博世UIR技术在汽车高强钢电阻点焊上的应用
刘东阳;张正林;徐洋;王阳
【摘 要】根据高强钢板的物理特性,介绍高强钢板电阻点焊的难点,通过优化焊接参数,如增大焊接压力、延长焊接时间、减小焊接电流、增加焊前预热、减小修磨间隔点等可以有效消除高强钢点焊过程中的焊点毛刺、焊点裂纹和熔核缩孔等缺陷.简述博世UIR系统的动态电阻检测原理、恒功率补偿原理和焊点质量监控原理.采用UIR系统采集并建立焊点的标准动态电阻曲线,根据标准动态曲线对点焊过程进行能量补偿,有效弥补高强钢点焊常见的飞溅导致的能量损失,提高焊点质量.通过UIR系统监控功能有效保障焊点质量和点焊过程的稳定性,满足高强钢实际生产需要,并延长电极使用寿命.%This paper introduces the difficulties of resistance spot welding of high strength steel plates according to its physical characteristics,and the welding problem of high strength steel is solved by optimizing welding parameters.The theory of dynamic resistance detection,constant power compensation and solder joint quality monitoring system of Bosch UIR system are briefly introduced.The UIR system is used to collect and establish the standard dynamic resistance curve.The energy compensation of the
spot welding process is carried out according to the standard dynamic curve,which can effectively compensate the energy loss caused by splashing of high strength steel spot welding and improve the quality of the solder joint.The monitoring system of UIR system could effectively guarantee the quality of solder joints and the stability of spot welding process,meet the mass production needs,and extend the electrode life.
【期刊名称】《电焊机》
【年(卷),期】2017(047)003
【总页数】4页(P109-112)
【关键词】电阻点焊;动态电阻;恒功率;高强钢
【作 者】刘东阳;张正林;徐洋;王阳
【作者单位】上汽大众汽车有限公司,上海201805;上汽大众汽车有限公司,上海201805;上汽大众汽车有限公司,上海201805;上汽大众汽车有限公司,上海201805
【正文语种】中 文
【中图分类】TG457.11
未来汽车的发展方向是轻量化、节能减排和提高安全性。减少燃油消耗、降低排放与汽车轻量化密切相关，相关研究表明，汽车自重每降低10%，燃油消耗可降低约6%～8%，排放可降低约4%[1-2]。减重、节能和减排可以通过提高材料强度或降低材料密度来实现。提高安全性主要通过合理设计车身和选用具有高吸收撞击能的材料。热冲压高强钢是超高强度钢种中轻强度级别最高的钢种，钢板成形与热处理同时完成，不但使成形件具有优异的力学性能，而且解决了因钢板强度级别提高而成形性变差的问题[3]，必将在汽车重要受力构件（如防撞梁、B-柱等）上得到广泛应用[4]。
博世力士乐推出的全新动态电阻控制方法，即UIR（Voltage/Current regulator）系统，能够通过监控焊接过程中的动态电阻来控制焊接质量。目前已经广泛应用于汽车生产中，例如北京奔驰、一汽大众、长安福特等公司均已采用相关产品[5]。
上汽大众在新车型项目导入中，对于中频点焊机均已批量采用博世UIR系统，新车型的热冲
压高强钢比例也有较大提升。本研究在此基础上，初步分析热冲压高强钢的UIR动态电阻监控。
高强钢主要是通过细晶强化、固溶强化以及相变强化等强化机制来提高钢材强度。此外，高强钢有时还通过在低碳钢中添加少量的铌或钛等合金元素，使其与碳、氮等元素形成碳化物、氮化物并在铁素体基体上析出的方法提高钢的强度[6]。与传统的低合金钢相比，高强钢具有优异的塑性和强度。
高强钢合金元素复杂，点焊工艺不当时易出现淬硬组织，使用时容易产生结合面断裂[7]。同时因其强度较高，点焊时需要较大的电极压力，造成电极头磨损严重，缩短电极寿命。相比低碳钢，高强钢更易产生飞溅，工艺窗口较窄。另外，高强钢焊接时电极变形、磨损严重。当温度达到一定程度时，电极工作面就会在点焊过程中的压力作用下迅速变形，甚至被压馈，加快电极磨损，且易发生飞溅，最终影响焊点质量。
针对高强钢的焊接特性，在实际点焊过程中可以采用增大焊接压力、延长焊接时间、减小焊接电流、增加焊前预热、减小修磨间隔点等方式来消除焊点毛刺、焊点裂纹和熔核缩孔。
北京奔驰汽车有限公司
博世公司（BoschRexroth）推出了全新的动态电阻控制方法UIR（U/I Regulator），能够实现电阻点焊过程中的焊点动态电阻测量、恒功率补偿以及监控焊接质量。
2.1 动态电阻测量原理
电阻点焊焊接区的电阻是工件内部产生热源的基础，因此焊接通电区电阻是影响点焊质量的重要因素。深入研究动态电阻，不仅可以了解焊接区电阻在点焊过程中的变化规律，还能够利用动态电阻的变化规律监控点焊过程，以获得良好的焊接质量[8]。
焊接时电阻检测原理如图1所示。博世UIR系统通过集成在变压器中的电流传感器测量出焊接通电时的二次瞬时电流Iw，通过安装在焊钳上下电极之间的电压测量传感电缆测量出焊接区的瞬时电压U。在点焊过程中，动态电阻为
式中 Rw为焊接区动态电阻（单位：Ω）；U为焊接区瞬时电压（单位：V）；Iw为焊接瞬时电流（单位：A）。
然后根据动态电阻值随时间的变化，生成动态电阻曲线。
2.2 恒功率补偿功能
UIR系统恒功率补偿功能如图2所示。在恒电流模式下焊接板材，不断优化参数保证焊点合格后，储存合格焊点的标准动态电阻曲线。在以后的焊接过程中，将实测动态电阻曲线与标准动态电阻曲线进行比较、计算，求出控制调整量。通过调整焊接电流I和焊接时间t来确保实际被焊接焊点的能量大于等于样本焊接能量。
产生的总热量为
式中 Q为产生热量（单位：J）；I为焊接电流（单位：A）；R为工件电阻（单位：Ω）；t为通电时间（单位：s）。
2.3 焊接质量监控
尽管采用恒功率补偿功能能够有效提高焊点质量，但此过程为控制器自动调整无法进行人为干预，因此在UIR系统中增加了监控功能。通过监控焊接过程中两个重要参数来监控焊接质量，避免分流、板材匹配差等导致的焊接批量缺陷。这两个参数分别是UIP和PSF。
（1）UIP质量指标点。UIP由几个变量组成，依靠一个数字提供全面的质量信息。它能以曲线测量为基础自动计算出一个数值，而这个数值能够提供一个焊接质量的评估值。
（2）PSF过程稳定因子（Process stability）。通过对比实测动态电阻曲线和标准动态电阻曲线之间的差异量得到过程稳定因子。如果PSF数值为100%，说明实际焊接的状态和样本曲线完全一致，如果PSF为80%，说明实际焊接状态和样本曲线有20%的差异。
通过BOS6000软件对这两个数值设定一个公差带，当这两个监控量中任意一个数值超过设定公差带，控制器将会发出Q-stop的报错并停止工作，从而达到在线监控焊接质量的作用。
针对热冲压高强钢的点焊特性和焊接质量要求，采用博世UIR系统的中频逆变直流电阻焊机来保障焊点质量。
3.1 建立标准动态电阻曲线
通过焊接工艺试验，从熔核大小、压痕深度、焊点外观等方面检测，焊出符合公司标准要求的合格焊点，并保证焊点无飞溅、毛刺等缺陷。优化前后的参数对比如表1所示，优化前后的焊点表面状态对比如图3所示。
开启UIR系统的测量开关，采用优化后的参数稳定焊接多个焊点后，生成标准动态电阻曲线，如图4所示。
将标准动态电阻曲线导入控制器后，开启UIR调整功能，对焊接过程做恒功率补偿，通过设置焊接电流和时间的补偿量来保证焊接质量和焊接节拍，如图5所示。
最后开启UIR系统的质量监控功能，如图6所示，通过设置UIP和PSF的公差来监控焊点质量和过程稳定性。