楊洪剛

上海電機(jī)學(xué)院,上海,200245

管板單面電阻點(diǎn)焊彈塑性變形分解

楊洪剛

上海電機(jī)學(xué)院,上海,200245

結(jié)合伺服焊槍的焊點(diǎn)壓痕在線提取功能,試驗(yàn)研究了管板單面點(diǎn)焊過程中的焊接變形,實(shí)現(xiàn)了彈塑性變形的分解。結(jié)果表明,彈性變形和塑性變形均隨著焊接電流的遞增而線性增加,相同焊接條件下,隨著管材半徑的減小,彈性變形逐漸減小,塑性變形逐漸增大,加大了焊接裂紋出現(xiàn)的趨勢(shì)。研究結(jié)果可為管板單面點(diǎn)焊焊接變形和裂紋的監(jiān)控提供參考。

管板單面點(diǎn)焊;伺服焊槍;焊接變形;焊接裂紋

0 引言

隨著液壓成形技術(shù)的日臻完善,液壓成形管在汽車中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。然而,由于缺少連接法蘭,使得液壓成形管與其他零部件的有效連接較為困難。目前較普遍的解決辦法是采用管板單面電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行連接[2-3]。汽車車身骨架通常比較復(fù)雜、多樣,使得液壓成形管往往具有不同的截面形狀和尺寸,因此,管板單面電阻點(diǎn)焊工藝具有基于方管的單面點(diǎn)焊和基于圓管的單面點(diǎn)焊兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。

與基于方管的結(jié)構(gòu)形式相比,圓管結(jié)構(gòu)形式管板間的接觸狀態(tài)為線接觸,并且整體結(jié)構(gòu)剛度較小,使得焊接過程中,其焊接變形較大,從而加速了焊接微裂紋的出現(xiàn),并且容易發(fā)生焊接飛濺現(xiàn)象?？梢?基于圓管的結(jié)構(gòu)形式可焊性相對(duì)較差。因此本文針對(duì)基于圓管的管板單面點(diǎn)焊,分析其焊接變形,并結(jié)合伺服焊槍的壓痕在線提取功能,實(shí)現(xiàn)彈性變形和塑性變形的分解,為焊接變形和焊接裂紋的監(jiān)控提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)所用伺服焊槍為FANUC公司的C型交流伺服焊槍,由日本小原公司的焊接控制器T25實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)控制。伺服焊槍集成在六自由度機(jī)器人上,以實(shí)現(xiàn)焊接位置的精確定位。

為了提取焊接過程中管板結(jié)構(gòu)的總體焊接變形,本文采用OM LON非接觸式激光位移傳感器,實(shí)時(shí)采集焊接過程中的電極位移信號(hào),經(jīng)濾波整流后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)上。電極位移傳感器測(cè)量精度為0.25μm,響應(yīng)時(shí)間為0.3ms。

1.2 試驗(yàn)材料

為了簡(jiǎn)化管材的制備和夾具的設(shè)計(jì),本文采用半圓形管材的結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。管材置于銅墊塊上方,通過兩個(gè)可左右移動(dòng)的銅壓板經(jīng)螺栓連接后實(shí)現(xiàn)管材的固定。

圖1 管板單面點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)管材和板材均為熱鍍鋅雙向鋼DP600,板材厚1.0mm,管材厚1.4mm,管材半徑分別為15mm和25mm,試樣寬度均為38mm。電極采用球面平頭銅電極,端面直徑為5mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接變形分析

在管板單面點(diǎn)焊過程中,由于管的內(nèi)部缺乏有效支撐,整體結(jié)構(gòu)剛度較小,在電極力作用下會(huì)產(chǎn)生較大焊接變形,管材的焊接變形示意圖如圖2所示。其中,D e表示電極力作用下的彈性變形,D p表示電、熱、力共同作用下的塑性變形。當(dāng)塑性變形較大時(shí),管材表面將出現(xiàn)焊接微裂紋。微裂紋的產(chǎn)生對(duì)焊點(diǎn)外觀和力學(xué)性能均產(chǎn)生不良影響,尤其是焊接鍍鋅板時(shí),鋅原子的滲入將加劇裂紋的擴(kuò)展,破壞接頭質(zhì)量。

在實(shí)際焊接過程中,由于管板單面點(diǎn)焊特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),彈性變形和塑性變形是相互耦合在一起的,而且從焊后接頭形態(tài)可以看出,塑性變形部分占有較大比例。

圖2 焊接變形示意圖

2.2 塑性變形提取方法

伺服焊槍采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電極位置、運(yùn)動(dòng)速度和電極壓力的精確控制。在加壓過程中實(shí)現(xiàn)與焊接工件的軟接觸,這樣就避免了沖擊對(duì)焊接工件的影響,從而減小了管材在加壓過程中的預(yù)變形。而且,通過提取分析伺服焊槍編碼器的反饋信息,還可實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)壓痕深度以及電極軸向磨損等數(shù)據(jù)的在線測(cè)量,并根據(jù)磨損程度進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償[4-5]。

利用伺服焊槍提取焊點(diǎn)壓痕時(shí),在點(diǎn)焊預(yù)壓階段結(jié)束時(shí)刻,獲取編碼器上電極位置數(shù)值。通電焊接結(jié)束后,再次調(diào)用板厚測(cè)量程序,獲取編碼器上電極位置數(shù)值。兩次數(shù)值的差值即為壓痕深度,如圖3所示,所測(cè)得的焊點(diǎn)壓痕為0.79mm。對(duì)于管板單面點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)而言,此處測(cè)得的焊點(diǎn)壓痕即為管板結(jié)構(gòu)的塑性變形。

圖3 焊點(diǎn)壓痕提取界面

焊槍變形和工件變形是導(dǎo)致壓痕在線測(cè)量誤差的主要因素。為了消除焊槍變形導(dǎo)致的測(cè)量誤差,在使用板厚測(cè)量程序時(shí),將板厚測(cè)量的電極壓力設(shè)為0。為了消除工件變形產(chǎn)生的測(cè)量誤差,在板厚測(cè)量過程中,使用控制器自帶的Gun Sag焊槍浮動(dòng)功能,來(lái)補(bǔ)償工件受壓變形量。通過伺服焊槍測(cè)量的焊點(diǎn)壓痕深度精度可達(dá)到0.01mm。

2.3 彈塑性變形分解

焊接過程中,焊接工件的總體焊接變形由激光位移傳感器采集的電極位移曲線計(jì)算得到,塑性變形利用伺服焊槍的壓痕在線提取技術(shù)獲得,兩者的差值即為焊點(diǎn)相應(yīng)的彈性變形。

圖4顯示了管材半徑分別為15mm和25mm時(shí),管板單面點(diǎn)焊焊接變形和塑性變形的結(jié)果,彈性變形等于焊接變形值減去塑性變形值,塑性變形值如表1所示。其中,電極壓力和焊接時(shí)間分別固定為2.4kN和260ms(13周波)。焊點(diǎn)總體焊接變形、彈性變形和塑性變形均隨著焊接電流的增加而線性增大。相同電極壓力作用下,塑性變形的增加程度明顯高于彈性變形的增大程度。而且,相同焊接條件下,當(dāng)管材半徑減小時(shí),彈性變形減小,塑性變形增大,使得焊點(diǎn)表面更容易出現(xiàn)熱塑性裂紋。

圖4 不同管材半徑下的焊接變形和塑性變形

表1 不同管材半徑和焊接電流下的塑性變形值

2.4 裂紋產(chǎn)生的工藝參數(shù)條件

為了確定不同管材半徑下出現(xiàn)焊接微裂紋的工藝參數(shù)條件,分別對(duì)半徑為15mm和25mm的管材進(jìn)行焊接試驗(yàn),焊后用光學(xué)顯微鏡觀察試樣表面是否出現(xiàn)焊接裂紋。

圖5顯示了不同管材半徑下的焊接裂紋產(chǎn)生的工藝參數(shù)條件?？梢?當(dāng)管材半徑減小時(shí),出現(xiàn)焊接裂紋的工藝參數(shù)條件邊界向左偏移。這與焊接變形的彈塑性分解結(jié)果相一致,當(dāng)管材半徑減小時(shí),塑性變形增大,接頭表面也就更容易出現(xiàn)焊接裂紋。

圖5 不同管徑下裂紋產(chǎn)生的工藝參數(shù)條件

3 結(jié)論

(1)結(jié)合伺服焊槍的焊點(diǎn)壓痕在線提取功能,能夠?qū)崿F(xiàn)管板單面電阻點(diǎn)焊過程中焊接變形的彈性和塑性分解。

(2)相同電極壓力和焊接時(shí)間下,彈性變形和塑性變形均隨著焊接電流的增加而線性增大,并且塑性變形的增加程度明顯高于彈性變形的增大程度。

(3)相同焊接條件下,當(dāng)管材半徑減小時(shí),塑性變形增加,彈性變形減小,使得接頭表面出現(xiàn)焊接裂紋的趨勢(shì)升高。

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Decomposition of Elastic and Plastic Deformation of Sheet to Tube Single-sided Resistance SpotWelding

Yang Honggang
ShanghaiDianji University,Shanghai,200245

Combined with the function of weld indentation extraction of servo gun,thewelding deform ation of sheet to tube sing le-sided spot welding was studied by experiments,and decomposition of elastic and p lastic deformation was realized.Research resu lts show thatelastic and plastic deformation willincrease linearly with welding current.Under the samewelding conditions,when the tube radius is decreased,elastic deformation gets smaller,and p lastic deformation is increased,w hich m ake welding cracks easily occur.Research resu lts can p rovide guidance for control o f thew elding deformation and crack of sheet to tube single-sided spotw elding.

sheet to tube single-sided spotwelding;servo gun;welding deformation;welding crack

TG404

1004—132X(2011)05—0608—03

2010—04—26

上海電機(jī)學(xué)院科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(10C417)

(編輯 袁興玲)

楊洪剛,男,1979年生。上海電機(jī)學(xué)院汽車學(xué)院博士。主要研究方向?yàn)楦邚?qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊焊接質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)與控制。發(fā)表論文10余篇。