焊接過程質(zhì)量智能系統(tǒng)在車身質(zhì)量管理中的應(yīng)用

劉 嘉，林 科，陳 鑫Liu Jia，Lin Ke，Chen Xin

焊接過程質(zhì)量智能系統(tǒng)在車身質(zhì)量管理中的應(yīng)用

劉 嘉，林 科，陳 鑫
Liu Jia，Lin Ke，Chen Xin

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

汽車車身的焊接質(zhì)量是整車質(zhì)量控制中的重要一環(huán)，不斷提高和優(yōu)化焊接質(zhì)量是車身質(zhì)量管理中不可或缺的工作。通過建立車身PQI（Process Quality Intelligence，焊接過程質(zhì)量智能）系統(tǒng)，對車身電阻點焊焊接過程中的焊接飛濺、電極帽磨損、參數(shù)更改、故障信息等進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，通過PQI系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量預(yù)警，不斷提高和優(yōu)化焊接質(zhì)量。

汽車車身；電阻點焊；焊接飛濺；質(zhì)量管理

0 引 言

汽車車身作為整車所有零部件和乘員的載體，其性能直接關(guān)系到車輛的使用壽命和乘員人身安全。車身骨架通常由上百個沖壓鈑金件通過逐級焊接而成，其連接強度由焊接強度保證，因此車身焊接質(zhì)量對整車質(zhì)量有重大影響。據(jù)統(tǒng)計，在汽車車身制造過程中電阻點焊的運用比例占90%[1]。電阻點焊是現(xiàn)階段白車身焊接制造領(lǐng)域中重要的一項生產(chǎn)工藝，其質(zhì)量監(jiān)控是各大汽車制造企業(yè)的重要課題。

點焊的特點是產(chǎn)熱集中、速度快、生產(chǎn)效率高，但點焊對工藝條件要求較高，其焊接質(zhì)量不易控制[2]。目前，國內(nèi)外焊接技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)成功研制出自適應(yīng)點焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)，并已有成熟的運用案例。

1 焊接PQI系統(tǒng)介紹

1.1 焊接PQI系統(tǒng)架構(gòu)

焊接PQI是在自適應(yīng)焊接技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的智能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。圖1為焊接PQI系統(tǒng)架構(gòu)，通過電腦監(jiān)控各焊接工位的焊槍控制器狀態(tài)；通常每一個焊接控制器控制一把焊槍，控制器接收指令后完成既定的焊接程序，并將焊接結(jié)果，如焊接電流、焊接壓力、焊接時間、焊接故障等信息動態(tài)反饋至電腦。

圖1 焊接PQI系統(tǒng)架構(gòu)

通過動態(tài)獲取焊接控制器的數(shù)據(jù)，在電腦上完成焊接PQI系統(tǒng)搭建，得到可視化界面，如圖2所示。PQI系統(tǒng)可動態(tài)反映各焊接控制器受監(jiān)控的狀態(tài)、自適應(yīng)開啟率、焊接飛濺率、電極帽修磨率、焊接參數(shù)更改及焊接故障等狀態(tài)信息和趨勢。對焊接飛濺率高、電極帽修磨率高、故障頻繁的焊槍和焊點進(jìn)行預(yù)警，及時整改優(yōu)化。

圖2 焊接PQI可視化界面

1.2 電阻點焊工作原理

電阻點焊通常由控制器、機器人、焊槍等組成，如圖3所示。電阻點焊將焊件搭接并壓緊在兩個柱狀電極之間，電路接通后，依靠接觸面的電阻熱使該點熔化形成熔核，熔核周圍的金屬被加熱產(chǎn)生塑性變形，形成一個防止周圍氣體侵入熔核和防止熔化金屬流失的塑性環(huán)，斷電后熔核在壓力作用下凝固結(jié)晶形成致密焊點[3]。

注：I：Import，輸入；O：Output，輸出；MC：Monitoring Contact，接觸監(jiān)控；WC：Weld Complete Contact，焊接完成接觸；WLD：Weld Time，焊接時間。

完整的電阻點焊由加壓、熱量遞增（通電）、三段加熱、兩段冷卻、熱量遞減及壓力維持等過程組成，如圖4所示。良好的焊接過程需要將以上各環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)調(diào)整合理，依靠各階段參數(shù)大小、時長的轉(zhuǎn)換以及相互配合。由于電阻點焊涉及技術(shù)參數(shù)較多，若設(shè)定不合理，不僅難以保證良好的焊接外觀，甚至?xí)斐蓳舸⑻摵?、縮孔、裂紋及焊接強度不足等焊接缺陷[3]。通常，批量性生產(chǎn)車間在設(shè)定參數(shù)時，應(yīng)該遵循強規(guī)范，即大電流、短時間、小壓力。

注：1-加壓；2-熱量遞增；3-加熱1；4-冷卻1；5-加熱2；6-冷卻2；7-加熱3；8-熱量遞減；9-維持；10-休止；Fpr-預(yù)壓壓力；Ff0-鍛壓力；Fw-電極壓力；tf0-施加鍛壓力時間（從斷電時刻算起）；T-點焊周期；I1-加熱1電流；I2-加熱2電流；I3-加熱3電流。

1.3 UI自適應(yīng)功能

理論上，為保證焊接過程穩(wěn)定可控，通常采用恒流模式，此模式下，進(jìn)行一次無故障焊接后，焊接系統(tǒng)會得到一個動態(tài)電阻曲線；該曲線由焊接過程中焊接電壓()和焊接電流()計算得到，即(=()/()，如圖5所示。

圖5 恒流模式的焊接特性曲線

對于某個焊點所采用的理想監(jiān)控方法是將該焊點的幾個動態(tài)電阻曲線（無故障焊接）的平均值曲線作為該焊點的電阻參考樣本曲線；實際工作中，焊接過程受眾多干擾因素影響，如電極帽的磨損狀態(tài)、焊接板材厚度的變化、鈑金涂層的變化、焊槍姿態(tài)的變化、主電壓的波動等，在這些擾動因素的影響下，焊點質(zhì)量不斷波動，出現(xiàn)焊接飛濺、焊核小現(xiàn)象，極限情況下導(dǎo)致焊穿、虛焊等缺陷。

面對過程因素的擾動，UI（電壓電流）控制器自適應(yīng)調(diào)節(jié)可以補償范圍廣泛的干擾變量。當(dāng)出現(xiàn)干擾變量時，幾乎不需要人工介入，UI控制器會自動進(jìn)行補償，其組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 UI控制器自適應(yīng)功能的組成

相較于恒流模式根據(jù)樣本曲線進(jìn)行焊接調(diào)整，UI控制器能夠改變主焊接段的焊接電流和焊接時間，以便提供給當(dāng)前焊點的總熱量大于采用樣本曲線時對應(yīng)的焊接熱量，即使焊接時出現(xiàn)外界干擾。

1.4 動態(tài)電阻曲線分析

普通焊接過程的電阻曲線如圖7所示。焊接開始時，焊接材料逐漸變熱，焊材迅速緊密貼合，焊點處的電阻值從相對高值開始下降，這個階段稱為結(jié)合或加熱階段；隨著焊接電流持續(xù)作用，被焊接的板材開始液化，電阻值到達(dá)相對最小值后開始升高到達(dá)相對最大值；之后，焊點處的材料因為已經(jīng)變成液相，其電阻值持續(xù)下降直到焊接結(jié)束，在這個過程中，焊點的焊核直徑逐漸生長，達(dá)到所需要的值。

圖7 未受到外界干擾的焊接電阻曲線

如圖8所示，如果動態(tài)電阻曲線上電阻值降低的方向出現(xiàn)明顯下降，則該處一定發(fā)生了焊接飛濺，并被焊接控制器識別。

圖8 焊接飛濺的電阻曲線

雖然UI控制器可以補償多種干擾，但在激活UI調(diào)節(jié)功能后，飛濺仍然可能發(fā)生；這可能是由某個強干擾因素引起，也可能是由某幾個干擾因素共同作用引起。因此，使用UI自適應(yīng)焊接控制器仍需通過PQI系統(tǒng)進(jìn)行常態(tài)化監(jiān)控。

2 PQI系統(tǒng)在焊接飛濺控制中的應(yīng)用

一直以來，焊接飛濺是車身焊接質(zhì)量控制的重點與難點。某車型的焊接飛濺率增多，觸發(fā)了PQI報警，問題主要集中在底板焊接工位，如圖9所示。

圖9 焊接控制器隨飛濺率的排序

在生產(chǎn)現(xiàn)場開展統(tǒng)計分析，該車型當(dāng)日焊點飛濺毛刺單項返工量占整車生產(chǎn)量36%，其占比遠(yuǎn)高于其他問題，具體缺陷如圖10所示。

圖10 焊接飛濺缺陷

在生產(chǎn)現(xiàn)場對零件表面清潔度、零件匹配縫隙、電極帽修磨、電極桿對中度、焊槍輸出性能、焊槍姿態(tài)等可疑過程要素逐一排查，發(fā)現(xiàn)電極帽修磨狀態(tài)、焊槍與零件的垂直度、焊槍靜臂與零件距離3個要素對焊接飛濺產(chǎn)生了不利影響，如圖11所示。電極帽表面存在焊接殘留物、焊槍靜臂電極帽與零件不貼合，導(dǎo)致焊接電阻增大，進(jìn)而產(chǎn)生飛濺；電極帽端面與零件表面夾角，導(dǎo)致焊點區(qū)域表面壓力不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生飛濺。

圖11 產(chǎn)生焊接飛濺的要素

通過優(yōu)化電極帽修磨刀架姿態(tài)，更換新電極桿，調(diào)整焊槍靜臂位置與零件貼合等措施，降低焊接飛濺出現(xiàn)概率，持續(xù)跟蹤發(fā)現(xiàn)，相關(guān)焊槍飛濺率下降66.5%，改善效果顯著。

3 結(jié)束語

啟用UI自適應(yīng)功能，生產(chǎn)中能夠根據(jù)實際焊接過程的各種擾動因素進(jìn)行電流和時間調(diào)節(jié)，保證焊接強度，削減能量冗余帶來的飛濺，在一定程度上減少了后序返修打磨工時及能量浪費；但在極限條件或多重因素的干擾下，仍有可能超出自適應(yīng)補償能力范圍。PQI系統(tǒng)在自適應(yīng)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行補充，可以實現(xiàn)對每個焊點焊接質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)控和焊接不良的實時追溯，從而對白車身全部焊點的焊接質(zhì)量進(jìn)行閉環(huán)控制。PQI系統(tǒng)的實施對實現(xiàn)整車廠全流程生產(chǎn)質(zhì)量的數(shù)字化管控具有一定的借鑒意義。

[1]趙熹華. 壓力焊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1989.

[2]王穎，仲穎鑫，張麒麟，等. 汽車車身電阻焊接自動控制系統(tǒng)[J]. 2014，36（18）：147-149,153.

[3]張昕，刁統(tǒng)武，趙展. 車身電阻點焊最佳焊接參數(shù)設(shè)定建議[J]. 2020（4）：19-23.

2021-07-14

1002-4581（2021）06-0041-04

U468.2+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.06.012