汽車頂蓋機器人螺柱焊的故障分析及改進

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摘 要：汽車車身中大量使用螺柱焊接，本文通過對某汽車公司汽車頂蓋螺柱焊接故障進行統計分析，發現卡釘與焊接過程失效的主要原因。分別從螺釘來料、焊接過程等方面進行分析，通過采用穩定尺寸的螺釘和焊槍頭改進，減少螺柱焊卡釘的頻次提升了螺柱焊接穩定性。

關鍵詞：螺柱焊;汽車頂蓋;卡釘;焊接過程

1 引言

螺柱焊是將金屬螺柱或其他類似緊固件焊至工件的方法，汽車公司采用的螺柱焊設備大多為短周期螺柱焊。螺柱焊主要分布點為前隔板，地板，頂蓋等需要布置內飾或塑膠件等區域。影響螺柱焊接效果主要有材料因素，設備因素，焊接壓力，工作電壓，焊接材料表面光潔度，焊接面平整度等。

2 頂蓋機器人螺柱焊工作站的接設備組成

頂蓋機器人螺柱焊工作站的接設備包括焊接機器人、機器人控制系統、自動螺柱焊槍、自動螺柱送料裝置、自動螺柱焊接工裝夾具，見圖1。

3 頂蓋螺柱焊常見故障

常規螺柱焊的故障基本為四類，材料因素、焊接能量輸入參數、焊槍行為參數、焊接過程不確定因素等4個方面。對某公司生產線半年時間的生產運行進行統計，如圖2（螺柱焊設備半年來的設備故障頻次、處理時間及影響統計）。從6月至12月螺柱焊故障共計212次，累計停機2152分鐘，停線946分鐘。故障率高，已經影響到正常的的生產，需要進行改進。

根據返修故障處理記錄分類匯發現，影響停線的主要原因為其中兩項，一是螺釘尺寸不合卡釘、二是焊接過程螺柱卡釘（圖3）。

由于螺釘尺寸不合格，返修時需要頻繁拆裝自動送料設備，導致設備損傷嚴重，而設備故障頻發，會影響生產線的產能輸出。經過大量檢查對比，發現螺柱尺寸不合主要有以下6種缺陷，見圖4：

原因二為頂蓋焊接過程中，零件位置與焊槍的位置相對有偏移。主要表現為零件Z向的尺寸有波動。螺柱焊的過程如圖5，整個過程為引弧-焊接電弧-頂鍛-冷卻凝固。其中螺釘提升高度對引弧的影響重大，提升高度過大時，電弧不穩地，容易電弧漂移和吹偏。提升高度過小，容易短路短弧。因此零件的穩定性差時（即螺釘與零件距離不確定時），會造成引弧過程不穩定，甚至螺釘從卡頭中脫落無法正常焊接或焊槍被粘在頂蓋零件上，造成焊槍焊接時成功率下降，嚴重時螺柱焊導電嘴夾頭燒蝕。

4 改進方法

對螺釘尺寸不合卡釘問題：拉弧螺柱焊對螺釘的要求不高，螺釘材質與木材接近，斷面有3-5度的錐度即可。但需要滿足螺釘尺寸穩定，良好的一致性才可以提高螺柱焊設備的穩定性。 圖6為三種采購的螺釘對比。

經過測量兩種進口的釘子尺寸穩定性好，尺寸誤差小，同時外觀質量光澤度好，但某國產的釘子尺寸不穩定，外觀表面質量也較差。分別對三種不同螺釘進行焊接試驗，某國產螺釘卡釘頻次是兩種進口螺釘（尼爾森、埃姆哈特）的三倍。由此可見，螺釘的尺寸穩定性對焊接穩定定影響重大。

對焊接過程螺柱卡釘問題：首先改進螺柱焊鉗的槍頭，在目前推薦在焊槍前端增加保護套裝置見圖7。增加保護套實際是實現零件與焊槍的距離固定。焊槍焊接時：

1）如卡頭帶螺柱，螺柱會正常焊在工件上;

2）如卡頭不帶螺柱（沒有螺釘送大卡頭或螺釘脫落），保護套會跟板件接觸，無法形成焊接回路，焊槍不焊接，保護套起到保護卡頭不被焊在工件上。

H1為螺柱到工件的距離;H2為保護套到工件的距離;H3為卡頭到工件的距離;

如圖8、9為選用進口尼爾森螺釘及焊槍頭改進后的故障收集情況。通過選用尺寸穩定的螺栓和設備的改進，故障率明顯減少，設備運行穩定性提高。

5 結論

由改進實驗及結果統計可知，對螺柱焊故障進行分類，通過規范螺釘尺寸，質量一致性，可以大幅減少卡釘問題。同時針對槍頭改造，通過增加螺柱槍頭的保護套裝置可以減少焊接過程不確定因素的影響。提高了螺柱輸送的穩定性，減少問題發生頻次的同時也為螺柱焊出現問題后快速恢復提供有效技術支持，降低故障對生產線的影響。