门盖单面焊技术在车身工艺中的应用 V3.doc

【背景介绍】车身车间四门两盖折边完成后，由于搬运、震动、装配匹配调整、电泳等原因，有可能会造成零件变形，并对后续工艺造成影响。因此需要一种固定方式来消除门盖总成变形（尤其是内外板之间窜动）的隐患。通常，在VW集团中使用三种工艺(凝胶、折边法兰凸焊、单面点焊)作为门盖折边后内外板的固定工艺。2010年9月22日，VW集团颁发通告PHS-NR.: 91，统一规定单面焊为今后门盖总成折边后内外板之间使用的固定工艺，以此取代凝胶、折边法兰凸焊等其他固定工艺。【摘要】本文主要介绍了单面焊的设备组成、工作原理、工艺技术标准等内容，并结合单面焊工艺在上海大众VW253CS前盖总成上首次应用中取得的质量优化的经验，与大家分享我在工作中的一些心得。【关键词】 单面焊设备组成及工作原理 工艺技术标准 质量优化1. 单面焊工艺前提介绍1.1 为何使用单面焊工艺车身车间四门两盖折边完成后，由于搬运、震动、装配匹配调整、电泳等原因，有可能会造成零件变形，并对后续工艺造成影响。因此需要一种固定方式来消除门盖总成变形（尤其是内外板之间窜动）的隐患。借助于单面点焊（Stoss Punkten、Single-sided Spot Welding）工艺，将内外板之间法兰边范围内的机械连接作为四门两盖内外板的临时固定方法。该工艺用于临时固定送入油漆工序前的工件尺寸，籍此折边胶硬化后，可保持工件不变形1。为了紧跟VW集团Konzern的相关标准，上海大众在VW253CS项目中首次投入使用了单面焊技术，并在前盖总成上得到了成功的应用。1.2 单面焊工艺的优点此前，在上海大众车身项目中通常采用凝胶作为门盖总成折边后内外板的临时固定工艺。多年使用下来，我们发现凝胶工艺主要有以下五个缺点：1) 凝胶过程中受到的干扰因素较多，加热过程易造成表面缺陷与尺寸波动；2) 凝胶工位的柔性度低，一套设备只能用于一种车型；3) 胶水受热固化后，到油漆车间会再次熔化。4) 节拍提升空间小；5) 能耗较大且污染相对比较重；在使用了单面焊工艺之后，我们发现其具有以下四个显著优点：1) 单面焊设备属于标准设备，易于操作，且焊接性能可靠；2) 单面焊设备柔性高，可应用的零件范围广；3) 高节拍，在VW253CS项目中已达到了60JPH；4) 单面焊对表面无影响。2. 设备组成及工作原理介绍2.1 单面焊接设备的组成图1为单面焊设备的焊枪端结构示意图。我们选用的单面焊枪为德国EDAG公司的标准设备。与其余焊枪类似，单面焊枪主要由气缸、变压器、伺服控制模块、焊接电极、机器人连接安装板、换枪盘等组成。不同的是，单面焊枪的两根电极杆处于平行位置，并且在焊接过程中这两根电极杆始终保持平行状态。图1 单面焊枪结构示意图同时，还配有一套Bosch焊接控制器和一套维修保养站（如图2）。维修保养站（Service Station）主要由校准机构、修磨器、自动换电极机构等组成。也是德国EDAG公司的标准产品。其中，校准机构用于每次修磨及换电极后测试焊接压力和焊接电流（如图2所示），焊枪电极杆会与校准机构有个“亲密接触”，在确认压力、电流满足条件后再开始工作；若压力或电流不满足条件，则继续修磨，直至测试合格为止。自动换电极机构是CP5车身车间内唯一的自动换电极的机构。（后文会有详细介绍）图2 维修保养站及校准机构示意图2.2 单面焊接的工作原理图3为单面焊焊接过程工作原理示意图。将折完边后的零件总成放入焊接夹具胎膜上，焊枪的焊接电极与回路电极分别接触外板翻边和内板上，焊接电流（图中红色箭头）形成回路，焊接电极与零件接触点处即形成焊接。值得注意的是：在焊接过程中，焊接电极与回路电极在零件的同一面，且始终保持着平行状态，或许这就是单面焊名称由来的原因之一。图3 单面焊工作原理2.3 单面焊接夹具原则上单面点焊作业是借助于单面点焊夹具设置的独立工序2。因此完成单面焊工艺，仅仅有设备是不够的。还需要设计一套单面焊夹具，用于在焊接过程中固定、支撑零件。这套夹具主要由焊接胎膜、夹紧气缸组成。在仪征项目中，由于前盖自动工位为VW253CS和SK253CS混线生产，为节省空间考虑，将VW253CS前盖的焊接夹具集成在一台双面转毂上，转毂的另一面用于SK253CS前盖。（备注：由于零件结构原因SK253CS前盖无单面焊工艺，SK253CS前盖在转毂上有其他用途。）图4为焊接夹具无零件和有零件的状态。从两张图片可以看出单面焊夹具的设计思路及设计要求：夹具采取了夹头加紧、型面定位并且使用抽吸方式辅佐定位，使零件贴合在胎膜内。需要注意的是：在单面焊点处必须要有支撑及夹紧，保证焊点处的零件与胎膜“零位-贴合”；同时，RPS夹头也可确保工件位置在单面点焊夹具内的持续稳定。除此之外，胎膜的型面块与Base板之间应有垫片，保证型面块的双向可调。图4 焊接夹具2.4 自动换电极介绍由于单面焊不同于普通点焊，所以它的电极修磨的频次非常高。目前VW253CS项目中设定每完成一个零件（每个零件有10单面焊点）就要进行修磨。自然，对于如此高频率的修磨导致换电极的频率相应也提高了，焊接控制器会根据每次校准后的反馈来决定是否更换电极。目前跟踪的情况大约每20个零件就要进行一次换电极。对于60JPH的生产线来说，20个零件只需十几分钟就可以完成，采用自动换电极的方式也就在情理之中了。自动换电极机构包含三个部分：电极头脱离机构、检测机构和电极头安装机构，在机器人的带动下更换过程大致可以分为以下11个步骤（如图5所示）第12步：电极头靠近并伸入脱离机构；第34步：卡槽卡住电极头；第56步：电极杆向上提，电极头脱落在废料盒内；第7步：电极杆靠近检测机构，检测确认电极头是否完全脱落；第810步：电极杆靠近并伸入备用电极盒内，套入新的电极头；第11步：检测确认新的电极头是否更换到位。图5 自动换电极过程示意3. 工艺过程描述3.1 单面焊对零件的要求图6为单面焊对零件的要求。a，b，c三张图片为单面焊不理想的零件状态，d图为单面焊最理想的零件状态。图6中包含的信息具体如下：1、内板之上的折边法兰的翻边长度至少为5mm。较长的外板切边长度有利于单面点焊，焊接时只需施加较小的压力；2、对于单面点焊工艺来说，内外板之间的粘胶起到重要的隔绝效果。图a中贴合面A的最小间隙为0.2mm。最好使用带玻璃珠的折边胶（如VW253CS项目中使用的折边胶是S31），由此可较好的保持材料厚度，起到电气绝缘作用。折边胶工艺并不影响单面点焊的可行性。但应注意：在任何情况下均应考虑粘胶层厚度，保持压缩尺寸；3、应使用16mm电极头以确保接近焊点。该范围内的工件背侧不允许为光面，以防止与电极头产生干涉；4、焊接电极应垂直于零件（905），接地电极安装基面应尽可能与焊接电极接触面平行，接地电极接触面应尽可能不在路面可见部分；5、板材厚度由项目确定，通用的板材厚度业已通过试验。图6 单面焊对零件的要求除了图6反映的零件问题之外，外板单件的翻边不允许带有双眼皮。在VW253CS项目中，由于前盖外板单件的翻边有双眼皮，我们吃了大苦头。（后文会有详细介绍）3.2 单面焊工艺及标准介绍折边法兰处的单面点焊焊点用于过程固定至油漆烘房。由于涉及的只是工艺过程点而不影响产品特性，因此，对检验的影响也不大。单面点焊焊点数量和位置可以变化，应由规划部门确定2。3.2.1焊点焊接质量门盖内外板的最终固定是依靠电泳后胶水的固化来实现的。而单面焊焊点系工艺过程点(即不影响产品特性)，经油漆烘房高温后，焊点功能失效，胶水受高温固化后将发挥起固定内外板的作用。按VW 01105 和 PV6702规定：过程点不会影响强度。因此，毋须再检验焊接强度。由于此前对此标准不熟悉，我们在焊接的强度上花了不少功夫，项目前期几乎每周都做好几轮破坏性试验（如图7），走了不少弯路。在此，我想提醒一下各位同事：在今后的项目中，调试单面焊的过程中一定要避免我们的错误。还有一点需要注意：焊接强度不需要检验并不代表焊接质量不需要控制，不要走入这样的误区。在本项目前期多次发生假焊、虚焊，甚至外板翻边被焊穿的现象。对于这个问题，一方面要调整焊接参数（主要是焊接压力和焊接电流），另一方面要结合折边胶充盈情况和折边闭合程度来进行分析、解决。（后文会有详细介绍） 图7 单面焊点破坏性试验3.2.2焊点数量及分布介绍在VW253CS前盖总成的产品图纸上，TP给出的是8个单面焊点。但是在项目过程中，特别是经过几轮Meisterbock后，我们发觉前盖头部在电泳后变形比较严重。后来，我们查阅了相关资料，在这些资料中，我们发现VW集团对轿车四门两盖总成单面焊点的最少数量是有推荐的（表1）。与此同时，我们还参考了德国的部分车型，例如VW 471 Passat前盖总成上就使用了10个单面焊点（如图8）。零件名称最少焊点数的推荐值前盖10门板6后盖8移动车门8 表1 单面焊最少焊点数的推荐值 图8 VW471Passat前盖单面焊点分布有了以上这些参考后，我们解决前盖头部电泳变形的方向就明朗了：适当调整单面焊点的数量及位置。但是如何来确定具体数量和最佳位置，还需要通过试验来得出。在与TMI一起做了数轮试验后，我们得到了焊点数量和位置的最佳方案：将原先的8个焊点增加为10个焊点，并提高了头部焊点的密集度。再通过SKD单并且修改了焊接夹具（在新增的焊点处加装夹紧气缸）实施了这个方案。最终有效地解决了前盖电泳后头部变形的问题（如图9）。图9 焊点数量及分布变化4. 质量优化介绍“质量是上海大众的生命”，任何工艺都要保证质量可靠、稳定才能够放心地使用。同样，单面焊也不例外。在项目过程中，我们主要针对焊接质量和表面质量进行了优化。4.1 焊接质量优化：折边胶与焊点位置的优化图10 折边剖面图单面焊焊接质量与折边胶有着密切关系。图10为四门两盖折边剖面图。根据防腐标准：图中A、B、C、D区域的胶水量必须达到100%充盈，而对E区域（约占折边搭接面5070%）没有明确定量。通过我在VW253CS项目中的观察、分析、跟踪及理解，我认为在满足防腐检验要求的前提下，A区域的胶水量应该适当多且均匀充盈（涂胶层厚度应不小于0.2mm），这样可以起到很好的电气绝缘作用，防止分流；而E区域的胶量要尽量少，甚至不要有胶水。因为E区域如果胶量过多，一方面会导致总成折边后溢胶，增加了工人的工作量（除胶），从而影响节拍；另一方面会增加油漆PVC气泡产生的风险，引起ZP8 Audit抱怨；最重要的一方面是E区域的胶水多了会影响到单面焊焊接时电流的稳定性，会导致焊接时假焊、虚焊，甚至会造成外板的翻边被焊穿。所以，折边胶胶水轨迹调整和胶量优化就显得十分重要了。在优化完溢胶和PVC气泡之后，我采取了两步措施来专门优化单面焊的焊接质量。第一步，优化折边胶的胶水轨迹和胶量。当折边胶涂到焊点位置时，将轨迹适当往内并减少出胶量，有意避开焊点位置，这样可以有效地减少E区域的胶量（如图11），当然必须以不影响防腐要求为前提。图11 胶水轨迹优化示意图第二步，优化焊点位置。即便是完成第一步也不能保证E区域的胶量对单面焊接无影响。为了将影响降到最低程度，我们从焊点位置入手，进行了第二步优化。将焊点适当向内移，使焊点的7080%打在外板翻边上，剩余2030%打在内板上，取得了良好的效果（图12）。为了安全起见，我们将这个方案发给德国EDAG公司请其帮忙评估。他们反馈这样的焊接方式对焊接强度没有任何影响，并表示这样的焊接方式正是他们推荐的。最终，我们才放心地实施了这套方案。图12 焊点位置优化示意图4.2 表面质量优化前面提到单面焊对表面无影响，这只是相对的。我认为在其他条件（涂胶量、单件质量、焊接胎膜硬度等）都OK的情况下，可以通过调整焊接参数达到很好的表面质量。但是在VW253CS项目中，恰恰就是因为涂胶量不稳定、单件不稳定、焊接胎膜硬度低等原因导致我们花了不少精力在表面质量优化上。前面我已经介绍过涂胶量优化，下面我就针对单件问题和胎膜问题讲讲我的解决方法。4.2.1针对单件问题的解决方法由于VW253CS前盖外板冲压模具结构不合理，造成生产出来的外板单件翻边双眼皮，带了双眼皮的外板翻边非常硬，在折边过程中根本无法将其消除继而无法将翻边压死，折边搭接面的内外板存在一定的间隙。在外板翻边与内板不贴合的状态下进行单面焊接，那必须要施加很大的压力和很大的电流。压力或电流一旦大了，就势必会造成焊接质量问题（虚焊、假焊、焊穿）和表面问题（表面OOW）。要想彻底解决单件双眼皮的问题，须从冲压模具下手，但是模具结构在设计时就确定了，根本无法改变。因此，我们只能通过折边模具的优化来尽量弥补单件带来的缺陷。针对前盖内外板折边搭接面的间隙位置，在折边刀上对应的区域我们进行了烧焊处理，这块多出来的材料正好可以完全压严外板翻边，使得折边搭接面间隙到达了单面焊接可接受的范围内（如图13）。现在回头想想，其实外板的这种缺陷完全可以在冲压模具的设计阶段预料和避免的。主要是TMS与TMB之间在冲压模具设计阶段没有充分的沟通、交流，而且我们对于单面焊的使用条件也了解不充分。导致在现场需要花费大量的人力、时间来进行如此繁杂的弥补、优化，这一点是要在以后的项目中努力避免的。图13 单件双眼皮优化示意图4.2.2针对胎膜硬度低的解决方法除了以上所提到的问题之外，还有一个原因也对表面质量有较大影响。在VW253CS SOP后3个月左右的时候，我们