浅析电容储能凸焊机焊接热成形钢零件

徐永吉，徐瑰瑰

1.上海屹丰汽车模具制造有限公司 上海 200949

2.凯里学院理学院 贵州凯里 556011

1 序言

随着汽车轻量化的发展，热成形钢板在汽车A柱、B柱、保险杠及防撞梁等车身部件上应用广泛。热成形零件焊接一直是汽车制造比较关注的话题，从其焊接性讲，常规焊接设备在使用过程中受电网、材料（涂层、力学性能）等因素制约，容易导致产品出现焊后质量缺陷，使生产过程难以管控。

本文通过介绍新型电容储能凸焊机焊接原理、产品焊接实例和相关试验，重点阐述其在汽车热成形零件上焊接紧固件（凸焊类）的应用能力。

2 电容储能凸焊机工作原理及应用

电容储能式凸焊机是利用电容储存能量而在瞬时释放出电流，即利用集中大电流向小面积凸点传导，而起到熔接效果：焊接过程只在十几毫秒内完成，其间通过数万安培到几十万安培的次级熔接电流[1]。因此，在焊接时因产生热量而导致工件局部变形的缺陷会有所减少。

电网三相交流经整流电装置整流后，对电容器组C进行充电，焊接时，晶闸管VTH导通，C对焊接变压器T一次绕组放电，在二次侧获得峰值大、时间短的脉冲电流，开关S为转换开关，用于通往焊接变压器T的电流变换方向，防止变压器单向通电饱和[2]。电容储能电阻焊电源电路原理如图1所示。

图1 电容储能电阻焊电源电路原理（VD：续流二极管）

由于电容储能焊机的充电电流远小于放电电流，对电网冲击比较小，对电源功率要求不高，故焊接过程不受电网波动影响，焊接稳定性良好。之前由于其高效稳定性及焊接特殊性，被家电行业、卫浴行业等广泛使用，随后在汽车行业开始普及，适合焊接低碳钢、不锈钢、铜合金等产品。

目前，汽车行业使用的热成形零件有表面镀Al-Si涂层和无涂层两类，由于其屈服强度达到1300MPa左右，金相为马氏体组织，材料加入了合金元素（如Mn，Si，Cr，Ni，B），元素B的加入，提高了钢的热强性，因此焊接时需要很大的焊接压力，而常规工频交流焊机和中频直流逆变焊机在热成形零件上焊接紧固件，难以保证焊后产品质量检测的稳定性，导致焊接紧固件熔深达不到0.2mm，且凸焊螺母的螺纹容易变形。选择电容储能式凸焊机作为热成形零件的焊接设备，经过反复试验和生产验证，发现该凸焊机在焊接热成形零件方面，焊后质量检测结果表现较好。

3 电容储能凸焊机结构

整个焊机系统由机械系统、储能系统、电气控制系统及冷却系统组成。以型号DR20KJ的电容储能凸焊机为例（下同），采用C型结构，由储能组件、机架、工作台、垂直气缸座、加压机构、焊接二次回路、阻焊变压器以及电气控制回路等组成。其外部结构如图2所示，分为主视图和左视图。

图2 单头电容储能凸焊机结构

从设备外部结构看，与一般工频、中频凸焊机对比，储能式凸焊机重点在于放电变压器和储能焊接控制器有差异。如放电变压器，为保障电容瞬时大电流的彻底输出，采用高导磁硅钢片，并用环氧树脂真空浇注而成，特殊工艺设计。如储能焊接控制器，使用PLC、数控焊接主板系统和工业人机界面等相结合方式，实现焊接参数实时监控，并控制稳压误差＜1%。

4 凸焊试验

（1）产品应用介绍 某汽车公司零部件常用钢板包含热成形钢板和普通镀锌低碳合金钢板，需凸焊螺母紧固件。不同板材厚度与应用环境所对应螺母规格不同，文中选择公司常用的板材与紧固件进行焊接试验，母材材质、料厚、紧固件规格等信息见表1，使用20kJ容量的电容储能凸焊机，并选择合理的焊接参数，见表2。

表1 试验材料描述

表2 主要焊接参数

（2）破坏检测 在破坏试验时，主要检测拉脱力、拉脱力破坏程度、金相试验等。对上述4组焊接紧固件进行力学性能和金相检测，其中第2组母材为低碳合金钢，其余组别为热成形钢。

1）力学性能检测。使用微机控制电子万能试验机（型号：WDW-50C）做试件拉脱力试验，该试验机最大负荷50kN。上述4种螺母拉脱力试验，根据主机厂技术标准，体现检测平均值和合格与否情况，结果见表3。

表3 拉脱力试验要求及结果

从表3可看出，顶出试验均合格，检测值高于主机厂技术标准。通过对焊接紧固件做破坏试验，从实物状态图3中看出，图3a中破坏试验的断裂位置在螺母上，没有形成虚焊，图3b、图3c中实现“脱扣”要求，且凸点全带出母材，热成形板除第4组外（该四角螺母为铜合金，凸点较小，且母材过厚），符合技术要求。

2）金相检测。对上述焊接紧固件使用金相切割机进行切割，再经过抛光、腐蚀等工序，用体视显微镜（型号：C900）观察，查看熔深、螺母和母材间隙、焊接缺陷的信息，金相检测结果如图4所示。

图4 金相检测结果

从金相图查看，第1组六角螺母M14金相熔深达到0.42mm，第2组法兰盘M6金相熔深达到0.77mm，第3组圆螺母M8金相熔深达到0.41mm。所有熔深均能超过0.2mm，且熔核无内部缺陷，紧固件与母材之间贴合紧密，符合技术要求。第5组试验因焊接螺母凸点大小约2mm，按照客户技术要求，不再做金相检测，只需进行力学性能检测。

5 缺点

1）由于其需完成一次焊接（放电）后进行二次充电储能过程，因此与中频凸焊机相比，储能式凸焊机完成单个紧固件的工作时间较长。

2）因为电容器充放电过程中充电回路要消耗较大电能，所以能量转换率比其他类型焊机低。

3）若设备长期频繁使用，电容器需要快速充放电，导致其寿命短，特别是电解电容器，寿命周期约为两年[2]。

4）储能式焊接电流波形陡升陡降，短时间、硬规范，焊接低碳钢时，需谨慎选择焊接参数。

6 结束语

通过以20kJ容量的电容储能凸焊机为例，进行一系列焊接生产验证试验，发现储能凸焊机在热成形钢上焊接紧固件，其产品力学性能和金相检测均能满足客户技术要求，解决了以往热成形钢板凸焊紧固件因强度低、虚焊等造成质量不合格的问题。