IVOSTUD螺柱焊異常橫焊缺陷分析及優(yōu)化

孫德能，毛中正，張明，孟松

(北京奔馳汽車有限公司，北京 102600)

0 前言

螺柱焊作為白車身焊接工藝中典型的焊接技術(shù)，主要分為儲能式和拉弧式螺柱焊機，拉弧式螺柱焊機是汽車生產(chǎn)制造過程中運用最為廣泛的設(shè)備類型[1]。目前國外擁有諸多較為成熟的螺柱焊品牌，例如德國的TUCKER和IVOSTUD，英國的TAYLOR都是專門從事螺柱焊設(shè)備、工藝研究生產(chǎn)的公司[2]。而國內(nèi)螺柱焊技術(shù)的發(fā)展相對滯后，尚無強勢的從事相關(guān)螺柱焊設(shè)備生產(chǎn)研制的公司，當(dāng)前國內(nèi)各汽車生產(chǎn)商仍較多的使用國外螺柱焊品牌，常見的例如TUCKER和IVOSTUD，文中所進行的各項焊接技術(shù)的研究測試即是針對德國艾沃斯達(dá)特（IVOSTUD）公司生產(chǎn)的螺柱焊槍[3]。

隨著時代和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展進步，汽車生產(chǎn)過程越來越追求數(shù)字化、精細(xì)化管理，這對于汽車生產(chǎn)制造過程使用的生產(chǎn)設(shè)備廠商也提出更高的要求[4]。各汽車廠商更多的要求設(shè)備生產(chǎn)廠商設(shè)計的焊槍能對生產(chǎn)過程中的各項質(zhì)量相關(guān)參數(shù)進行更精細(xì)的監(jiān)控，以方便技術(shù)工程師進行精準(zhǔn)有效管理[5]。戴姆勒奔馳作為一家豪華汽車生產(chǎn)廠商始終堅持將質(zhì)量意識貫徹在設(shè)計和生產(chǎn)制造的全過程中，因此對生產(chǎn)設(shè)備提出諸多要求[6]。

IVOSTUD螺柱焊設(shè)備為戴姆勒首次在奔馳C級車車型上引入，在此之前此廠商在質(zhì)量參數(shù)監(jiān)控上無成熟設(shè)計經(jīng)驗，在戴姆勒提出設(shè)計要求后針對戴姆勒車型特殊設(shè)計了一套螺柱焊N4s系統(tǒng)[7]。因為是首次在實際生產(chǎn)中使用，此系統(tǒng)在質(zhì)量監(jiān)控上有諸多不成熟之處在實際生產(chǎn)中逐步顯露出來，并產(chǎn)生了部分質(zhì)量問題。文中圍繞解決該設(shè)備生產(chǎn)中產(chǎn)生的質(zhì)量問題展開細(xì)致的研究分析，并最終解決了該質(zhì)量問題[8]。

1 螺柱焊工藝流程及參數(shù)簡介

IVOSTUD螺柱焊系統(tǒng)主要由N4s控制系統(tǒng)、FSE送料器和KSE焊槍3部分組成，N4s控制送料和焊接全過程，F(xiàn)SE負(fù)責(zé)輸送螺柱，KSE負(fù)責(zé)接收和完成螺柱的焊接[9]。焊槍接收到螺柱后由N4s發(fā)出前伸指令，槍頭動作；螺柱尖端接觸車身，焊槍提升線圈接通電流通過磁芯帶動槍頭同時提升螺柱，引出輔助電?。浑S后引燃主電弧，螺柱和母材熔化；焊接結(jié)束后，螺柱被焊槍壓入液態(tài)熔池，在極短時間內(nèi)與熔池完成接合，螺柱焊接完成[10]，如圖1所示。

圖1 IVOSTUD螺柱焊焊接工藝流程

IVOSTUD螺柱焊系統(tǒng)包含的主要質(zhì)量參數(shù)有電流值、焊接時間、焊前釘位移、焊接電壓值和熔池深度，相關(guān)參數(shù)要求見表1。

表1 IVOSTUD螺柱焊焊接工藝參數(shù)

以上工藝參數(shù)t= 25 ms和I= 1 100 A為系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，焊前釘位移s= 27 mm、熔深值d= 1.9 mm和電壓值U= 27 V為結(jié)果參數(shù)，每次焊接都存在一定差異，只要在公差要求范圍內(nèi)即可。各參數(shù)中焊前釘位移s和熔池深度d為該文研究的主要參數(shù)[11]。

焊前焊釘位移的物理解釋是：焊釘輸送至焊槍槍頭的夾頭處，露出釘帽部分，系統(tǒng)發(fā)出焊接指令，槍頭帶動焊釘向前移動，至頂帽前端接觸到車身這一過程移動的距離即為焊前釘位移。系統(tǒng)依據(jù)上一次相同焊點成功焊接的釘位移s1作為參考，與本次焊接測量的釘位移s2的差值s1-s2進行對比，示意簡圖如圖2a差值不超過設(shè)定值則無報錯可焊接。焊前釘位移公差值監(jiān)控設(shè)置主要用于監(jiān)測焊釘狀態(tài)是否正常，按照廠家建議焊前釘位移設(shè)定為28 mm，公差為4 mm，大于此設(shè)定值時無法通電并完成焊接。

圖2 焊前釘位移和熔深值示意圖

熔池深度簡稱熔深值即焊槍完成拉弧后焊釘下落接觸到熔池后，槍頭推動螺柱插入熔池移動的距離值，示意簡圖如圖2b熔池深度決定了焊釘?shù)暮附淤|(zhì)量，過大會對工件有影響，過小容易掉釘。熔深監(jiān)控主要用于監(jiān)測熔池深度是否正常，按照廠家建議設(shè)定為2 mm，公差為2 mm。

2 異常橫焊問題引入

圖3為螺柱焊正常焊接與異常焊接狀態(tài)對比。在首次引入此螺柱焊系統(tǒng)的項目SOP后不到半年的時間內(nèi)，IVOSTUD系統(tǒng)焊接的焊釘發(fā)生了3次以上批量異常橫焊質(zhì)量問題，焊釘水平或偏移焊接在車身表面。

圖3 螺柱焊正常焊接與異常焊接狀態(tài)對比

經(jīng)過查看相關(guān)歷史記錄未發(fā)現(xiàn)任何相關(guān)焊前釘位移偏差或熔深值偏差報警。后對問題焊槍深入分析并在測試站進行問題重現(xiàn)，最終判定導(dǎo)致焊釘異常橫焊的根本原因是焊槍夾頭疲勞斷齒，夾持焊釘?shù)膴A頭其中一根齒缺失導(dǎo)致焊釘被橫向推出。此外，此狀態(tài)下系統(tǒng)的焊前釘位移和熔深值監(jiān)控并未被觸發(fā)，最終導(dǎo)致焊釘橫置焊接在車身上。

從各主要參數(shù)來看，與此問題相關(guān)的有兩個重要參數(shù)，分別是焊前釘位移廠家建議設(shè)定為28 mm，公差為4 mm和熔深值廠家建議設(shè)定為2 mm，公差為2 mm。焊接前后系統(tǒng)均未觸發(fā)報警，可分析得知發(fā)生橫焊時的2個參數(shù)值在系統(tǒng)設(shè)定的監(jiān)測值范圍內(nèi)。

經(jīng)過與IVOSTUD的溝通，其技術(shù)人員建議將焊前釘位移和熔深值監(jiān)控進行修改，基準(zhǔn)值仍設(shè)定為28 mm和2 mm，公差改為3 mm和1 mm。在參數(shù)更改兩個月的時間內(nèi)，同樣發(fā)生了異常橫焊問題，同時由于公差變小設(shè)備頻繁出現(xiàn)焊前釘位移和熔深值偏差報警，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，圖4展示了CW51前后參數(shù)更改設(shè)備總停機時間（min）對比。

圖4 參數(shù)更改前后設(shè)備停機時間對比

基于以上問題出現(xiàn)，且設(shè)備設(shè)計廠家亦無有效方案解決異常橫焊問題，為了進一步了解異常橫焊過程焊前釘位移和熔深值問題特進行以下測試研究。

3 異常焊接測試研究

3.1 模擬測試試驗

在試驗區(qū)域搭建測試站，圖5a為模擬實際生產(chǎn)環(huán)境搭建的焊接測試系統(tǒng)，包含控制柜、送料器和焊槍組成的螺柱焊系統(tǒng)和機器人、工件等輔助工具，方便能進行焊接試驗。圖5b為焊槍焊接測試時的狀態(tài)。

圖5 焊接測試圖

3.2 試驗描述

焊接分為7組試驗，每兩組之間互相進行對照，每組試驗焊接50顆焊釘，因主要研究焊前釘位移和熔深值對橫焊的影響，試驗過程中針對焊前釘位移和熔深值特殊記錄：①共6組試驗，每把槍試驗前先用正常夾頭進行50次焊接，破壞夾頭一根齒做50次橫焊試驗；②夾頭斷齒后頂桿頂出的焊釘狀態(tài)比較隨機，正常、傾斜（頭朝前和尾朝前）、水平、翻轉(zhuǎn)的情況均有出現(xiàn)；③7項斷齒測試一共模擬出四種橫焊情況，焊釘水平、焊釘頭先焊上、焊釘尾先焊上、兩顆釘出現(xiàn)在夾頭里第一顆釘水平橫焊上；其他倒焊及斜焊的情況均有出現(xiàn)；④每個夾頭在進行長時間的橫焊試驗后（約100次橫焊）均嚴(yán)重?fù)p毀無法再夾住焊釘。

經(jīng)過多次試驗并嚴(yán)格記錄每一次試驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析制作出如圖6所示可視化圖表。

圖6 位移值和熔深值可視化分析對比

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和可視化分析圖表，對試驗數(shù)據(jù)深入分析，總結(jié)出各組試驗數(shù)據(jù)，以焊前釘位移和熔深值分別為研究對象，統(tǒng)計出每次試驗時不同參數(shù)監(jiān)控值設(shè)置在特定范圍內(nèi)能監(jiān)測出異常橫焊的概率，得出表2中后2列所示概率。

表2 位移和熔深監(jiān)控出異常橫焊的概率

3.3.1 理論效果分析

以上測試試驗驗證了焊前釘位移監(jiān)控設(shè)置為2 mm時對橫釘橫置有較好監(jiān)控效果，概率大于80%；熔深對橫焊監(jiān)控不明顯，公差設(shè)置為1 mm時可監(jiān)控概率小于20%，且大部分熔深監(jiān)控能檢測出的橫焊在焊接之前焊前釘位移監(jiān)控亦能發(fā)現(xiàn)。

3.3.2 實際效果驗證

焊前釘位移監(jiān)控能監(jiān)控出焊接開始前非正常送釘?shù)拇蟛糠智闆r，監(jiān)控效果與夾頭損壞程度有關(guān)；結(jié)合圖表分析出現(xiàn)橫焊后熔深值整體偏大，但不會大于熔深監(jiān)控上限，且橫焊與正常焊接時工況和工藝參數(shù)幾無差異，熔深監(jiān)控?zé)o法準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)橫焊。

總結(jié)可知，焊前釘位移設(shè)置為2 mm較合適，低于此值設(shè)備報警較多，高于此值監(jiān)控橫焊效果不佳；當(dāng)熔深值出現(xiàn)低于0.5 mm多是因工件或焊槍不穩(wěn)定，此時焊釘焊接質(zhì)量實際不佳，因此可將熔深監(jiān)控設(shè)置下限值大于0.5 mm，無需設(shè)置上限監(jiān)控。

3.4 異常橫焊測試結(jié)論

經(jīng)過以上試驗驗證得出重要結(jié)論，該螺柱焊設(shè)備出現(xiàn)焊釘橫焊質(zhì)量問題的原因是夾頭斷齒導(dǎo)致焊釘被頂桿橫向推出，且該設(shè)備無有效功能直接監(jiān)控斷齒的發(fā)生。①經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，夾頭使用次數(shù)監(jiān)控設(shè)置20 000并及時更換夾頭，作為第1道防線；②設(shè)置焊前釘位移監(jiān)控2 mm，可保證80%的焊釘橫置在焊接前被發(fā)現(xiàn)，作為第2道防線；③熔深監(jiān)控成功率不足20%，設(shè)置不合理會有誤報警，設(shè)置大于0.5 mm，作為第3道防線；④生產(chǎn)實際中，盡管有以上3種參數(shù)保障質(zhì)量問題大概率不發(fā)生，但均無法完全避免，因此若現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)夾頭斷齒，需對前車進行排查，作為第四道防線。圖7為四道防線示意簡圖。

圖7 四道防線示意簡圖

通過以上4道防線可為現(xiàn)場IVOSUD螺柱焊設(shè)備焊接焊釘提供質(zhì)量保障，將進一步展示該研究在實踐中運用以上試驗結(jié)論并取得良好成效的實踐。

4 實踐效果驗證

在完成以上焊接測試和結(jié)論分析后，對現(xiàn)場IVOSTUD螺柱焊設(shè)備的各項參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，夾頭使用計數(shù)監(jiān)控值設(shè)置20 000次；焊前釘位移設(shè)置監(jiān)控2 mm；以及導(dǎo)致較多停機對設(shè)備OEE產(chǎn)生嚴(yán)重影響的熔深監(jiān)控僅設(shè)置大于0.5 mm。

經(jīng)過長達(dá)一段時間的調(diào)整優(yōu)化，結(jié)合現(xiàn)場逐步調(diào)整共17臺設(shè)備的所有參數(shù)，現(xiàn)場停機時間逐步降低。在長達(dá)2個月完成所有調(diào)整優(yōu)化，再觀察1個月完全穩(wěn)定。圖8展示了從CW04開始調(diào)整至CW10完成優(yōu)化，再觀察至CW14長達(dá)3個月的實踐，質(zhì)量檢查工位停機次數(shù)和停機時間（min）呈明顯下降趨勢，證明以上焊接測試試驗結(jié)論的可行性和有效性。

圖8 質(zhì)量問題檢查工位停機時間和次數(shù)統(tǒng)計

進一步分析，由于UB43-2為生產(chǎn)線體的重要工位，對于生產(chǎn)進度的影響很大，經(jīng)過以上焊接測試和現(xiàn)場實踐，該工位OEE從CW04的81%逐步提升，至CW16的時候完全穩(wěn)定在90%左右，進一步驗證此項研究測試和現(xiàn)場實踐的重要意義，圖9為OEE跟蹤統(tǒng)計。

圖9 UB43-2 OEE跟蹤統(tǒng)計

5 結(jié)論

（1）位移值監(jiān)控存在大于80%的概率監(jiān)控出異常橫焊，熔深值監(jiān)控存在小于20%的概率監(jiān)控出異常橫焊。因此對結(jié)論應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置相應(yīng)參數(shù)為合理值，夾頭計數(shù)監(jiān)控為20 000次、焊前釘位移監(jiān)控小于2 mm和熔深值監(jiān)控大于0.5 mm，并在生產(chǎn)現(xiàn)場具體實踐被驗證有效。

（2）焊接試驗結(jié)論解決了IVOSTUD設(shè)備產(chǎn)生的較多停機問題并顯著提高設(shè)備OEE，避免了批量質(zhì)量問題的發(fā)生，對生產(chǎn)線高效高質(zhì)量生產(chǎn)具有重要意義，文中僅作為對該類設(shè)備問題解決的一種思路展示和實踐總結(jié)，對于使用該類設(shè)備的同行具有重要借鑒意義。