電阻焊的水電主副纜失效模式研究及其控制辦法

鐘暉

摘 要：根據(jù)作者在焊接車間多年的工作經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際的生產(chǎn)管理經(jīng)歷，文章對目前各車間尚未關(guān)注的電阻焊的水電主副纜的失效模式從產(chǎn)生的根本原因上進(jìn)行了綜合分析，并結(jié)合實(shí)際的成功改善措施對其解決方法進(jìn)行了闡述，因其解決方法都得到了實(shí)際的收益成果，有較好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水電主副纜；失效模式；產(chǎn)生原因；解決辦法

中圖分類號：TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）18-0086-03

1 背景概述

中國目前人均汽車擁有數(shù)量為1.4億臺(tái)，但距離世界每百人擁有乘用車數(shù)量差距還非常大，近十年都保持年均上千萬的增長速度，算上近年已經(jīng)開始上升的報(bào)廢率，整體市場極其誘人。故各大汽車廠都在興建新的工廠擴(kuò)大自身的產(chǎn)能，以滿足市場的需求。然而在目前土地緊缺的大環(huán)境下，提高單位面積的小時(shí)產(chǎn)量顯得尤其重要。

隨著JPH的逐步提升，作業(yè)管理的嚴(yán)謹(jǐn)化，停線問題的處置幅度逐步下降到以秒進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)設(shè)備的保障能力就尤為重要。而作為白車身制造過程中普遍使用的焊接工藝——電阻焊，焊接電纜的損壞帶來的影響開始凸顯，尤其是在故障前發(fā)生的一段時(shí)間內(nèi)，其損壞問題帶來的后果還隱藏著焊接質(zhì)量的品控問題。

資金雄厚的合資廠現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)是通過定期更換電纜來保證生產(chǎn)的流暢性，但這一做法對于目前利潤空間本來就薄弱的國產(chǎn)品牌較難操作。大量尚未達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的水電纜被遺棄是一筆較大的資金浪費(fèi)。同時(shí)目前受各品牌的生產(chǎn)車間的工藝水平、設(shè)備布局不同的影響，即使能夠做到定期更換，但是這個(gè)時(shí)間點(diǎn)也需要進(jìn)行大量的前期數(shù)據(jù)收集才能完善此類的更換標(biāo)準(zhǔn)，投入大量的人力和物力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，卻無法做到所有車間通用的標(biāo)準(zhǔn)讓此項(xiàng)工作價(jià)值過低。

為了讓新車間在投入生產(chǎn)時(shí)能夠迅速把握水電纜損耗程度，減低水電纜損壞帶來的設(shè)備空開時(shí)間的損耗影響，提高焊接過程質(zhì)量的控制能力，故對該類問題的原因進(jìn)行控制和改善是必須的。

2 現(xiàn)狀把握

2.1 主副電纜標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)焊接車間使用的主副電纜基本為如下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

一套“h”型同軸電纜規(guī)格要求及包括的內(nèi)容（“E”型類似）：

主電纜：截面2×200 mm2，一根（2 m）

副電纜：截面200 Vmm2，一根（0.6 m、0.7 m、1.5 Vm）

電纜過渡接頭：一個(gè)

帶絕緣物的無感螺栓：2套

要求絕緣物為膠木質(zhì)。

2.2 外觀要求

每套電纜應(yīng)有固定銘牌，標(biāo)明規(guī)格，電纜接頭表面光潔不允許有裂紋等明顯損傷。橡膠表面應(yīng)包扎牢固、整齊。

2.3 水路系統(tǒng)密封性

在0.8 MPa的壓力下，無氣泡（電纜浸入水中）。

2.4 水流量

水路系統(tǒng)在0.25 a的壓力下，水流量2×6 L/min。循環(huán)水接口外徑為φ13 mm。

2.5 絕緣電阻

膠管內(nèi)電纜之間絕緣電阻≥3 MΩ。

兩極接頭絕緣電阻≥3 MΩ。

2.6 橡膠管要求

①在0.8 MPa的壓力下，膠管不破裂、無明顯膨脹。

②橡膠管柔韌性良好，安裝后無明顯折扁現(xiàn)象。

2.7 溫 升

配160 kVA懸點(diǎn)焊機(jī)連續(xù)點(diǎn)焊，電纜溫升<進(jìn)水水溫+30 ℃。

2.8 電 纜

應(yīng)使用買方使用的焊鉗、焊機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

2.9 電纜電阻值

電纜電阻值的截面150 mm2，見表1。

2.10 電纜壓降

電纜壓降<變壓器次級電壓×20%。

2.11 主電纜的使用壽命

①條件：電流10 000 A（±10%）；單點(diǎn)通電時(shí)間：0.2 s。

②壽命：保證使用一年并滿足累計(jì)50萬點(diǎn)使用壽命。

2.12 副電纜的使用壽命

①條件：電流10 000 A（±10%）；單點(diǎn)通電時(shí)間：0.2 s。

②壽命：保證使用半年并滿足累計(jì)25萬點(diǎn)使用壽命。

3 要因分析及對策

3.1 采樣數(shù)據(jù)

結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)副纜的壽命都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于技術(shù)要求，通過對筆者工作的車間進(jìn)行采樣，得出下列數(shù)據(jù)。

3.1.1 采樣范圍

白車身焊接車間，共使用156臺(tái)某品牌懸掛點(diǎn)焊機(jī)，174根主纜，348根副纜，日均工作時(shí)間18 h，整車約為3 222個(gè)焊點(diǎn)，平均每把焊鉗焊接約18.5個(gè)點(diǎn)。時(shí)間為3個(gè)月，共生產(chǎn)了20 906臺(tái)車身。

3.1.2 采樣長度

2014年第三季度主纜故障統(tǒng)計(jì)，見表2。

消耗具體情況，見表3。

結(jié)合上面技術(shù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，正常副纜更換周期應(yīng)達(dá)到269根，但是實(shí)際更換數(shù)量為346根，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低于點(diǎn)數(shù)使用壽命，且滿足半年的條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)成，但此現(xiàn)象集中體現(xiàn)在副纜上，而主纜則未出現(xiàn)此類現(xiàn)象。

故研究對象集中在副纜身上。

對目前替換下來50根副纜進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)造成副纜無法完成焊接工作的故障失效模式，如圖1所示。

可以看出故障失效基本由三大類組成。

3.2 故障要因分析

3.2.1 銅芯斷股

長度為0.7 m的副纜如圖2所示，基本結(jié)構(gòu)為左右兩端的80 mm電纜端接壓頭采用壓札的方式將10股每股500絲銅絲編織而成的導(dǎo)電束，截面積為200 mm2，以順時(shí)針方向螺旋盤繞在中間的冷卻通水管上，冷卻通水管可以在電纜曲折時(shí)具備自行恢復(fù)直線狀的特性。

割除外部橡膠管后肉眼可見于每導(dǎo)電束的銅絲有肉眼可見的斷絲現(xiàn)象，尤其以長期受到彎折的變形部位最多。

彎折現(xiàn)象：

在現(xiàn)場的實(shí)際使用過程中，副纜因?yàn)榭拷附狱c(diǎn)，在工人使用焊鉗進(jìn)行焊接的過程中，長期需要進(jìn)行彎折操作。尤其是在需要頻繁切換焊鉗焊接姿態(tài)的工位，進(jìn)水副纜和回水副纜甚至還會(huì)出現(xiàn)扭曲在一起的情況。而主纜因?yàn)檫h(yuǎn)離操作點(diǎn)，故基本都能在保持自然順直的狀態(tài)下完成工作。而技術(shù)規(guī)范里面的使用壽命，為各制造廠家在自然順直狀態(tài)下的通過重復(fù)性試驗(yàn)以及正常的通電金屬發(fā)熱情況計(jì)算出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的使用壽命，該壽命在現(xiàn)場較為惡劣的工作環(huán)境下自然會(huì)大幅度減少。

在多次彎折的過程中，銅絲的疲勞強(qiáng)度達(dá)到極限，發(fā)生斷裂，進(jìn)而影響電流強(qiáng)度，造成無法通電焊接或焊接不良的情況發(fā)生。為了避免這種情況的發(fā)生，那么我們必須要對其銅絲的斷裂情況進(jìn)行監(jiān)控，而從剖解圖可知，圖示故障副纜外部橡膠管磨損程度輕微，且副纜外層黑色膠皮厚度達(dá)4 mm，感官上無法推測副纜內(nèi)部銅芯的斷裂程度。

結(jié)合其余更換副纜情況，都發(fā)現(xiàn)了此類現(xiàn)象，表明通過感官上無法有效的判斷斷股情況。

因?yàn)榧夹g(shù)規(guī)范提供了我們各類電纜的標(biāo)稱阻值，根據(jù)電阻公式：

R=ρL/S

通過副纜電阻的變化可以反映副纜橫截面積的變化，即銅芯斷股程度。故可以采用儀器檢測的手法達(dá)成我們預(yù)期的目的。

通過尋找市面的儀器后，選定“微歐表”這類儀器進(jìn)行測量工作，如圖3所示，選取的微歐表型號測量范圍為：0～9.9 μΩ測量精度為0.001 μΩ，完全滿足實(shí)際使用需求。

通過多次反復(fù)測量和人為破壞斷股驗(yàn)證后，得出當(dāng)副纜電阻增大到初始電阻值的4倍時(shí)，副纜銅芯斷股接近1/2，焊機(jī)開始無法焊接故障或融核無法達(dá)到標(biāo)稱值。

結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)定記錄情況，見表4，當(dāng)超出設(shè)定值時(shí)，安排人員進(jìn)行副纜更換。

而更換下來的副纜，在隨后的判斷分析后，發(fā)現(xiàn)部分阻值超過4倍的焊接電纜還能夠進(jìn)行焊接，故替換至車門等焊接班組，即使發(fā)生故障進(jìn)行返修更換，也可以通過消耗庫存數(shù)量而不造成線體的停止，浪費(fèi)現(xiàn)象得到了徹底解決。

3.2.2 水路堵塞

此類故障副纜實(shí)測橡膠管溫度達(dá)到約60 ？觷，焊接時(shí)有肉眼可見的電極頭發(fā)紅現(xiàn)象，焊點(diǎn)融合完成后因?yàn)闊o法得到足夠的冷卻速度，無法形成良好的金相結(jié)構(gòu)。融核結(jié)合程度變差，焊點(diǎn)變脆。

在對故障點(diǎn)進(jìn)行處理時(shí)，對故障副纜進(jìn)行敲擊，發(fā)現(xiàn)副纜內(nèi)部留存水呈現(xiàn)出暗沉渾濁的色澤。通過對循環(huán)冷卻水中的雜質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要雜質(zhì)有如下三部分。

①碎銅絲。由于副纜在頻繁彎折的過程中銅芯會(huì)逐漸斷裂，斷裂的細(xì)銅絲將會(huì)在副纜水路中積累，當(dāng)銅絲碎屑積累過量后將造成水路堵塞。

②鐵銹。該車間的冷卻循環(huán)水路系統(tǒng)的主管道以及蓄水池都是鋼鐵結(jié)構(gòu)，長期使用后鋼鐵表面被腐蝕，鐵銹等雜質(zhì)將進(jìn)入冷卻水中，造成冷卻水凈度下降。

③其他物質(zhì)。該車間的冷卻水塔非密閉式結(jié)構(gòu)，外界的任何小于過濾網(wǎng)的異物都可以進(jìn)入到循環(huán)水路內(nèi)，再加上在電極端的高溫使得各項(xiàng)離子都比較活躍，游離的Ca離子很容易和水中CO2結(jié)合形成CaCO3，造成其他物質(zhì)的沉積。

3.3 解決措施

這些雜質(zhì)在處于低位的副纜彎折部分逐漸沉積，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)副纜內(nèi)部的單位流速將降低，無法有效減低焊鉗溫度，進(jìn)而影響焊點(diǎn)質(zhì)量。解決措施的方法主要有以下幾方面：

①使用疲勞強(qiáng)度更高的銅絲進(jìn)行水電纜的生產(chǎn)，還能一并降低因銅絲斷股造成的電流密度不足的問題點(diǎn)，但勢必會(huì)增加水電纜廠家的生產(chǎn)成本，就目前市場形式上看，暫未有廠家打算提升該塊的使用壽命，故此方法的實(shí)施需主機(jī)廠推動(dòng)水電纜廠家開展工作才可行。

②對于水中存在的鐵銹或者碳酸鈣物質(zhì)，該部分可以通過在管路內(nèi)添加藥水的形式使其能夠分解成為鐵離子和鈣離子，在添加完成藥水后對管路內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)行排空處理，更換新水。但在廠房內(nèi)部管路使用已久的鐵質(zhì)管道使用此類方法可能會(huì)造成管壁過薄的問題。該措施在近幾年投入建設(shè)的PVC管道中比較適合操作。

③增加濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)和沖洗設(shè)備。在管道內(nèi)增加更為細(xì)致的過濾網(wǎng)，用于過濾管道內(nèi)的異物，在一定時(shí)間段內(nèi)通過壓縮空氣對濾網(wǎng)進(jìn)行反吹，使其異物排出整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。參考樣板車間管路結(jié)構(gòu)，可以得出簡圖，如圖4所示。

控制手段原理：

在主管道旁邊建設(shè)一旁通道，使其該過濾系統(tǒng)即使出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉V2閥門，開啟V1閥門后，也不會(huì)影響到正常的循環(huán)系統(tǒng)，且該方案可以獨(dú)立施工，不影響現(xiàn)有生產(chǎn)組織。過濾系統(tǒng)內(nèi)設(shè)水泵A＼B兩套增壓系統(tǒng)，以解決增加了疊片過濾器后水壓帶來的壓損，正常過濾狀態(tài)時(shí)關(guān)閉V1閥門，打開V2、V3閥門，并只開啟一套水泵增壓系統(tǒng)，另外一套水泵作為備用泵處置。當(dāng)疊片過濾器達(dá)到臟污標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，打開反沖裝置，使其過濾器內(nèi)的雜物可以直接排出。

樣板車間在增加了該套過濾系統(tǒng)后，結(jié)合整體管路的低位定點(diǎn)排污工作的開展，內(nèi)部因水質(zhì)臟污造成的停工現(xiàn)象降低為原先的5%左右，整體效果滿意。

4 膠皮磨損漏水

此類故障多和操作者的工作姿態(tài)有關(guān)系，只要在電纜易磨損部位增加紗布纏繞進(jìn)行防護(hù)，在每周的自主保全時(shí)間內(nèi)對纏繞的紗布進(jìn)行檢查更換，可以完全避免異常磨損的發(fā)生。

在車間安排了專職人員對于操作者的綁扎技能進(jìn)行培訓(xùn)完成后，在設(shè)定專門的自主保全活動(dòng)時(shí)間，該類問題得到了徹底解決。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王府強(qiáng).淺論焊接質(zhì)量控制[J].焊接技術(shù)，2001，（S1）.