电阻焊质量可靠性渊源于设备的精密控制
张华坚 周良玉

(北京联信邦机械有限公司 北京昌平科技园区白浮泉路10号706室 102200)

摘 要：本文概述了现代飞行器对电阻焊质量控制的新要求；以BRITISH FEDERAL 的产品为例，论述了电阻焊质量精密控制的方式；并例举了某些焊机工艺试验的部分结果。

Summary: Summary on the new requirements of resistance welding quality control for modern aero components; Detailed descriptions has been given to the means of precision resistance welding quality control based on the features of British Federal aero type DC machines; Typical welding sample lab test results will be given in this literature.

关键词：飞行器 电阻焊质量 精密控制

0 前 言

随着空间的技术、材料科学、微电子和计算机技术的迅猛发展，军用和民用航空和航天器，如卫星和载人航天飞船（Manned Spacecraft）的运载工具——火箭及其推进装置火箭发动机，各种用途的导弹、飞机及其各自的发动机（以下统称飞行器）等性能均取得了长足进步，结构、材料及其采用的技术标准发生了较大变化。其中之一是，为了提高机动性能，尽力降低起飞重量，增加航程，用高强度的超级材料代替常规材料，减轻自重，提高推（力）重（量）比。当今先进的飞行器，无一例外地广泛采用合金组元复杂的高强度铝合金、钛合金超级高温合金，马氏体不锈钢、高强度合金结构钢乃致复合材料。做为薄壁结构的飞行器，电阻焊仍然是它的主要连接方法之一。但是由于壁厚减薄，材料焊接性变差，致使电阻焊可供选择的工艺参数范围很小，而验收的质量标准大大提升，这就要求对工艺过程实施精确控制和监控，以确保焊接质量的可靠性和焊件使用的安全性为目的，BRITISH FEDERAL、Sciaky(USA)等世界知名电阻焊机制造厂商，于二十世纪末相继开发了航空、航天领域使用的，低惯性耐磨线性滚动导轨，电流、电力曲线可编程，好毫秒级响应速度的双作用薄膜气缸加压系统，对工艺参数进行精密控制和监控的计算机控制的电阻焊机，经多国使用证明，它们的产品完全能满足各国军用标准（如MIL-W-6858D）规定的质量和产品安全性要求。

1 BRITISH FEDERAL产品特点

BRITISH FEDERAL是集科研开发、生产、销售为一体的电阻焊机专业化公司。主要面向世界航空航天、兵器、汽车、制桶包装等工业领域，提供先进的三相次级整流和中频逆变两大类直流电阻焊机。

针对现代航空航天产品技术性能、结构、材料、质量标准及其管理体系不断提升的新态势，我们不断创新，向航空航天领域用户提供的是具有世界先进水平的电阻焊机，包括点焊机，纵向缝焊机，周向缝焊机，或者纵横两用缝焊机，按照用户要求，也可提供点焊，纵横两用缝焊三者合一的更换方便的电阻焊机。

它们有许多共同特点，其先进性主要有：

· 机身刚性好，焊头按低惯性设计、垂直运运为轻合金结构，配有预加载荷的线性球形滚动滑轨。滑块通过上、下气室双作用薄膜式气缸操纵，薄膜气缸直接安装在滑轨总成的上方，可提供7～12mm焊接工作行程，以及用手工或空气马达无级调节的0～150mm辅助行程。

· 配有32位微处理器计算机控制、可实现全过程监控的WS4000A系列控制系统，它能储存128套或与之成倍累加的焊接规范。能控制点焊、连续点焊、缝焊、滚点焊等多种操作模式。时间参数设定不会出现任何偏离，对各段焊接脉冲（1—16段）可进行次级闭环恒流控制和监控。

恒流控制是保证航空航天产品的必要条件，如网路电压波动，工件厚度变化，材质及表面状态变化等等，都会波及焊接端电压、但要求焊接电流恒定，此时传感器起作用。

通常，恒流控制是用上一1/2周波进行监控检测，即每半波采样若干次，信号经过积分复原，通过A/D转换，进入CPU，求出半波电流有效值，并与预先设定的电流有效值进行比较，根据两者的差值，下一1/2周波自动校正，保持恒流。如初级电压在±15%范围内波动时，通过次级闭环恒流控制，可达到全量程±2%的次级恒流精度。

· 自行开发了可适时升级的WS98-4000编程软件，焊接参数全柔性编程。

· 可配置工业奔腾PC及10.4＂彩色触屏显示，可显示每半周波实际压力KN值（精确到X.XXKN）和实际电流KA值（精确到X.XXKA），并同时显示压力和电流曲线。有6GB内存硬盘，带有RS232打印接口和以太网络接口。

· 可在硬盘内储存高达10万个焊点的电流和压力数据，供随时调用查询，质量追踪性强。

· WS4000A控制系统具有较强的自诊断功能，能够提供大量资料，如输入输出条件、微处理器状态，电压、频率、压力等等。

· 配置了响应速度极快且可编程的气动加压系统。焊接及锻压力值及其曲线形状可按工艺要求任意编程。加压系统内置有经过计量部门标定的高精度压力载荷传感器，经过A/D变换，在每半周波实时显示出实际压力值。气路系统配置两个编程，响应速度为MS级的比例自动调压阀，当焊接高电阻或裂纹倾向敏感合金制成的工件时，能在20ms时间内及时提供预压力和锻压力。

· 缝焊或滚点焊时，焊接速度采用了以编码器作为检测元件，精确的伺服驱动闭环控制，按工艺要求任意编程。

· 主动力回路的变压器、可控硅、硅整流元件都设置有水冷恒温自保系统。

设备上述特征足以证明，在焊接过程中，所有工艺参数（如时间、电流、压力、焊接速度等）都处于精密控制和监控之中，它完全可以满足现代飞行器电阻焊质量标准要求。

2 中频逆变直流电阻焊

近年BRITISH FEDERAL开发了控制范围为50-5000A的MF-PAK中频逆变器，可与最大功率达500KVA的电阻焊机配套，实现中频逆变直流电阻焊。使用的控制系统可以是先进的WS4000A系列，也可选用WS700ms型控制器。
中频逆变直流电阻焊机系统原理见下左图，波形见下右图。

尽管中频逆变直流电阻焊机中的主要元器件价格仍然昂贵，但是还是快速进入实际应用领域，因为它具有一系统优点：

·三相负荷均衡；变压器尺寸很小，输入功率低；电容性负载，功率因数高达0.9，节能。

·由于频率高达1000-1200Hz，次级电流输出能力强，且波形平直，溶核尺寸稳定的范围扩大。几乎不产生飞溅，且焊接初级阶段电流呈自然递增，焊点表面质量好。

·由于中频频率高，恒流响应速度快，响应速度以μ s计。

·因为没有明显的峰值电流和飞溅，延长了电极使用寿命。

3 BRITISH FEDERAL设备稳定性调试

按照国际惯例，焊机在正式投产前，买卖双方还要在用户现场进行最终交付验收，除对性能指标、技术参数进行必要的复测外，重要的一环是用试件或模拟件进行工艺试验。使用的质量验收标准，通常都是依据美国军用规程MIL-W-6858D《电阻点焊和缝焊》对A级焊缝的质量要求，该标准是目前国际上较先进的军用标准，检查项目齐全，先进合理。

当然对于那些传统使用的活塞式加压系统、气路响应速度慢或响应时序不准确、未配置低惯性无摩擦线性滚动导轨的电阻焊机，虽用计算机改造了控制系统，按该标准验收并非易事。据前三年不完全统计，中国航空航天领域引进该类设备31台，其中从英联邦公司引进18台，占58%，而且是一次交付，投产合格率达100%。

对于点焊机来说，最难达标的莫过于裂纹倾向敏感的合金100对试件剪切强度试验，特别是它们的一致性指示。下表1 例举了我们的部分调试结果。

NO	材料牌号	板材厚度 mm	材料组别1——铝合金					材料组别2——钢					试验用Federal焊机编号
			最小值		最小平均值		一致性	最小值		最小平均值		一致性
			要求	实际	要求	实际	90%试件为平均值的0.875-1.125倍10%试件为平均值的0.75-1.25倍	要求	实际	要求	实际	90%试件为平均值的0.9-1.1倍10%试件为平均值的0.8-1.2倍
1	LF6	3	6574	10310	8250	12181	最大为12590N为平均值的1.0615倍；其中最小为10310N为平均值的0.8465倍*						30013
2	LY12CZ（2024，or Uk DTD5090）	3	8673	9400	10840	10880	最大为12800N，为平均值为1.13倍 ；最小为10880N，为平均值的0.86倍*						30011
3	1Cr18Ni9Ti (AISI321orUk 32IS20)	0.8						2515	11600	3090	11639	最大为平均值的1.034倍 ，最小为0.959倍	30013
4	1Cr18Mn8Ni5N (AISI202)	2.5						17790	22894	21590	25149	最大为平均值的1.095倍，最小为0.9103倍	30002
5	1Cr13 403or Uk EN 56A	0.3						665	1040	825	1101.5	最大为平均值的1.08倍，最小为平均值的 0.946倍	30002

4 焊接工艺参数的优化

一台对焊接过程及其工艺参数进行精确控制和监控的电阻焊机，为产品质量可靠性和使用安全性提供了一个主要手段，但工艺参数合理设定和优化设计仍然十分重要。特别是现代飞行器对制造工艺提出更高要求，选用不少裂纹倾向敏感的材料，且组合厚度差大。同时，这类焊机购置费用高，各企业不可能按需配置多种容量的设备，常常出现需用中等功率（150-200KVA）来焊接厚度0.3～0.5mm的马氏体不锈钢和缝焊3.0mm的高强度马氏体低合金钢，在这些特例中，参数不优化，很难满足标准要求。我们在调试过程中，曾观察过一个例子：0.3mm 403马氏体不锈焊点焊，在其它参数完全不变的情况下，电极压力由2.50KN增至2.71KN，溶透率由60%降至48%，溶核直径由2.03mm增宽到2.58mm，可见，参数稍有变化，导致焊接质量变化十分明显。

5 我们的建议

鉴于不断出现的新情况和高要求，在电阻焊产品多的企业，建议投入一定的资金和人力，对电阻焊工艺进行计算机优化设计，建立本企业乃致整个行业的专家系统和数据库是完全必要的，因为对于具有精密控制和监控的CNC电阻焊机，已不再是惜日各焊机使用参数不通用的状态，而是可以长期保存，除个别因尺寸和形状特殊者外，成果可以共享。

欢迎航空航天焊接专家光临我们在第九届北京艾森焊接展览展台：9号馆 9527-9528 号。共同探讨航空电阻焊接质量控制，装备功能和工艺优化问题。

作者简介:

张华坚 女 自1993年- 2004 年负责BRITISH FEDERAL 英国联邦公司北京办事处市场代表, 现任北京联信邦机械有限公司总经理, 继续从事电阻焊接设备的技术咨询服务;

周良玉 男 高级工程师 中国焊接协会第五届理事 现受聘北京联信邦机械有限公司高级焊接工艺顾问