你懂機器人點焊自動化技術嗎？想知道的都在這！

在汽車生產過程中，點焊是一種重要的工藝，目前在產的鍍鋅板燃油車，車身有超過2000個焊點，有的車型焊點數甚至超過了5000。

點焊是一種高速、經濟的連接方法，它適於製造可以採用搭接、接頭不要求氣密、厚度小於3mm的衝壓、軋制的薄板構件。

點焊是把焊件在接頭處接觸面上的個別點焊接起來，要求金屬有較好的塑性。

1、點焊的基礎知識

點焊通常分為雙面點焊和單面點焊兩大類。

雙面點焊時，電極由工件的兩側向焊接處饋電。典型的雙面點焊方式是最常用的方式，這時工件的兩側均有電極壓痕。大焊接面積的導電板做下電極，這樣可以消除或減輕下面工件的壓痕。

常用於裝飾性面板的點焊。同時焊接兩個或多個點焊的雙面點焊，使用一個變壓器而將各電極並聯，這時，所有電流通路的阻抗必須基本相等，而且每一焊接部位的表面狀態、材料厚度、電極壓力都需相同，才能保證通過各個焊點的電流基本一致採用多個變壓器的雙面多點點焊。

點焊通常採用搭接接頭和折邊接頭，接頭可以由兩個或兩個以上等厚度或不等厚度的工件組成。

在設計點焊結構時，必須考慮電極的可達性，即電極必須能方便地抵達工件的焊接部位。同時還應考慮諸如邊距、搭接量、點距、裝配間隙和焊點強度諸因素。

邊距的最小值取決於被焊金屬的種類，厚度和焊接條件。對於屈服強度高的金屬、薄件或採用強條件時可取較小值。

點距即相鄰兩點的中心距，其最小值與被焊金屬的厚度、導電率，表面清潔度，以及熔核的直徑有關。

規定點距最小值主要是考慮分流影響，採用強條件和大的電極壓力時，點距可以適當減小。採用熱膨脹監控或能夠順序改變各點電流的控制器時，以及能有效地補償分流影響的其他裝置時，點距可以不受限制。

裝配間隙必須儘可能小，因為靠壓力消除間隙將消耗一部分電極壓力，使實際的焊接壓力降低。間隙的不均勻性又將使焊接壓力波動，從而引起各焊點強度的顯著差異，過大的間隙還會引起嚴重飛濺，許用的間隙值取決於工件剛度和厚度，剛度、厚度越大，許用間隙越小，通常為0.1-2mm。

單個焊點的抗剪強度取決於兩板交界上熔核的面積，為了保證接頭強度，除熔核直徑外，焊透率和壓痕深度也應符合要求，焊透率的表達式為：η=h/δ-c×100%。兩板上的焊透率只允許介於20-80%之間。

鎂合金的最大焊透率只允許至60%。而鈦合金則允許至90%。焊接不同厚度工件時，每一工件上的最小焊透率可為接頭中薄件厚度的20%，壓痕深度不應超過板件厚度的15%，如果兩工件厚度比大於2:1，或在不易接近的部位施焊，以及在工件一側使用平頭電極時，壓痕深度可增大到20-25%。

點焊接頭受垂直面板方向的拉伸載荷時的強度，為正拉強度。由於在熔核周圍兩板間形成的尖角可引起應力集中，而使熔核的實際強度降低，因而點焊接頭一般不這樣載入。通常以正拉強度和抗剪強度之比作為判斷接頭延性的指標，此比值越大，則接頭的延性越好。

多個焊點形成的接頭強度還取決於點距和焊點分布。點距小時接頭會因為分流而影響其強度，大的點距又會限制可安排的焊點數量。因此，必須兼顧點距和焊點數量，才能獲得最大的接頭強度，多列焊點最好交錯排列而不要作矩形排列。

焊接保證需要強度的地方焊接的間距會比較近，但是考慮到可能會出現的電焊分流的情況，焊點布置的時候應考慮其焊接不牢固性，所以並不是越近越多越好，合理布置焊點才能得到更好的效果，一般來說，三層焊焊點比兩層焊焊點的間距稍遠一點。

焊點的施加原則一般不超過5mm，焊接板厚比例不超過1:3，超過這個值會造成焊核不在焊點最中心，甚至焊穿薄板的可能。三層焊焊接最厚跟最薄也不能超過1:3的原則。

焊點的多少應以連接強度是否滿足需要為標準，過多、過密的焊點只能增加焊接的成本，同時過密的焊點由於焊接分流的加大，焊接強度降低。

焊點位置是工藝和產品設計協調的結果重要焊點位置應以CAE計算結果來設定，下表為不同料厚焊點剪切強度要求：

焊接時，先把焊件表面清理乾淨，再把被焊的板料搭接裝配好，壓在兩柱狀銅電極之間，施加壓力P壓緊，當通過足夠大的電流時，在板的接觸處產生大量的電阻熱，將中心最熱區域的金屬很快加熱至高塑性或熔化狀態，形成一個透鏡形的液態熔池。繼續保持壓力P，斷開電流，金屬冷卻後，形成了一個焊點。鍍鋅鋼板大致分為電鍍鋅鋼板和熱浸鍍鋅鋼板，前者的鍍層比後者薄。

點焊鍍鋅鋼板用的電極，推薦用2類電極合金。相對點焊外觀要求很高時，可以採用1類合金。推薦使用錐形電極形狀，錐角120度-140度。

使用焊鉗時，推薦採用端面半徑為25-50mm的球面電極。為提高電極使用壽命，也可採用嵌有鎢極電極頭的複合電極，以2類電極合金製成的電極體，可以加強鎢電極頭的散熱。

通常是根據工件的材料和厚度，參考該種材料的焊接條件表選取，首先確定電極的端面形狀和尺寸。其次初步選定電極壓力和焊接時間，然後調節焊接電流，以不同的電流焊接試樣，經檢查熔核直徑符合要求後，再在適當的範圍內調節電極壓力，焊接時間和電流，進行試樣的焊接和檢驗，直到焊點質量完全符合技術條件所規定的要求為止。

最常用的檢驗試樣的方法是撕開法，優質焊點的標誌是：在撕開試樣的一片上有圓孔，另一片上有圓凸台。厚板或淬火材料有時不能撕出圓孔和凸台，但可通過剪切的斷口判斷熔核的直徑。必要時，還需進行低倍測量、拉抻試驗和X光檢驗，以判定熔透率、抗剪強度和有無縮孔、裂紋等。以試樣選擇工藝參數時，要充分考慮試樣和工件在分流、鐵磁性物質影響，以及裝配間隙方面的差異，並適當加以調整。

焊點直徑的量取由長軸測量數值加上與長軸垂直軸測量值除2來計算，d=(a+b)/2

鋁合金的點焊

鋁合金的應用十分廣泛，分為冷作強化和熱處理強化兩大類。鋁合金點焊的焊接性較差，尤其是熱處理強化的鋁合金。其原因及應採取的工藝措施如下：

（1）電導率和熱導率較高必須採用較大電流和較短時間，才能做到既有足夠的熱量形成熔核；又能減少表面過熱、避免電極粘附和電極銅離子向純鋁包復層擴散、降低接頭的抗腐蝕性。

（2）塑性溫度範圍窄、線膨脹係數大 必須採用較大的電極壓力，電極隨動性好，才能避免熔核凝固時，因過大的內容拉應力而引起的裂紋。對裂紋傾向大的鋁合金，如LF6、LY12、LC4等，還必須採用加大鍛壓力的方法，使熔核凝固時有足夠的塑性變形、減少拉應力，以避免裂紋產生。在彎電極難以承受大的定鍛壓力時，也可以採用在焊接脈衝之後加緩冷脈衝的方法避免裂紋。對於大厚度的鋁合金可以兩種方法並用。

（3）表面易生成氧化膜，焊前必須嚴格清理，否則極易引起飛濺和熔核成形不良（撕開檢查時，熔核形狀不規則，凸台和孔不呈圓形），使焊點強度降低。清理不均勻則將引起焊點強度不穩定。

基於上述原因，點焊鋁合金應選用具有下列特性的焊機：

1）能在短時間內提供大電流

2）電流波形最好有緩升緩降的特點

3）能精確控制工藝參數，且不受電網電壓波動影響

4）能提供價形和馬鞍形電極壓力

5）機頭的慣性和摩擦力小，電極隨動性好。

當前國內使用的多為300-600KVA的直流脈衝、三相低頻和次級整流焊機，個別的達到1000KVA，均具有上述特性。也有採用單相交流焊機的，但僅限於不重要工件。

點焊鋁合金的電極應採用1類電極合金，球形端面，以利於壓固熔核和散熱。

由於電流密度大和氧化膜的存在，鋁合金點焊時，很容易產生電極粘著。電極粘著不僅影響外觀質量，還會因電流減小而降低接頭強度。為此需經常修整電極。電極每修整依次後可焊工件的點數與焊接條件、被焊金屬型號、清理情況、有無電流波形調製，電極材料及其冷卻情況等因素有關。通常點焊純鋁為5-10點，點焊LF6，LY12時為25-30點。

防透鋁LF21強度低，延性後，有較好的焊接性，不產生裂紋，通常採用固定不變電極壓力。硬鋁（如LY11、LY12），超硬鋁（如LC4、LC5）強度高、延性差，極易產生裂紋，必須采價形曲線的壓力。但對於薄件，採用大的焊接壓力或具有緩冷脈衝的雙脈衝加熱，裂紋也不是不可避免的。

採用價形壓力時，鍛壓力滯後於斷電的時刻十分重要，通常是0-2周。鍛壓力加得過早（斷電前），等於增大了焊接壓力，將影響加熱，導致焊點強度降低和波動。鍛壓力加得過遲，則熔核冷卻結晶時已經形成裂紋，加鍛壓力已無濟於事。有時也需要提前於斷電時刻施加鍛壓力，這是因為電磁氣閥動作延遲，或氣路不暢通造成鍛壓力提高緩慢，不提前施加不足以防止裂紋的緣故。

2、點焊機器人系統

(1)機器人本體

(2)伺服/氣動點焊鉗

(3)電極修磨器

(4)管線包

(5)焊鉗控制電纜

(6)水氣單元

(7)焊鉗冷水管

(8)焊鉗回水管

(9)點焊控制器冷水管（空冷不需要）

(10)冷水機

(11)點焊控制器

(12)機器人變壓器

(13)焊接電纜

(14)機器人控制器

(15)焊接控制器通訊線纜

(16) (17) (18)機器人線纜

(19)伺服編碼器線纜

(20)機器人示教器

(21)冷卻水開關

(22)供電電源

根據白車身點焊焊鉗負載及臂展的統計，一般要求選擇的機器人負載在180KG以上，臂展在2.5M以上就能滿足大部分點焊工位的要求，如果有換槍盤或內置管線包，則負載相應加大20KG。

焊接控制器分為工頻和中頻兩種，焊接控制器有以下功能：

1、通過初級和次級閉環實現電流的精確控制，控制精度超越普通的同類產品，可有效避免焊點虛焊、焊穿等缺陷。

2、焊點計數器功能，有效防止漏焊，並可自動進行電極修磨及電極壽命維護，保證焊點直徑。

3、獨立監控焊核成長，並獨立補償實際焊核與要求焊核的變化。

4、確保每個焊點直徑。

5、自動補償焊接擾動。

6、焊接過程中焊接時間和電流自適應變化。

7、在線儲存測量數據及曲線。

中頻焊接控制器變壓器更小更輕，能提供持續高能量，電流調整更快更精確，可應用於：鍍鋅板、高強度鋼板、鋁合金板、3層板焊接及大喉寬焊鉗。

擁有緊湊的脈衝形式，沒有感應損耗，小於1毫秒的調整，沒有電流峰值，沒有多餘的冷卻時間，從而提供更高的能量，減少電極的熱量和機械壓力。中頻相較於工頻電極壽命增加30 – 50%並提供20 – 32 % 的節能。

此外，中頻焊接控制器還有以下特點：焊接參數的精確調整（動態調整和自適應的調整）；沒有材料過熱（較少的飛濺）。

點焊鉗：用於實現對焊接的工件（板材）的加壓。機器人使用的焊鉗通常是變壓器與鉗體安裝在一起，成為一個整體，稱為「一體式焊鉗」。在實際應用中，需要根據打點位置的特殊性，對焊鉗鉗體須做特殊的設計，只有這樣才能確保焊鉗到達焊點位置。

機器人點焊鉗必須與點焊工件所要求的焊接規範相適應，基本原則是：

1、根據工件的材質和板厚，確定焊鉗電極的最大短路電流和最大加壓力；

2、根據工件的形狀和焊點在工件上的位置，確定焊鉗鉗體的喉深、喉寬、電極握桿、最大行程、工作行程等；

3、綜合工件上所有焊點的位置分布情況，確定選擇何種焊鉗，通常有四種焊鉗比較普遍，即：C型單行程焊鉗、C型雙行程焊鉗、X型單行程焊鉗、X型雙行程焊鉗；

4、在滿足以上條件的情況下，儘可能地減小焊鉗的重量。

伺服焊鉗相較氣動焊鉗的優勢：

1、機器人與焊鉗同步協調運動，大大提高生產節拍

2、焊接中壓力與熱量同步增長，更可靠保證焊點質量

3、擴展工藝過程式控制制

4、增強診斷及監控

5、簡化焊鉗設計，提高柔性

6、降低維修率，提高運行時間

7、減少生產成本（耗氣，備件）

8、一個焊接循環後自動調整電極帽零位

9、換槍後檢查/調整焊鉗，在斷開伺服控制時焊鉗臂位移後可進行修正焊鉗零位

減少生產節拍體現在:

1、使焊點間及障礙物的跳轉路徑最小化。

2、可隨意縮短電極開口減小關閉焊鉗時間。

3、焊接開始信號發出後可更快更好的控制加壓。

4、焊接完成信號發出後可更快打開焊鉗。

5、更快的更改焊接壓力。

6、減小電極更換及修磨時間。

7、換槍、電極修磨及更換後快速標定。

提高焊接質量體現在:

1、軟接觸可實現極少的產品衝擊

2、高精確度的可重複性加壓

3、焊接中精確恆壓控制

4、更穩定的電極管理及控制

增強診斷及監控體現在:

1、壓力監控，防止壓痕過深、焊點裂紋現象

2、電極帽診斷，監控電極磨損

3、電極修磨器狀況

4、多層板的聯結狀態

5、換槍及急停後的位置診斷

簡化焊鉗設計，提高柔性：

1、焊接壓力範圍增大

2、無大開口及小開口限制，優化焊鉗臂定位

3、不同工作站利用同一個焊鉗設計，減少數量

4、電機集成化，減小焊鉗質量

5、其高柔性便於在項目前期確定焊鉗設計

降低維修率，提高運行時間體現在:

1、更容易進行錯誤追蹤

2.診斷及預防性保養

3、減少備件數量

4、排除平衡問題

減少生產成本體現在:

1、耗氣量

2、電機帽消耗

3、電機桿消耗

4、維修費用

5、易於編程

伺服點焊平衡補償技術

機械平衡

GIF/373K

軟體平衡

GIF/363K

焊接位置修正：允許編程誤差+/-3mm

釋放固定焊鉗臂：可釋放固定焊鉗臂5mm

焊鉗臂偏差補償：可補償焊鉗臂偏差5mm

電極帽測量及補償 ：測量電極帽並可補償0-10mm 金屬板的位置+/- 1 mm

水氣單元：

電極修磨器：

通常在點焊生產時，電極上通過的電流密度很大，再加上同時作用的比較大的加壓力，電極極易失去其原有的形狀，這樣對焊核的大小就不能很好的控制；同時由於電極的導電面的氧化造成導電能力下降，點焊時通電電流值就不能得到很好的保證。為了消除這些不利因素對焊接質量的影響，必須使用電極修磨機定期對電極進行修磨。

管線包：

機器人管線包主要是用於連接機器人終端執行器（換槍盤，焊鉗等）應用而開發的一套線束系統；該線束具備以下幾種特點：

1、滿足設備的應用功能

2、具有較好的使用壽命

3、盡量不限制機器人的工作範圍

4、便於安裝和維修

以下是標準伺服點焊線纜包的聯接方式：

最後我們分享幾個標準點焊工作站的平面布置圖，並欣賞一段機器人點焊自動化視頻：

-End-

來源：優快工服

本文編輯：紫衣

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