螺柱焊系統的故障分析及預防措施研究

滕 飛

（上海汽車集團股份有限公司，上海 201804）

螺柱焊是指通過拉弧焊接將金屬螺柱、銷釘或類似連接緊固件焊至工件上的焊接方法。螺柱焊系統由以下幾個部分構成：機器人、焊機、送料系統、電源分配系統、焊槍、接地等。經過長時間的統計分析，人們發現，螺柱焊系統的故障由焊接姿態、送料故障、硬件連接故障和軟件匹配問題等構成。

1 螺柱焊常見故障

1.1 送料故障

送料故障以卡釘為主，按照螺釘的輸送過程，存在四種卡釘位置：螺釘在進入滑軌處的踢刀處卡釘、在滑軌上卡釘、在軌道到送釘管的切刀處卡釘、在焊槍中卡釘。

1.1.1 螺釘在進入滑軌處的踢刀處卡釘

此種情況的主要原因是踢刀踢釘角度或踢釘位置不正確，即踢刀與滑軌不平行或踢刀作用點正在螺柱徑向上。

1.1.2 在軌道上卡釘

此故障可從兩方面查找原因：設備調整不到位或螺柱質量問題。設備調整不到位可細分為：滑軌傾角不合適，傾角過大過小均有可能造成此問題；滑軌蓋板高度設置不合理。螺柱質量問題分為：螺釘法蘭厚度不正確和螺釘油污致滑過重。

螺釘的法蘭厚度過小，會導致在導軌輸送過程中產生前后的疊加而卡在滑軌中或法蘭釘法蘭（非焊接端面）一圈上的厚度不一致，個別法蘭局部偏厚，其在進入滑軌后旋轉，導致偏厚處受滑軌蓋板高度限制而卡釘。

螺釘的油污會導致車間粉塵黏結在滑軌上，由于螺釘在滑軌上是靠自重重力的影響而向下滑動的，當其粘上粉塵后，螺釘將不能自由滑動而卡釘。

1.1.3 在軌道到送釘管的切刀處卡釘

此故障最常見的原因是：設備調整不到位，即切刀運動的速度與送釘速度不匹配，導致螺釘回落至切刀的運行腔，卡住切刀，從而致使螺釘無法送出。

1.1.4 在焊槍中卡釘

此故障主要由接收塊磨損、螺釘法蘭直徑過大或不圓、螺釘油污致接收塊粘到灰塵鐵屑等幾大原因導致。

1.2 焊接姿態

焊接姿態問題主要有：焊槍在焊接中不在零件焊接點的法向，螺柱焊接后虛焊或螺柱偏轉；焊槍在焊接運動中，焊槍的管線與機器人臂發生纏繞、扭曲，導致焊槍在焊接中運動不暢，甚至無法運動。這兩種情況均會引起焊接故障。

1.3 軟件匹配問題

機器人程序結構不合理，機器人程序軟件的信號時序與焊接的時序要求不完全匹配（即邏輯順序不一致）。當出現此種問題時，常常會表現如下故障：焊點缺失，焊接中停機但不反饋故障信息，焊接缺陷等。

1.4 硬件連接故障

接地線、焊接線連接不可靠，將導致無法焊接或焊接不良等問題；測量線連接不良，將導致焊接不良等質量問題；如控制通信線連接不可靠，將可能導致程序調用錯亂、動作不正確，甚至不能動作等。

2 故障預防措施

針對以上故障，本文分析研究了對應的預防措施。

2.1 產品設計要求

2.1.1 被焊零件材料及板厚

被焊零件需是碳鋼；材料厚度應不小于0.65mm，尤其是焊接件是接地螺栓或大頭釘時（易焊穿），螺柱不可焊接在“L”零件的根部，以免出現磁偏吹。

2.1.2 被焊零件的平整度

M5的螺柱，需要Ф30mm的平臺，平臺最小不小于Ф25mm；M6的螺柱，需要Ф35mm的平臺，平臺最小不小于Ф30mm。如必須焊接在弧面上，曲率半徑要求不小于400mm。

2.2 工藝工裝設計要求

2.2.1 工裝工具的設計

（1）反面支撐。當被焊零件材料板厚小于1.2mm，且背面50mm范圍內無其他零件支撐時，需做反面支撐；反面支撐須與工裝絕緣，材質為耐磨的銅質。

（2）導套。導套內徑比焊槍滅弧罩外徑大1mm，M5及接地螺栓31mm，M5螺栓26mm。導套高度25mm，材質要求為銅質。

（3）接地。大零件，如地板分總成等，需2塊以上標準接地塊，對稱分布；接地電纜截面積要求不小于90mm2，需采用壓線鼻；工裝上應采用分線排，將電壓檢測及接地線分到接地塊。

（4）管線敷設。管線需懸掛或鋪設在地面用蓋板保護，防止管線彎折損壞。

2.2.2 焊接路徑

機器人焊接時，同一把槍的焊接方向最好控制在2個方向，最多不能超過4個方向，以防止焊接中姿勢過于復雜，導致管線纏繞，出現卡釘。人工焊接時，應防止反手或反向焊接，如有這種情況可考慮工裝旋轉。

2.3 設備選型要求

2.3.1 送釘方式的選擇

螺釘數量多于4顆的選用自動送釘。

2.3.2 角度檢測功能選擇

首選帶角度檢測功能的設備，在如下情況下必須選用帶角度檢測功能設備：弧面或可能出現沖壓褶皺部位（如弧面拉伸區域的平面、翻遍邊緣）上的螺柱焊接必須選用帶角度檢測功能的焊接設備；操作有需仰焊或反向焊接等操作不便的姿勢時，必須選用帶角度檢測功能的焊接設備。

2.3.3 焊槍的選擇

相同螺栓而零件板厚差異滿足以下條件時，不能采用同一套焊接規范，如手動焊接時，需用不同的焊槍：表面鍍層相同，焊接板厚差別在0.4mm及以上，且薄板厚度不大于1.0mm時；表面鍍層不同，厚板板厚低于1.2mm。機器人抓焊槍焊接需要選配機器人管線固定托架。機器人需注意配置專用的螺柱焊軟件包。

2.4 安裝調試要求

2.4.1 電源安裝

插接箱空開不小于60A，通常采用200A。焊機接線處采用三相五線的防爆插頭，插頭安裝要牢固，電源插上需注意卡口是否扣緊，否則容易拉弧發生焊接故障或電壓不正常故障。電源接線擰緊并做標記，否則容易出現拉弧設備故障，出現電流過小或電壓過高的焊接故障。

2.4.2 管線安裝

電纜應插到底，并鎖緊卡口，否則容易拉弧、漏氣發生焊接故障或焊槍前進后退不到位，或動作緩慢，延時報警；焊接控制電纜及送頂管應舒展、無彎折，尤其是送頂管不可繞圈扭曲，否則容易卡釘或線纜損壞；管線不能與圍欄、托架之間有滑動摩擦，需做固定，否則電纜容易磨損。

管線吊掛托架需做成弧形，否則在吊掛處彎折，管線容易折斷或卡釘；機器人臂上需采用管線固定托架進行安裝，否則管線容易摩擦損壞，或纏繞扭曲導致卡釘；六軸焊槍安裝處，應留有余量，余量的判斷方法為，焊槍在六軸的所有活動范圍內前進后退，管線與六軸關節無摩擦，且無彎折扭曲，否則電纜容易磨損或卡釘。

管線兩端與送釘器及焊槍連接處，螺栓應連接緊固，否則易出現送頂管、送釘器和焊槍之間有間隙，發生卡釘；手工螺柱焊，焊槍及管線應采用平衡器吊掛，管線吊掛處應采用弧形托架，防止管線受力集中發生彎折。敷設在地面的管線應安裝蓋板，防止管線被踩踏損壞。

2.4.3 焊槍安裝

焊槍固定板在機器人臂上的安裝必須平整，否則焊槍安裝板容易斷裂。檢查方法是，觀察焊槍安裝板與支架之間的間隙是否一致。安裝螺栓必須緊固，并做擰緊標識。

2.4.4 工裝安裝

（1）接地塊的安裝。接地塊必須是標準的形式；零件在夾緊狀態時，接地塊必須與零件夾緊，平面與接地塊均勻接觸；接地塊上接地線及電壓發饋線需擰緊，接地線必須采用壓線鼻；固定焊槍的接地塊安裝在抓手上。

（2）分線排的安裝。工裝上接地塊數量在兩塊及以上時，需使用標準的分線排，接地線和測量反饋線分開安裝；固定螺栓必須擰緊，并做擰緊標記。

（3）反向支撐。反向支撐與工裝之間需用2mm后的絕緣墊塊絕緣且支架邊緣絕緣墊塊應露出2～3mm，否則零件容易與支撐拉弧；反向支撐應采用耐磨的銅質或尼龍。

（4）導套。需檢查導套的直徑與設計是否相符；導套中心線與零件應垂直，否則容易產生虛焊或焊偏的缺陷；導套下端離零件的高度5mm。

2.4.5 焊接調試

（1）焊接參數。常規設置：焊接電流=焊接面直徑（mm）×110A；焊接時間=焊接電流×0.04ms。注意，當焊接板厚小于1mm時，不能按照上述計算，需要采用大電流、短時間；通常電壓范圍在15～30V，當零件表面狀態較差時，電壓會偏高。

（2）送料調試。送料需注意送釘時間和送釘吹氣壓力的配合；送釘時間通常在1000～1500ms，跟釘的大小和送釘管長度相關；送釘調試中，需注意送釘導軌的角度，以釘在導軌上可自由下滑，且螺釘無堆疊卡死為準；調試完后可進行50～100次連續送釘測試，要求無卡滯。

（3）焊槍調試。要檢查焊槍活動順暢無卡滯，需特別注意：滅弧罩或頂桿比卡抓高出2mm；螺柱伸出滅弧罩或頂桿的高度在2～3mm；手動可用卡規檢查；自動焊槍現場調試時，可用1元硬幣貼近頂桿，螺釘法蘭底面與硬幣平齊，確保螺釘高出頂桿1.5mm以上。

（4）焊接垂直度調整。手動、半自動采用光柵檢測垂直度；自動無檢測；手動、半自動靠導套保證，導套的軸線與零件的發現需平行；導套的高度會影響焊接垂直或螺柱伸出長度的校取。導套高度的判斷標準：焊槍滅弧罩3個接觸角與零件接觸后，導套與滅弧罩臺階間有2～3mm間隙；導套的內徑會影響焊接垂直情況；自動焊槍，靠焊接姿態保證垂直。

2.5 正式生產階段

2.5.1 日常檢查

（1）焊槍。滅弧罩及卡抓飛濺清理；螺柱是否在滅弧罩中心（同心檢查）；卡抓是否損壞；卡抓是否鎖緊；推動焊槍，查看焊槍活動是否順暢。

（2）接地線。晃動接地線連接，檢查是否有松動；檢查接地線是否有破損或異常彎折。

（3）工裝導套。清理導套飛濺；檢查導套是否松動或磨損。

2.5.2 周或月度檢查

（1）焊槍。打開接收塊蓋板，檢查接收塊磨損情況；打開接收塊蓋板，手動送釘，檢查送釘頂針動作是否順暢；檢查頂針是否磨損；送釘管處是否漏氣。

（2）送料器。檢查送頂管處是否漏氣；檢查螺釘導軌處是否松動；導軌及送料箱內灰塵、銅屑是否及時清理；送釘管處是否漏氣；檢查送料器切釘裝置是否磨損或漏氣。

（3）焊機。內部灰塵用干燥空氣清潔，開展接線緊固檢查。

3 結論

通過措施實施前后的對比分析，筆者得出如下結論：找出螺柱焊的設備和質量缺陷的根本原因，并制定落實預防措施，可以有效控制螺柱焊生產的穩定性；設備長久穩定運行需要保障團隊對設備進行有效可靠的維護保養。