白車身質量監控技術

白鴻

（神龍汽車有限公司技術中心）

在以電阻點焊、涂膠及螺柱焊等傳統工藝連接的白車身中，一般包含3 000～5 000個焊點和數百個膠條及螺柱。為了保證白車身質量，一般通過設置大量的在線或者離線工位，結合破壞性檢查（擴張器破檢）和非破壞性檢查（鑿檢、目視）對車身質量進行監控。此類監控方法檢查的范圍越寬，頻次越高，需要配置的專職檢查人員就越多。以某款三廂轎車為例，當車型自動化率為98%時，操作工人數為99名，負責檢查的人員為16名，非增值人員多達增值人員的16%。隨著自動化率的提高，操作人員呈逐年遞減趨勢，而檢查人員卻始終維持著一定的數量，減員增效勢在必行。文章以超聲波檢測、點焊實時監控及涂膠視覺監控為例，闡述了這3種監控方法在提高檢查效率、保證檢測質量及節省人力資源方面的優勢。

1 超聲波檢測

焊裝白車身中廣泛使用的電阻點焊受鋼板表面狀態、設備穩定性及零件裝配一致性的影響，會產生各種各樣的缺陷，主要包括虛焊（無熔核）、弱焊（熔核偏小）、過燒及燒穿4種。傳統的質量監控手段在檢查這些缺陷時均存在較大的弊端，如目視無法檢查出虛焊及弱焊、鑿檢無法檢查出弱焊且效率低下，以及存在很多焊點不可敲或者敲不到的情況。使用擴張器撕裂白車身的破壞性檢查能全面準確地反映整車質量水平，但頻次太低，一般數月或者數萬臺才破檢1次。破檢發現的缺陷無法追溯，也會造成白車身的報廢。近年來超聲波檢測技術的發展使得焊點檢測多了一種選擇。

超聲波檢測基于超聲波回波技術，通過探頭內置的壓電換能器產生超聲波，并接收超聲波在焊接界面多重反射形成的回波[1]520。超聲波原理，如圖1所示。

圖1 超聲波原理圖

由于有缺陷的焊點和合格的焊點其反射的回波長度、信號衰減及中間回波是有差別的[2]，經過研究分析及相應的破檢對比驗證，得到如下結論。

1）點焊熔深與超聲波回波數量及一、二次波之間的高度差存在對應的關系。簡單來說，回波數越多，熔深越淺；一次波與二次波之間高度差越大，熔深越深。波形的高度差用衰減率表示，衰減率小于10%通常為弱焊，衰減率在10%～40%通常為合格焊點，衰減率大于40%通常為過燒。合格焊點及過燒焊點波形，如圖2所示。

圖2 合格及過燒焊點波形圖

2）焊核的大小與中間回波相關，中間回波越高，焊核越小。如用4 mm探頭檢測無中間回波，而用5 mm探頭檢測有中間回波，則焊核直徑在4～5 mm。在實際運用中，可通過選取和理想焊核直徑相當的探頭，觀察有無中間回波的產生來判斷實際焊核直徑是否符合標準。電阻點焊中間回波波形對比圖，如圖3所示。

圖3 電阻點焊中間回波波形對比圖

采用超聲波設備進行焊點檢測時，為了得到穩定的波形，操作人員需要進行一定的練習來保證探頭垂直于焊接表面。對于表面存在毛刺的焊點還需要預先進行打磨處理。評判波形是否穩定需要滿足2個條件：1）一次回波的高度達到入射聲波高度的80%；2）每次捕捉的波形一致且較為容易捕捉。

由于白車身焊點在空間上分布較廣，導致檢查位置多樣，加之使用環境較差，所以一般需采用便攜的檢測設備進行檢測。整車廠運用較多的為筆記本電腦加便攜測量設備或便攜式一體機。檢查工位可以利用原有線體內的焊點鑿檢工位，實現在線檢查。也可以在生產線邊設置一個離線檢查工作臺架，進行抽檢。檢查的結果由相應的輔助軟件自動生成，形成質量水平報表。

由于超聲波檢測技術的這些特性，某公司將其作為對傳統焊點檢查方法的補充，引入了超聲波焊點檢測設備，專職檢查目視及鑿檢無法檢查的焊點。在經過一段時間的培訓和超聲曲線庫[1]521的完善后，焊點檢測的速度及準確度均達到較高的水平。傳統鑿檢一個焊點包括恢復外觀平均需要10 s，而采用超聲波檢查僅需要不到5 s的時間，效率提高1倍以上，相應地檢查人員也只需要原來的一半。由于在質量和經濟方面的良好收益，該項目在后期的車型項目中得到了推廣使用。超聲波檢查結果，如表1所示。

表1 超聲波焊點檢查結果

為了進一步提高超聲波檢查的效率及減少操作人員個體差異帶來的誤判，近年來有很多設備廠家和研究機構針對計算機輔助軟件進行優化。通過收集和整理不同缺陷焊點超聲波波形的特征值，來得出缺陷焊點的回波特性曲線，以此為依據對缺陷焊點進行快速識別和判定。

2 焊點質量實時監控

目前整車廠的焊點監控一般通過離線檢查來實現，也有部分整車廠通過設置在線鑿檢工位，選取部分具有代表性的焊點，采用6～8臺車/個頻次的輪檢來保證整車的焊點質量。更多的時候還是通過加強對焊接設備的日常監控，來預防缺陷焊點的產生，如定期標定焊鉗的輸出壓力和輸出電流、定期檢查電極帽的修磨對中狀態，以及對產生分流的原因進行排查等。由于上述措施均不能完全杜絕不合格焊點的流出，且耗費大量人力物力，因此，實現焊點在線實時監控成為焊接技術人員的一個努力方向。

由于電阻點焊的形成是一個相對復雜的過程，其包含了力、熱、電的變化及固-液相的轉變，因此焊點形成過程也必將釋放大量的力、熱、電信息。通過對這些信息進行收集，篩選出和焊點質量密切相關、不容易被外界環境干擾且容易檢測的信號，采用數學和信號學知識進行分析處理，提取能夠代表焊點質量的特征參數，就可以判斷實際焊點的質量。目前運用較多的是動態電阻值監控法。

動態電阻值監控法所監控的電阻主要由接觸電阻和歐姆電阻兩部分組成，如圖4所示。其中接觸電阻包括鋼板間、鋼板與電極間的電阻；歐姆電阻包括鋼板和電極本身的電阻[3]。在鋼板通電焊接的過程中，這2種電阻有著截然不同的變化，接觸電阻隨著通電時間的增加而減小，歐姆電阻隨時間的增加而增大[4]，而由這2種電阻疊加得到的總電阻則呈現出特定的變化曲線，如圖5所示。將實測的焊點動態電阻曲線與合格焊點的動態電阻曲線進行對比，通過設定一個可接受的偏差范圍，來得到焊點質量是否合格的結論。

圖4 點焊電阻構成

圖5 動態電阻變化曲線

經焊接設備廠家的積極研發，通過在原有焊接設備上增加相應模塊，測量次級回路的電流和電壓值，來監控焊接過程中的動態電阻值的方法，已經在整車廠開始試用。

以某品牌點焊設備為例，其控制柜中內置具有焊點質量監控功能的SQA模塊。通過學習、對比、驗證及調整4個步驟來實現實時監控功能。

1）學習：監控模塊學習并記錄動態電阻的參考曲線。對于普通電阻點焊設備來說，需要對每個焊點及每套焊接參數進行1輪試焊，盡量排除影響焊接質量的各種因素以獲得合格焊點的參考曲線。

2）對比：繼續實施幾輪點焊，將焊接的動態電阻值（R實際）曲線與記錄的參考值（R參考）曲線進行對比，得出二者之間的差異值（QA=R實際/R參考）。

3）驗證：破檢焊接試板，測量熔核直徑，與其對應的QA做對比，找出QA和焊點熔核直徑的對應關系，如圖6所示。

圖6 焊點熔核直徑與動態電阻差異值（QA）的關系

4）調整：根據對應關系，手動設定QA，以得到期望的熔核直徑。建議在項目調試階段進行多輪驗證及調整步驟以得到更加精確的QA。在這里將QA設定為80%以期得到6 mm直徑的焊核，如圖7所示。

圖7 焊點理想熔核直徑的動態電阻差異值（QA）

在實際運用中，SQA對每個焊點進行監控，實測的QA不在設定范圍內的均會判斷為不合格，焊柜會進行報錯，然后自動補焊。整車的焊接質量水平則可以通過焊接設備網絡進行上傳和統計，真正做到對每臺車進行實時監控。實時監控帶來的好處除了可以節省破檢和非破檢帶來的人力資源浪費外，還可以明顯減少由于質量問題帶來的生產線停機故障，因此其應用前景巨大。

3 涂膠視覺監控

焊裝白車身上使用的膠大致有密封膠、膨脹膠及折邊膠等幾大類，近些年，為了提高車身強度及減輕質量，整車廠紛紛開發出用來替代焊點的結構膠。涂膠質量的好壞關系到整車是否漏水及有無噪聲等用戶感知質量水平，結構膠更是影響到車身的強度及安全性能。對涂膠工藝的改進及涂膠質量的監控一直受到焊裝部門的重點關注。

較早時期的涂膠大多采用人工涂加樣板輔助模式，靠人來保證涂膠的質量。隨著機器人自動涂膠的普及，對自動化島里的涂膠質量檢查開始變得困難起來。部分車廠采取在自動化島圍欄上開小窗，通過單獨的機器人軌跡來向操作工展示。展示的頻次一般為數十臺1次，保證存在涂膠質量問題的零件的可追溯性。隨著對涂膠質量要求更嚴的結構膠的大量使用，既有的人工目視及抽檢模式顯然不能滿足要求，急需一種全新的監控方式。

涂膠實時視覺監控基于激光技術和成像技術，通過計算激光反射長度和拍照的像素點來得到膠條的長度、寬度及位置信息。圖8示出涂膠視覺模塊布置位置。涂膠視覺模塊較小，可以集成到涂膠槍上，實現邊涂膠邊監控，如圖8a所示；對于工時較富余的工位，也可以選擇將視覺模塊布置在支架上，機器人抓件移動至支架處進行拍照監控，如圖8b所示。一旦發現不合格膠條，涂膠機器人將停止涂膠并報警，人工將不合格膠條擦去后進行重涂。

圖8 涂膠視覺模塊布置位置

以某項目為例，產品部門在地板區域及地板與側圍搭接位置設計了大量的結構膠，從安全性及法規性方面考慮，焊裝必須加強對此類涂膠的質量監控。根據重要程度，部分地板區域的結構膠采用循環監控模式，而地板側圍連接區域采用實時在線的監控模式。圖9示出2種品牌的涂膠視覺設備。在設備選用上，循環監控采用SICK品牌的視覺系統（如圖9a所示）與自動化可編程邏輯控制器（PLC）直接通訊，而實時監控則采用AKEO品牌視覺系統（如圖9b所示）和機器人通訊。2種監控方式均需要保證在生產節拍內完成對膠條的長度、直徑、位置以及是否存在進行檢查。值得注意的是，與普通的涂膠機器人軌跡調試不同，帶監控的機器人軌跡調試需要考慮到成像質量問題，即機器人的姿態需要滿足攝像頭能捕捉到清晰的圖像。另外，對于光線較暗或者對比度不高的涂膠環境，需要考慮增加獨立光源。

圖9 涂膠視覺設備

雖然目前涂膠視覺監控系統主要應用在結構膠上，但其以零人力成本帶來高質量保證的巨大優勢，值得推廣運用到其他種類的涂膠監控上。由于循環監控系統價格便宜，對于節拍要求不高的生產線或者分裝線，從經濟性方面考慮，推薦采用循環檢查。

4 結語

用機器人代替人，減少因人工失誤帶來的不確定因素一直是汽車行業發展的趨勢。特別是對于現代汽車工業來說，實現高效率無人工廠一直是行業不懈追求的目標。以焊點實時監控和涂膠視覺監控為代表的監控系統正在逐步取代傳統的以人為主的檢查模式，使得距離無人工廠的夢想更近了一步。對于其他連接形式，如螺柱焊、弧焊，其無人監控方法的暫時缺失更是吸引著眾多整車廠及研究機構去探索，期待為汽車工業的發展做出自己的貢獻。