，第n次焊接电流i(n)=k(n) ·Imax，

 有限元个数n=10~40；

（k(n)系数=0.5~1），

 镀锌板无飞溅热平衡因子；t=10~40ms，t0=0~7ms，

 峰值电流Imax=12~18KA，第n次焊接电流i(n)=k(n) ·Imax，

 有限元个数n=10~50；

（k(n)系数=0.5~1）；

步骤三：确定焊接时间

3.1根据不同材料工件实际测试的焊接时间，录入控制器数据库直接选用即可；

各种材料无飞溅热平衡因子 t+t0，最大电流Imax，第n次焊接电流i(n)=k(n) ·Imax和 焊接次数n， 将其作为数据库内容，存入控制器内存中，在焊接时，直接调用即可达到无飞溅焊接效果；

3.2 通过测量电极两侧电压电流的变化求得焊接电极两端动态电阻的变化率f‵(r)；做出动态电阻的变化率曲线，录入数据库中；在焊接中进行比对，来控制熔核大小；

3.2.1 初期通电0~20ms，用电压方式检测动态电阻是否正常，断定有异物或接触不良，停止焊接；

3.2.2  初期通电0~20ms，检测动态电阻正常，继续焊接；

3.2.3  正常通电在20ms后，检测动态电阻的变化率f‵(r)=d(r)/d(t)；

20~200ms范围:当f‵(r) ≥0，断定焊核未形成；

当f‵(r) <0，且绝对值较大断定焊核形成中，继续加热；

200~650ms范围：当 f‵(r) <0，且绝对值持续变小，符合对应焊接材料动态电阻的变化率曲线，断定焊核已形成，即停止加热。

本发明的有益效果是：本发明焊接过程是: 逆变器工作，检测工件属性及状态，调用该材料热平衡因子，自动选择热平衡加热曲线；同步检测电极两端的动态电阻的变化率曲线，并与数据库标准曲线进行比对控制焊接熔核的大小。

该方法主要是通过建立不同材料的焊接电流-时间曲线数据库，应用时提高了调整焊接参数的准确性和快速性，由于采用无次级整流器交流变压器，与中频直流焊机相比每焊接一次节约5~15KVA热功率；由于引入无飞溅热平衡因子t+t0，解决了焊接过程的飞溅问题，提高了焊接质量；再通过检测焊接过程焊接电极两端动态电阻的变化率曲线，快速判断熔核的形成过程；减少了测量过程干扰，提高了检测的可靠性，为汽车制造工业提供了一种操作简便、性能精确可靠、高效节能、降低生产加工成本（省去毛刺打磨工序）的全新工艺方法。

总结归纳本发明方法区别于传统电阻焊自适应方法有以下三点：

第一：采用脉宽可调交流逆变电源，与现有直流逆变电源相比每一焊点即可节约5~15KVA热功率；有效节能约10%，节能效果非常显著。

第二：引入无飞溅热平衡因子t+t0， 采用动态加热曲线，主动防止焊接过程发生飞溅，通常现有焊接飞溅率约为总熔核量的40-50%，由于本发明方法焊接后不产生飞溅，大大减少后续打磨工作量，提高了焊接效率，综合提高效率20%以上。

第三：根据工件选定焊接时间；或通过检测电极两端的动态电阻变化率曲线，判断熔核形成过程，用以控制总焊接时间更加精确无误；而传统方法为检测动态电阻。

实践证明本发明方法在焊接热成形钢、高强钢、镀锌板及其组合时，能有效避免飞溅，焊接质量稳定，大大提高了生产效率；解决了长期以来汽车工业薄板焊接过程产生大量飞溅的难题，是一种崭新的智能化节能无飞溅快速自适应电阻焊方法。

附图说明

图1是电阻焊热量分布示意图； 

图1中：

dj：焊接电极； 

g1，g2：焊接工件； 

Q1： 形成熔核热量；

Q2：熔核向其周围金属热传导热量；  

Q3：电极热传导热量； 

Q4：工件向周围大气热辐射热量； 

Q5：飞溅物带走热量。 

图2是通用B柱点焊示意图； 

图2中：

a：工件1；厚1.5mm；材料:热成型钢GMM14400M；

b：工件2；厚3mm； 材料:镀锌板；

d：工件4；厚1.2mm； 材料:镀锌板；

e：工件3；厚2mm；  材料:镀锌板；

焊接组合方式：a+b；  a+d； a+d+e。

图3是脉宽可调逆变电源电路图；

图3中：

R，S，T： 输入电源；

SCR：可控硅；   

D，D1：二极管； 

R1：限流电阻； 

C：滤波电容；

IGBT：逆变模块；

U1，V1 ：电源输出；

Tr：无次级整流变压器；

i：焊接电流； 

V：焊接电压。

图4是逆变器输出电流波形示意图；

图4中：

t：一个有限元内通电时间 t=1000/f1；

t0：一个有限元内冷却时间 t=1000/f2－t；

n：焊接次数(时间) ； 

Imax：最大焊接电流；  

i(n)：第n次焊接电流；

f1：逆变频率； 

f2：焊接频率。

具体实施方式

以下结合附图和较佳的实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下：

一种汽车金属薄板无飞溅动态加热自适应电阻焊接的方法，实施步骤如下： 

步骤一：选择焊接电源

1.1采用无次级整流焊接变压器及脉宽可调交流逆变电源；保证正负半波交替均衡加热，无极性效应，避免工件一侧发生过热、发生飞溅；通过调整电源的逆变频率f1=40~150赫兹，控制t=1000/f1=5~30ms。

1.2其它设备及结构件配置与常规电阻焊配置结构相同；包括加压机构、水路气路、机身及焊接电极。

步骤二：选择加热方式

焊接过程引入热平衡因子，将不同材料的热平衡因子录入控制器数据库， 控制器根据不同材料自动选择热平衡因子，通过调整动态加热曲线确保快速无飞溅完成焊接。

2.1 解决飞溅遵守的基本原理；

电阻焊的热平衡过程焊接过程必须有焊接电流i，焊接时间t，加入冷却时间t0；调整焊接频率f2=40~90赫兹，控制t0=1000/f2–t=0~10ms；

电阻焊的热平衡过程焊接过程必须有焊接电流i，焊接时间t，加入冷却时间t0；

每一次焊接过程产生的总电阻热量引用公式1：Q=0.24· i²·R·t；

式中：i表示焊接点流，R表示焊接回路及工件电阻，t表示通电时间。

   根据能量守恒定律: 电阻焊过程产生的全部热能Q用于：

 （1） 形成熔核有效热量Q1； 正比于通电时间t；

 （2）熔核向周围金属热传导的热量Q2；正比于时间t+t0； 

 （3） 焊点表面向电极内部传导所损失的热量Q3；正比于时间t+t0；

 （4）焊点表面向空间辐射的热量Q4；正比于时间t+t0；

 （5）飞溅金属带走的热量Q5。

参见图1，将上述电阻焊过程的全部热能，用公式2表述；

 公式2: Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5，

 将Qs =Q2+Q3+Q4 定义为热传导热量。

2.1.1  解决飞溅问题导出的热平衡公式；

此时公式2变为公式3 : Q1+ Q5= Q –Qs；

 熔核热量+飞溅物热量=电阻热－热传导热量。

2.1.2  不产生飞溅的条件；

 当Q5=0时，不产生飞溅；否则Q5>0，焊接过程的热平衡处于失衡状态，即产生飞溅； 

 此时公式3变为公式4:  Q1 = Q –Qs；

焊接过程达到加热Q，散热Qs，形成熔核Q1的无飞溅热平衡状态。

焊接过程表现为1:  焊接区金属熔化扩展速度小于等于焊点内部热量向周围热传导速度，无内部飞溅；  

焊接过程表现为2: 焊接区表面即将熔化时温度上升速度低于电极热传导速度，无表面飞溅。

2.2  用热平衡方法解决飞溅的过程；

 2.2.1 加入强制冷时间t0；

当焊接压力、工件材料、电极状态、冷却状态、环境温度不变时，

根据公式3 ：Q1+ Q5= Q –Qs ，得Q5= Q– Q1–Qs；

 可见，由于Qs与正比于散热时间t0，增加冷时间t0，Qs变大， 

则Q5减小，焊接过程不易产生飞溅。

 2.2.2  焊接过程分解为n个有限元 ；

为有效控制焊接过程的热平衡，将整个焊接过程分解成n个有限元，即通电加热时间t+断电冷却时间t0；

全部有限元构成整个焊接过程。

 2.2.3  焊接过程引入无飞溅热平衡因子 t+t0；

 每一有限元都遵守Q1+ Q5 = Q–Qs，

当Q5=0时不产生飞溅，

此时Q1 = Q –Qs；

当每一有限元的Q5全部为零时，整个焊接过程不产生焊接飞溅，此时的‘t+t0’ 定义为无飞溅热平衡因子。

2.2.4无飞溅热平衡因子的取值范围；

 热平衡因子取t=5~30ms，t0=0~10ms，

能保证以较短的焊接时间(200~650ms)达到加热Q， 散热Qs，形成熔核Q1，无飞溅Q5=0的热平衡状态；

当t+t0一定时，可测得各种不同焊接材料在一定压力不产生飞溅电流的最大值Imax；

 热成型钢，高强钢，低碳钢无飞溅热平衡因子；t=5~20ms，t0=5~10ms，

 峰值电流Imax=10~17KA，第n次焊接电流i(n)=k(n) ·Imax，

 有限元个数n=10~40；

（k(n)系数=0.5~1），

 镀锌板无飞溅热平衡因子；t=10~40ms，t0=0~7ms，

 峰值电流Imax=12~18KA，第n次焊接电流i(n)=k(n) ·Imax，

 有限元个数n=10~50；

（k(n)系数=0.5~1）。

步骤三：确定焊接时间

3.1根据不同材料工件实际测试的焊接时间，录入控制器数据库直接选用即可。

参见图4，主控板按电流曲线，通过控制输出电压v，电流i，达到焊接过程热平衡状态；同时通过测量焊接电压v，电流i，得到多种焊接材料的动态电阻变化率曲线图，并将其作为数据库存入控制器内存中，在焊接时，进行比较，达到精确控制焊接质量和焊接时间；

各种材料无飞溅热平衡因子t+t0，最大电流Imax，第n次焊接电流i(n)=k(n) ·Imax和 焊接次数n，将其作为数据库内容，存入控制器内存中，在焊接时，直接调用即可达到无飞溅焊接效果。

3.2 通过测量电极两侧电压电流的变化求得焊接电极两端动态电阻的变化率f‵(r)；

参见图3，脉宽可调逆变电源工作原理如下：

脉宽可调波形，可调焊接控制器是将三相电源R，S，T，通过整流二极管D、可控硅SCR、全波可控整流及电容器C滤波，将交流电变为直流电；再将直流电输入由IGBT组成的H桥回路中，在主控制电路的控制下从U1，V1端输出给焊接变压器一次侧脉宽可调电压；在二次侧感应出焊接电压v，电流i。

通过检测电极两侧电流i与电压v，根据欧姆定律I=V/R，求出动态电阻r，及 f‵(r)=d(r)/d(t)，做出动态电阻的变化率曲线，录入数据库中；在焊接中进行比对，来控制熔核大小。

3.2.1 初期通电0~20ms，用电压方式检测动态电阻是否正常，i小于3KA断定有异物或接触不良； i=0时，停止焊接。

3.2.2  初期通电0~20ms，检测i大于3KA，动态电阻正常，继续焊接；

3.2.3  正常通电在20ms后，检测动态电阻的变化率f‵(r)=d(r)/d(t)；

 20~200ms范围:当f‵(r) ≥0，断定焊核未形成；

当f‵(r) <0，且绝对值较大断定焊核形成中，继续加热；

 200~650ms范围：当 f‵(r) <0，且绝对值持续变小，符合对应焊接材料动态电阻的变化率曲线，断定焊核已形成，即停止加热。

具体实施举例说明：

（1）将材料属性录入焊接数据库（热成钢，高强钢，镀锌板，低碳钢，及其厚度，相互组合方式）；

（2）焊机能内部处理器根据以上录入焊接参数表，选取无飞溅热平衡因子；

（3）调取库中不同材料动态加热曲线；

（4）通过检测电压与电流测量动态电阻变化率；       

（5）与库中焊接材料数值动态电阻变化率曲线比对，决定n的个数。

以上所述参数限定范围：热成型钢，高强钢，低碳钢，镀锌板，及其组合。

   无飞溅热平衡因子；t=5-30ms，t0=5-10ms，

峰值电流Imax=10-17KA， i(n)=k(n) ·Imax，

有限元个数n=10-40 ，

镀锌板无飞溅热平衡因子；t=8-40ms，t0=0-7ms，

峰值电流Imax=12-18KA， 

i(n)=k(n) ·Imax，

有限元个数n=10-50 。

实际应用：

通用汽车B柱焊接过程比较；

参见图2， 

工件a:  材料：热成型钢 ，厚度1.5mm，

工件b:  材料：镀锌板，厚度3mm，

工件d:  材料：镀锌板，厚度1.2mm，

工件e:  材料：镀锌板，厚度2mm；

采用中频直流:最佳焊接效果，50%-60%焊点无飞溅（与本方法相同焊接时间）；

而采用本方法90%无飞溅；

 薄板 a+b，根据图4，设定焊接参数；t=12.5ms，t0=6ms，Imax=14.5KA，n=22；

根据i(n)=k(n) ·Imax，

此种材料 n=1-4时，取k(n)= (n+3)/8，

n=5-n时，按 i(5-n)=Imax=14.5 KA，

得:i(1)=7.25KA，i(2)=9.06KA， i(3)=10.87KA， i(4)=12.68KA，

 薄板 a+d ，根据图4，设定焊接参数；t=12.5ms，t0=6ms ，Imax=12.5KA，n=20；

根据i(n)=k(n) ·Imax，

此种材料 n=1-4时，取k(n)= (n+3)/8，

n=5-n时，按 i(n)=Imax，

得:i(1)=6.25KA， i(2)=7.81KA， i(3)=9.37KA， i(4)=10.93KA，

薄板a+d+e，根据图3，设定焊接参数； t=12.5ms，t0=7ms，

Imax =17KA，n=32；

根据i(n)=k(n) ·Imax，

此种材料 n=1-4时，取k(n)= (n+3)/8，

n=5-n时，按 i(n)=Imax；

得:i(1)=8.5KA， i(2)=10.6KA， i(3)=12.5KA， i(4)=14.87KA。

通过以上对比，采用本发明工艺效果非常显著；解决了中频、工频电阻焊飞溅大，生产效率低，二极管耗能高，易毁坏，成本高等难题。

上述参照实施例对该汽车金属薄板无飞溅动态加热自适应电阻焊接的方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的；因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。