可變參數的手工焊接生產線柔性能力提高方法研究

楊 華，黃西利，呂俞霖

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

中國目前已經是世界上最大的汽車市場，國內外汽車企業競爭激烈，為滿足市場需求，實現新產品的快速上市，柔性生產制造模式已經成為國內外汽車白車身制造的共同發展方向[1]。然而由于歷史原因，國內汽車制造業存在很大部分的手工焊接生產線，為滿足市場需求，部分車企選擇了“手工生產線+機器人柔性生產線”混合柔性生產線的制造模式[2]。

手工焊接生產線主要使用懸掛焊機，并匹配手工焊鉗進行白車身焊裝作業。但懸掛焊機通常只能同時使用一組焊接參數，參數設置、變更復雜，無法快速切換以滿足板厚差異較大的車型間焊接，從而無法適應高節拍、高柔性的生產方式。參數轉換器作為一種工藝參數的切換輔助設備，其具有成本低，切換時間短，切換參數便捷等優勢。當懸掛焊機增加參數轉換器后，不僅能提高手工焊鉗焊接質量，還能實現手工焊鉗具備快速切換1～N組焊接參數的能力，大大提高了手工焊接生產線的柔性能力。本文主要針對參數轉換器對提高手工焊接生產線的柔性能力方面進行研究探討。

1 手工焊接生產線的焊接工況分析

以某車企為例，目前A、B、C、D四種車型需要“混批式”高節拍柔性生產，其中車身車間的前車體總成為手工焊接生產線焊裝，其余分總成為廠外件，主線則為高度自動化的機器人柔性生產線。其中，A、B、C三種車型為同平臺相似車型，D車型為不同平臺車型，四種車型的前車體總成均由6個工位的手工線焊接完成，且焊鉗的焊接可達性已經驗證無誤。

1.1 焊點的板材匹配

為方便闡述，假定每個工位的同車型焊點分配合理，即每把焊鉗焊接的所有焊點板厚基本一致，且主導板厚相同、板材搭接理想，同工位同車型的每把焊鉗均能共用一組焊接參數。同時，假定四種車型的板材材質一致，表1、2分別給出A、B、C、D車型6個工位相同焊鉗焊接的焊點板厚匹配、主導板厚等板材信息。

表1 四種車型前車體的板厚匹配（單位：mm）

表2 四種車型前車體的主導板厚信息（單位：mm）

由表1、2可知A、B車型板厚基本接近一致，且主導板厚一致。但A、B車型與C、D車型的板厚差異較大，且主導板厚存在較大差異。

1.2 焊接參數設定

根據上述板厚匹配及主導板厚信息，通過焊接試片實驗，最終確定的焊接參數如下：

1#工位主導板厚一致，且板厚僅最薄板相差0.2 mm，可以共用一套焊接參數（見表3）。4#、5#工位各車型板材也基本一致，且主導板厚一致，也共用一套焊接參數（見表 4、5）。

表3 1#工位四種車型的焊接參數

表44 #工位四種車型的焊接參數

表5 5#工位四種車型的焊接參數

2#工位A、B車型與C、D車型板厚差異較大，且主導板厚也不一致，分別為1.0 mm、1.6 mm，無法共用參數，為保證焊接質量，我們必須選擇至少兩組焊接參數，結果如表6所示。3#工位同2#工位的情況類似，但C、D車型的板厚也不一致，需要三組焊接參數，如表7所示。6#四種車型主導板厚差異同樣較大，分別為1.4 mm、1.2 mm，為保證焊接質量，選擇兩組焊接參數，見表8。

表62 #工位四種車型的焊接參數

表73 #工位四種車型的焊接參數

表86 #工位四種車型的焊接參數

1.3 焊接設備需求及潛在問題

綜上所述，前車體總成手工焊接生產線的焊接工況存在多樣性，各個車型的焊點板厚匹配在不同工位存在差異，一致性較差。為滿足高品質的焊接質量，各個工位的焊接參數無法滿足一致，另外因采用“混批式”柔性生產方式，焊接參數切換必須能實現短時間內快速切換，從而盡量減少因切換造車的產能損失。因此焊接設備必須依據工況具備以下條件：

（1）在 1#、4#、5#工位，四種車型的板厚接近一致，且滿足主導板厚一致，在理想的情況下可以選用一組焊接參數。因為不用切換參數，所以現有焊接設備可以滿足多車型的柔性焊接。

（2）在2#、3#、6#工位，四種車型的板厚差異大，且主導板厚不完全一致，3#工位在理想的情況下至少需要3組焊接參數，2#、6#則需要至少2組焊接參數。因此，這三個工位都需要焊接設備具備快速切換多種焊接參數的功能，現有焊接設備無法滿足需求。

2 提高手工焊接生產線柔性能力的方法

綜上，四種車型僅1#、4#、5#工位可以共用一套焊接參數，但其他工位無法共用一套焊接參數，因此無法實現手工生產線柔性焊接。每次切換車型時則需人為使用編程器重新輸入、測量焊接參數并重新做焊接試片實驗，極大地浪費人力物力資源，增加車型切換時間，擴大車型切換導致的產能損失。為解決以上矛盾，手工焊鉗必須具備快速切換參數的能力，通過提高手工焊接生產的可變參數能力來解決上述問題。為此，我們給每臺傳統懸掛式點焊焊機都增加焊接參數轉換器來實現參數可變。當使用此方法后，當切換車型時，各個工位的操作人員僅需根據車型旋轉切換按鈕即可快速切換參數。一般的，焊接參數在1 min內即可切換完整，極大地節省了人力、物力、時間成本，手工焊接生產線的柔性能力得到很大程度的提高。

2.1 可變參數原理

為保證參數快速可變，容易切換，我們采用新型的參數轉換器設備，其一般應用于分體式懸掛電阻點焊焊機。分體式懸掛電阻點焊焊機一般通過A端子板（常見EC4-1115）將控制信號，如焊接電流、焊接時間等信號傳遞給控制器，收到信號后，控制器輸出初級電流給變壓器，變壓器接通電流，次級變壓產生焊接電流?？刂破魍ㄟ^晶閥管接通電流的接通時間來控制焊接時間，從而達到設定、輸出焊接參數（焊接電流、焊接時間、脈沖電流等）的目的。一般情況下，一臺焊機只有2個晶閥管，而一臺焊機連接兩把焊槍，因此一把焊鉗最多可以對應2個晶閥管，可以設定2組焊接參數。在焊機工作時，1個晶閥管只能控制一把焊鉗，也就是焊鉗在使用時只有一組焊接參數。當需要切換第二組參數時，需要使用焊機外置編程器更改。

參數轉換器通過額外增加一塊B端子板（見圖1）與原焊機端子板串聯，B端子板具備額外存儲、切換輸出信號（相當于取消焊機外置編程器切換）的能力，一般可以設定有 4×2、6×2、7×2 種組參數（見圖2）。參數轉換器通過安裝在焊機控制器殼體的外置燈源串聯到參數控制控制電路，參數示意燈的數量、顏色與切換開關的序號對應，如7組參數切換：分別為左側 1、3、5、7、9、B、D 對應 7 組顏色，右側 2、4、6、8、A、C、E對應另外7組顏色，按順序排列。當用戶操作切換開關時，每個檔位對應一個電路的閉合，外置電源也同時閉合導電工作（燈），參數轉換電路接通后輸入相關信號給焊機，從而驅使焊機輸出一組提前設置好的參數。

圖1 參數轉換器(7種)切換電路示意圖

圖2 參數轉換器（7種）原理圖

2.2 參數編輯

參數轉換器在使用前，需由工藝工程師根據《焊接參數表》輸入每個車型對應焊接參數并記錄，焊接壓力則通過焊機的氣閥調節，并通過焊接試片實驗驗證參數的合理性。焊接參數匹配的電流（預熱電流、焊接電流等）、時間（預熱時間、焊接時間、冷卻時間等）輸入方法同常規懸掛式手工焊機參數輸入方法一致，即通過焊機專用編程器編輯，不過需要拓展使用編程器的B模式：

①檢查焊機、參數轉換器等設備的接線，并根據離地高度調整切換開關位置（為防止誤觸，一般切換開關離地約1 800 mm），確認無誤后打開焊機電源總開關，并確認參數轉換器指示燈；

②編輯焊接參數：選擇B模式，再設定焊槍號，與轉換器參數編號對應關系一致，一般以面朝焊機為正面，左為奇數，右為偶數；

③編程器進入P參數選項，在P8中將步增清除；

④對標：通過調節匝數比減輕電流衰減造成編程器輸入電流與終端輸出電流不一致的問題（一般電流采用10 kA對標）；

⑤參考《焊接參數規范》輸入相關參數，并做試片實驗調整實際使用參數。

⑥輸入各車型的焊接參數。

2.3 切換參數

參數轉換器一般由顯示燈組、轉換開關、板卡等組成。板卡位于焊機中，與控制電路連接；顯示燈組位于焊機兩旁；轉換開關一般通過可伸縮的吊桿連接，如圖3所示。車間根據生產線的生產情況，規范每個車型使用的參數組，并目視于現場。當車型切換時，工人只需將切換按鈕旋轉至該車型對應的焊接參數組，同時目視檢查指示燈顯示是否正確，并記錄切換時間。

圖3 參數轉換器實物圖

2.4 經驗總結

一般地，轉換器左右每組參數編號對應一組車型參數（見表9），一般規定為“左單右雙”原則，如A車型對應第1排焊接參數組（對應的序號1、2）；B車型對應第2排焊接參數組（對應的序號3、4）；C車型對應第3排焊接參數組（對應的序號5、6）；D車型對應第4排焊接參數組（對應的序號7、8），特殊的焊點根據焊接參數另外設置第5排焊接參數，以此類推。

表9 焊接參數切換指導表（例）

2.5 不足及應對方法

（1）焊接壓力唯一

由于常規手工焊鉗均為氣動焊鉗，而每組焊機只能通過氣壓閥設定某個特定的壓力值，因此參數轉換器無法調節焊接壓力。另外，由于電阻點焊在焊接時的主要能量由電阻熱（Q=I2RT）產生的熱能提供，其中板件間的接觸電阻作了主要貢獻，而影響接觸電阻的主要因素為：表面狀態、電極壓力、加熱溫度。其中焊接壓力FE是影響接觸電阻最大和可調的外界因素，其與主要的接觸電阻RK的關系如圖4，可以發現電極壓力越大，接觸電阻阻值越少，但當FE的值到一定范圍后，電阻值下降幅度越來越小。因此實際焊接過程中一般選擇較大的FE以保證板材貼合導電，此時，FE對焊接熱源的貢獻有限。對于不同板材、板后匹配的電阻點焊焊接，可以選擇焊接壓力值中FE的較大值，然后通過參數轉換器設定相匹配的焊接參數（焊接電流和焊接時間），如加大電流或者加長通電時間來保證焊接時所需的能量（Q）。但因為焊接壓力不可調，因此每個焊鉗匹配不同車型的焊接壓力只能選擇其壓力的較大值作為統一的焊接壓力值，再通過焊接電流和焊接時間的適調選擇最優參數以保證焊點的焊接質量。

圖4 接觸電阻與電極壓力的關系

（2）參數組切換相對較少且無法實現自動化

因為參數轉換器是基于在傳統點焊焊機增加外設設備實現參數切換，因此其可參數切換組受限，一般在2～10組左右，常用為7組參數。同時，參數轉換器切換時只能通過人工切換，因此焊接質量的控制對人員的素質、人員的管理培訓要求較高。另外，參數轉換器無法應用于自動化生產線。因為其首先與機器人焊接控制器無法兼容；另外，匹配于Fanuc第三代點焊機器人的WTC焊接控制器已經能實現焊接參數、焊接壓力等所有焊接參數的自動化實時調節，性能更加卓越。

（3）其他因素

在實際生產中，企業還需要考慮焊點外觀質量、焊接飛濺、焊接效率等因素，其會導致焊接壓力的差異。一般地當主導板厚發生變化、最小板厚為薄板（如：0.7 mm、0.8 mm）且總板厚差異達到1/3或者焊點板材層數發生變化等情況時，一般會根據主導板厚給定的理論參數對焊接壓力做適當調整。這使得焊接參數轉換器的使用有一定的限制，難以滿足所有應用場景。另外，在實際生產中，零件的搭接并不完全滿足理想的貼合狀況，經常出現因鈑金圓角干涉、尺寸不符、工裝夾頭松動等原因導致的板材離空現象（圖 5、圖 6）。

圖5 鈑金干涉的狀態

圖6 夾具松動的狀態

當焊點附件板材存在離空時，必須適當增大焊接壓力或者調整其他焊接參數，且板材越厚，離空所需要增加的壓力越大，尤其當板材厚度超過1.2 mm以后，增加的壓力一般需要達到200 N以上，焊接時間增加1個周波。另外，對于焊接板材均大于1.2 mm的焊點，一般需要多脈沖焊接參數，利用第一個焊接脈沖電流連接板材消除離空，利用后續脈沖電流起正常焊接作用。因此實際的生產中，對于不同車型、不同板厚的參數變化需求更多，此時必須需要焊接參數具備快速切換能力。

3 效果分析

3.1 對比分析

根據實際應用經驗，傳統手工生產線及可變參數的手工生產線的優缺點對比如表10所示。

表10 傳統手工生產線及可變參數的手工生產線的優缺點

需要說明的是，可變參數的手工生產線的柔性能力還取決于焊接設備、工裝設備本身的柔性能力，無論是機器人自動化生產線還是手工生產線都必須要求同工位多車型的焊接結構和區域類似，以保證焊接的可達性。

3.2 參數轉換器的應用場景

由上述內容可知，基于參數轉換器的手工焊接生產線焊接參數可變方法，因其無法調節焊接壓力，且可切換焊接參數組較少，一般10組以內。另外，因其無法與機器人匹配，且性能低于匹配機器人的自動化焊接控制器，因此，參數轉換器的常用應用場景有：

（1）一般用于低成本、短周期的低柔性手工焊接生產線，并限于場地、成本、周期等因素無法實現以機器人應用為基礎的產線自動化升級。此時，使用參數轉換器后可以提升舊線的使用價值。

（2）一般用于“混批式”的生產制造方式，因為其切換頻繁，且需要人工控制，不利于參數受控及自動化升級。因此，其不適宜高度柔性的“混流式”的生產制造方式，

（3）一般用于同一產線的不同車型或者同一車型的不同配置，其在相同工位焊點的板材材料、板材層數、板材厚度等差異較大，并滿足焊接可達性，可以共用焊鉗設備。

（4）一般用于同一焊鉗設備焊接的所有焊點，其焊接參數可以共用一組焊接壓力，且各組焊接參數只存在焊接電流、焊接時間或者電流電壓匹配的差異。

4 結束語

（1）參數轉換器有效提高了普通懸掛焊機的手工線柔性生產能力，將通過編程器輸入參數后的懸掛焊機由原來1組參數切換能力提高至多組焊接參數，并且切換速度快，僅需旋轉按鈕，極大提高了切換效率和改善人機工程，可以最大限度的提高手工生產線的使用價值。

（2）參數轉換器不能快速切換焊接壓力，對于焊接壓力還必須通過傳統調節三通氣閥的方式調節，因此對于一些板厚差異極大的焊接匹配，手工線中的懸掛焊機和手工焊鉗依然存在焊接質量差、柔性能力較差的缺點。

（3）參數轉換器由人工切換，無法適應產線自動化升級，因此僅適應于較低柔性的“混批式”手工焊接生產線。