小型烤箱在白車身膠接破壞性試驗中的應用

宋紹朋

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

北京奔馳白車身制造工藝復雜，裝焊的白車身大量使用膠接工藝，膠接質量對白車身的強度、水密性、抗噪性等起著關鍵作用。外覆蓋件折邊工藝對涂膠填充等級的要求極高，在進行噴漆之前必須將折邊膠、密封膠等進行烘烤預固化，以免在噴漆電泳時將膠沖刷掉，既影響了質量效果又造成了對噴漆電泳池的污染。此外，白車身全車使用多種先進的冷連接技術，各種冷連接技術大多數需要配合結構膠一起使用才能達到應有的強度。白車身經裝焊烤箱預烘烤后進入噴漆車間，在電泳烤箱進行固化烘烤，經此工藝后，膠接達到完全固化狀態。新產品在試裝階段或者既有產品在中期更新換代階段的膠接質量優化至關重要，膠接質量優化非一朝一夕之事，需要根據反饋結果進行多輪優化調試。

正常系列化生產狀態下，每種車型每季度隨機抽測一輛白車身進行膠接破壞性試驗（也稱作“剔試”）。如果新車型試裝期間，采用系列化烤箱對白車身涂膠進行烘烤，則試驗結果反饋流程為：質量剔試間出具剔試報告→工藝方根據剔試報告中的不合格點優化調整連接技術參數、調整工裝胎、優化膠接工藝→優化完成后將分總成件及外覆蓋件組裝至白車身上→通過輸送系統送至裝焊烤箱烘烤→通過輸送系統送至噴漆車間電泳烤箱烘烤→物流從噴漆車間將白車身轉運至剔試間→剔試間將車身破解、分總成破解、外覆蓋件拆下再進行破壞試驗→出具剔試報告。該流程復雜，耗費時間長，耗費人力成本巨大，試驗結果不能及時反饋，影響調試時間，在試裝期間的調試輪次少。另外，在系列化生產的流程中插入試裝車的剔試需求，占用裝焊和噴漆車間的烤箱資源，影響正常生產的出車數量，給生產排產、人員排班等帶來不便。還造成天然氣、電力等資源的巨大浪費。

在試裝階段，引入涂膠烘烤用小型烤箱可以靈活高效地安排試驗件烘烤，可極大地縮短反饋時間，提高工作效率，減少無謂的能耗，節約人力和物力成本。

技術方案

裝焊車間沒有小型烤箱，只有正常生產的大烤箱（長度從70～170m不等）。在連接技術及膠接質量優化過程中，用于試驗的零部件非常分散（包括分總成、總成、外覆蓋件等），且每次的數量少。將非常少量的試驗零部件安排在裝焊大烤箱和噴漆大烤箱烘烤，人力組織難度較大且耗能嚴重，造成極大的能源浪費。此外，使用裝焊烤箱和噴漆烤箱去烘烤試驗件，協調過程復雜繁瑣，反饋周期長，根據以往經驗，一輪反饋需要8個工作日。反饋的不及時性，嚴重影響了下一輪的質量優化調試時間，造成可利用的調試時間減少，可優化的輪數減少，進一步影響了連接技術及膠接的最終質量，為質量放行帶來風險。

膠接質量快速反饋流程需要建造一個小型烤箱，小型烤箱運行自如，不受正常生產的限制，且節能環保，運營成本低，可有效縮短質量反饋周期。所以關鍵問題就是如何在裝焊車間建設一臺可用于膠接破壞性試驗的小型烤箱。

1.技術思路

現有的膠接質量反饋流程涉及7個環節（見圖1），具體為：①質量剔試間出具剔試報告→②工藝方根據剔試報告中的不合格點優化調整連接技術參數，調整工裝胎，優化膠接工藝→③優化完成后將分總成件及外覆蓋件組裝至白車身→④通過輸送系統送至裝焊烤箱烘烤→⑤通過輸送系統送至噴漆車間電泳烤箱烘烤→⑥物流從噴漆車間將白車身轉運至剔試間→⑦剔試間將車身、分總成破解、外覆蓋件拆下再進行破壞試驗→循環至①質量剔試間出具剔試報告。

圖1 膠接質量反饋流程

引入兼顧裝焊預烘烤和噴漆電泳烤箱功能的小型烤箱后，膠接質量反饋流程可縮短至5個環節（見圖2），具體為：①質量剔試間出具剔試報告→②工藝方根據剔試報告中的不合格點優化調整連接技術參數，調整工裝胎，優化膠接工藝→③工藝方將待測試件直接放入裝焊的小型烤箱烘烤（小型烤箱的烘烤模式模擬裝焊和噴漆兩種烤箱的爐溫環境）→④物流將分總成及外覆蓋件送至剔試間→⑤剔試間進行剔試試驗→循環至①質量剔試間出具剔試報告。

圖2 膠接質量快速反饋流程

從圖1和圖2可以看出，優化后的流程從原來的7個步驟簡化為5個步驟。優化后的膠接質量快速反饋流程節約了分總成及外覆蓋件到白車身裝配時間，節約了白車身到裝焊烤箱及噴漆車間的輸送時間，節約了輸送過程中各種人力協調時間、節約時間的同時也節約了人力成本。此外還節約了裝焊烤箱+噴漆烤箱的能量（天然氣、電力等）供給。

2.技術難點

建設小型烤箱固然容易，但建設什么標準的小型烤箱，需要具備什么樣的技術指標非常關鍵，也是難點所在。因為，膠需要經過兩道烤箱的烘烤才能達到應有的強度，即第一道裝焊烤箱的125℃ 預固化烘烤和第二道噴漆車間電泳烤箱的185℃ 固化烘烤。小型烤箱需要同時具備裝焊烤箱和噴漆電泳烤箱的技術條件才可以完成膠接質量烘烤任務。

3.技術指標

裝焊烤箱對車身膠的烘烤為預固化階段的烘烤，裝焊烤箱的技術要求見表1。噴漆電泳烤箱對車身膠的烘烤為固化階段的烘烤，經過電泳烤箱烘烤后，膠的強度達到應有強度。表2為噴漆電泳烤箱的技術要求[1]。

表1 裝焊烤箱技術要求

表2 噴漆電泳烤箱技術要求

綜合考慮裝焊烤箱和噴漆電泳烤箱的技術要求，決定將裝焊的預固化功能和噴漆的固化功能集成到小型烤箱中去。定義裝焊小型烤箱的技術指標如下。

（1）小型烤箱爐溫曲線技術指標 小型烤箱的加熱分三個階段，階段一模擬裝焊烤箱的升溫和保溫工藝，階段二模擬噴漆電泳烤箱的升溫和保溫工藝，階段三為降溫階段。階段一的目標溫度為125℃±5℃（工件的溫度），保溫13min；階段二的目標溫度為185℃±5℃（工件的溫度），保溫20min；設備需具備最高加熱到220℃的能力，每個階段的設定溫度、加熱時間、保溫時間、降溫時間均可由用戶在不超過烤箱溫度極限范圍內任意調整。爐溫曲線技術指標示意圖如圖3所示。按照該爐溫曲線的要求，首先將20個車門的總成試裝件進行試驗，10個在裝焊烤箱和噴漆烤箱模擬圖3的爐溫曲線進行剔試試驗，10個按照正常工藝流程進行。試驗結果發現，模擬流程試裝件剔試試驗考核結果與正常進行的過程流程試裝件考核結果無異。遂確定小型烤箱的爐溫曲線技術指標。

圖3 小型烤箱爐溫曲線技術指標示意

（2）小型烤箱能源及其他技術要求 從節能環保及能源供給管路一次性投資的角度考慮，小型烤箱采取電加熱的方式進行烘烤最經濟高效。為小型烤箱單獨設計天然氣管路，接入天然氣耗資太大，且需要進行燃氣泄露防護，具有一定的安全隱患。燃油、燃煤則對環境的污染嚴重，不屬于清潔能源。采用電力作為能源供給方式的優點在于：取電方便，節能環保，升溫速度快。

烤箱內腔采用厚度不低于1.5mm的316不銹鋼或厚度不低于1.6mm的耐高溫耐腐蝕滲鋁板。烤箱外皮采用厚度不低于0.8mm烤漆板。烤箱內部凈空間要求：長3000mm，寬2000mm，高2200mm。烤箱內部設1個工位，烤箱地板設置導向軌道，烤箱門口安裝坡面（坡度不超過10°，坡道水平長度600mm），以引導轉運車輕松地由地面推進烤箱。工件及轉運車最大設計整備質量：450kg，烘烤時，烘烤的工件質量不固定，質量為150～450kg。烤箱門上需安裝電氣安全門鎖，無論何時，烤箱門在開啟狀態，切斷主電源；無論何時，都能從烤箱內側開啟大門；當維護、生產等人員進入烤箱時需要在安全鎖上掛鎖，一旦掛鎖，安全鎖無法再次鎖上。

4.結構圖樣及爐溫曲線

為實現苛刻的爐溫曲線要求，該小型烤箱采用空氣循環流動路徑，設定風循環模式及加熱和排風結構。小型烤箱結構如圖4所示。經過調試和試運行，獲得了符合技術要求的爐溫曲線如圖5所示。

圖4 小型烤箱實物照片

圖5 小型烤箱爐溫曲線

主要創新和改進

1.引入小型烤箱概念

在質量反饋流程上，第一次在裝焊車間引入小型烤箱的概念。小型烤箱為試驗試裝帶來了極大的便利性。除了在膠接質量反饋流程中小型烤箱起著重要的作用，小型烤箱在外覆蓋件沖壓件的優化以及總裝件的優劣驗證等方面也起著舉足輕重的作用。在項目試裝階段，車門沖壓外板、沖壓內板等沖壓件需要經歷多輪優化改進。每次優化改進后，按照傳統的驗證方法，裝焊車間需要生產出車門總成，并將其裝配到車身上，然后按照正常流程經過裝焊烤箱、噴漆電泳烤箱及噴漆所有工藝后送至總裝車間進行最終的間隙平順度、關門力等驗證。如果順利進行，該流程耗費時間約16h，致使不能快速得到反饋，影響下一步的決策時間。小型烤箱引入后，裝焊車間只需將做好的車門總成件送進小型烤箱烘烤，烘烤結束后直接送到總裝車間裝配，進行線下驗證，全過程僅需4h。

2.改變傳統流程、節省時間、提高效率

改變傳統的膠接質量反饋流程，創建高效易用的膠接質量快速反饋流程，大幅度節約了反饋時間，為質量優化贏得了寶貴時間。按照傳統流程，做一輪膠接質量反饋需要的時間是62h（約8個工作日）。具體分解見表3。按照新的膠接質量快速反饋流程，做一輪膠接質量反饋需要的時間是34h（4.25個工作日）。具體分解見表4。新的膠接質量快速反饋流程較既有的流程而言減少了不必要的中間轉運、輸送、烘烤、協調時間。一輪質量優化可節約28h（3.5個工作日）時間。

表3 既有膠接質量反饋流程時間表

表4 膠接質量快速反饋流程時間表

節能效果

運營成本節約計算依據說明：工業用電，平均單價0.7元/kW·h；工業用天燃氣，單價2.98元/m3；裝焊烤箱電氣功率為690kW；裝焊烤箱天燃氣單位時間用量116 m3/h；小型烤箱的加熱功率為150kW；小型烤箱的風機功率為7.5kW。

項目試裝階段，一般情況下裝焊的大烤箱處于停線狀態，按照原來的的質量反饋流程，裝焊車身需經過裝焊烤箱烘烤。烤箱預熱升溫時間為2h，車身經過烤箱烘烤時間為1h，之后方可關閉烤箱。試裝階段，質量調試優化通常一次僅生產一套剔試試驗件兒。故，整個烤箱的運營費用只能攤到一輛份車身上，造成巨大的資源浪費。運營費用計算如下。

電費：690kW×3h×0.7元/kW·h=1449.00元；

天燃氣費：116m3/h×3h×2.98元/ Nm3=1037.04元；

單次剔試試驗烘烤運營費用總計：1449.00＋1037.04＝2486.04元。

按照新流程，裝焊的分總成及外覆蓋件直接在小型烤箱烘烤，小型烤箱一次可以容納一輛份車身零件烘烤。小型烤箱不需預熱，電加熱快速響應。烘烤時間為50min（0.83h），整個過程運行時間約62min（1.03h）。小型烤箱運營費用如下：

加熱系統電費：150k W×0.83h×0.7元/k W·h=87.15元；

風機系統電費：7.5k W×1.03h×0.7元/k W h=5.41元；

單次剔試試驗烘烤運營費用總計：87.15＋5.41＝92.56元。

表5給出了快速反饋流程較既有流程節省運營費用的對比。可以直觀地看到小型烤箱引入后，新的膠接質量快速反饋流程下，單次剔試試驗烘烤成本由原來的2486.04元降低至92.56元，降幅為96.3%。

表5 快速反饋流程較既有流程節省運營費用對比

結語

1）在膠接質量反饋流程上，第一次在裝焊車間引入小型烤箱的概念，為試驗試裝帶來了極大的便利性。小型烤箱除了在膠接質量快速反饋流程中起著重要作用之外，在外覆蓋件沖壓件的優化方面也起著舉足輕重的作用。

2）在系列化生產中，若某種連接技術或膠接質量需要優化改進，可以在不影響裝焊和噴漆正常生產的情況下，通過小型烤箱自由安排烘烤。

3）新的膠接質量快速反饋流程較既有流程而言，一輪質量優化可節約28h（3.5個工作日）時間。為產品的質量優化贏得了寶貴調試時間，工作效率提升45%。

4）小型烤箱引入后，新的膠接質量快速反饋流程下，單次剔試試驗烘烤成本由原來的2486.04元降至92.56元，降幅為96.3%。