IVOSTUD螺柱焊異常橫焊缺陷分析及優化

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，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制造過程中運用最為廣泛的設備類型[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備、工藝研究生產的公司[2]。而國內螺柱焊技術的發展相對滯后，尚無強勢的從事相關螺柱焊設備生產研制的公司，當前國內各汽車生產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的研究測試即是針對德國艾沃斯達特（IVOSTUD）公司生產的螺柱焊槍[3]。

隨著時代和生產技術的發展進步，汽車生產過程越來越追求數字化、精細化管理，這對于汽車生產制造過程使用的生產設備廠商也提出更高的要求[4]。各汽車廠商更多的要求設備生產廠商設計的焊槍能對生產過程中的各項質量相關參數進行更精細的監控，以方便技術工程師進行精準有效管理[5]。戴姆勒奔馳作為一家豪華汽車生產廠商始終堅持將質量意識貫徹在設計和生產制造的全過程中，因此對生產設備提出諸多要求[6]。

IVOSTUD螺柱焊設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量參數監控上無成熟設計經驗，在戴姆勒提出設計要求后針對戴姆勒車型特殊設計了一套螺柱焊N4s系統[7]。因為是首次在實際生產中使用，此系統在質量監控上有諸多不成熟之處在實際生產中逐步顯露出來，并產生了部分質量問題。文中圍繞解決該設備生產中產生的質量問題展開細致的研究分析，并最終解決了該質量問題[8]。

1 螺柱焊工藝流程及參數簡介

IVOSTUD螺柱焊系統主要由N4s控制系統、FSE送料器和KSE焊槍3部分組成，N4s控制送料和焊接全過程，FSE負責輸送螺柱，KSE負責接收和完成螺柱的焊接[9]。焊槍接收到螺柱后由N4s發出前伸指令，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，引出輔助電弧；隨后引燃主電弧，螺柱和母材熔化；焊接結束后，螺柱被焊槍壓入液態熔池，在極短時間內與熔池完成接合，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螺柱焊系統包含的主要質量參數有電流值、焊接時間、焊前釘位移、焊接電壓值和熔池深度，相關參數要求見表1。

表1 IVOSTUD螺柱焊焊接工藝參數

以上工藝參數t= 25 ms和I= 1 100 A為系統預設值，焊前釘位移s= 27 mm、熔深值d= 1.9 mm和電壓值U= 27 V為結果參數，每次焊接都存在一定差異，只要在公差要求范圍內即可。各參數中焊前釘位移s和熔池深度d為該文研究的主要參數[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，系統發出焊接指令，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。系統依據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差值不超過設定值則無報錯可焊接。焊前釘位移公差值監控設置主要用于監測焊釘狀態是否正常，按照廠家建議焊前釘位移設定為28 mm，公差為4 mm，大于此設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的焊接質量，過大會對工件有影響，過小容易掉釘。熔深監控主要用于監測熔池深度是否正常，按照廠家建議設定為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對比。在首次引入此螺柱焊系統的項目SOP后不到半年的時間內，IVOSTUD系統焊接的焊釘發生了3次以上批量異常橫焊質量問題，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對比

經過查看相關歷史記錄未發現任何相關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，最終判定導致焊釘異常橫焊的根本原因是焊槍夾頭疲勞斷齒，夾持焊釘的夾頭其中一根齒缺失導致焊釘被橫向推出。此外，此狀態下系統的焊前釘位移和熔深值監控并未被觸發，最終導致焊釘橫置焊接在車身上。

從各主要參數來看，與此問題相關的有兩個重要參數，分別是焊前釘位移廠家建議設定為28 mm，公差為4 mm和熔深值廠家建議設定為2 mm，公差為2 mm。焊接前后系統均未觸發報警，可分析得知發生橫焊時的2個參數值在系統設定的監測值范圍內。

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

圖4 參數更改前后設備停機時間對比

基于以上問題出現，且設備設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

在試驗區域搭建測試站，圖5a為模擬實際生產環境搭建的焊接測試系統，包含控制柜、送料器和焊槍組成的螺柱焊系統和機器人、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。

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比較隨機，正常、傾斜（頭朝前和尾朝前）、水平、翻轉的情況均有出現；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；④每個夾頭在進行長時間的橫焊試驗后（約100次橫焊）均嚴重損毀無法再夾住焊釘。

經過多次試驗并嚴格記錄每一次試驗數據，并對數據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 試驗數據分析

結合試驗數據和可視化分析圖表，對試驗數據深入分析，總結出各組試驗數據，以焊前釘位移和熔深值分別為研究對象，統計出每次試驗時不同參數監控值設置在特定范圍內能監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控設置為2 mm時對橫釘橫置有較好監控效果，概率大于80%；熔深對橫焊監控不明顯，公差設置為1 mm時可監控概率小于20%，且大部分熔深監控能檢測出的橫焊在焊接之前焊前釘位移監控亦能發現。

3.3.2 實際效果驗證

焊前釘位移監控能監控出焊接開始前非正常送釘的大部分情況，監控效果與夾頭損壞程度有關；結合圖表分析出現橫焊后熔深值整體偏大，但不會大于熔深監控上限，且橫焊與正常焊接時工況和工藝參數幾無差異，熔深監控無法準確發現橫焊。

總結可知，焊前釘位移設置為2 mm較合適，低于此值設備報警較多，高于此值監控橫焊效果不佳；當熔深值出現低于0.5 mm多是因工件或焊槍不穩定，此時焊釘焊接質量實際不佳，因此可將熔深監控設置下限值大于0.5 mm，無需設置上限監控。

3.4 異常橫焊測試結論

經過以上試驗驗證得出重要結論，該螺柱焊設備出現焊釘橫焊質量問題的原因是夾頭斷齒導致焊釘被頂桿橫向推出，且該設備無有效功能直接監控斷齒的發生。①經過實際生產驗證，夾頭使用次數監控設置20 000并及時更換夾頭，作為第1道防線；②設置焊前釘位移監控2 mm，可保證80%的焊釘橫置在焊接前被發現，作為第2道防線；③熔深監控成功率不足20%，設置不合理會有誤報警，設置大于0.5 mm，作為第3道防線；④生產實際中，盡管有以上3種參數保障質量問題大概率不發生，但均無法完全避免，因此若現場發現夾頭斷齒，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道防線可為現場IVOSUD螺柱焊設備焊接焊釘提供質量保障，將進一步展示該研究在實踐中運用以上試驗結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論分析后，對現場IVOSTUD螺柱焊設備的各項參數進行調整優化，夾頭使用計數監控值設置20 000次；焊前釘位移設置監控2 mm；以及導致較多停機對設備OEE產生嚴重影響的熔深監控僅設置大于0.5 mm。

經過長達一段時間的調整優化，結合現場逐步調整共17臺設備的所有參數，現場停機時間逐步降低。在長達2個月完成所有調整優化，再觀察1個月完全穩定。圖8展示了從CW04開始調整至CW10完成優化，再觀察至CW14長達3個月的實踐，質量檢查工位停機次數和停機時間（min）呈明顯下降趨勢，證明以上焊接測試試驗結論的可行性和有效性。

圖8 質量問題檢查工位停機時間和次數統計

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

圖9 UB43-2 OEE跟蹤統計

5 結論

（1）位移值監控存在大于80%的概率監控出異常橫焊，熔深值監控存在小于20%的概率監控出異常橫焊。因此對結論應用在生產現場設置相應參數為合理值，夾頭計數監控為20 000次、焊前釘位移監控小于2 mm和熔深值監控大于0.5 mm，并在生產現場具體實踐被驗證有效。

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